Строение и происхождение Солнечной системы

Состав, строение и происхождение Солнечной системы

Урок физики в 9 классе

1. Строение и состав солнечной системы

Под Солнечной системой понимается всё космическое пространство и вся материя, находящаяся в сфере притяжения Солнца.

Солнечная система включает в себя: звезду Солнце, расположенную в центре системы; планеты со спутниками; карликовые планеты; малые тела (астероиды, кометы, метеоритные и метеорные тела), а также межпланетную пыль, плазму и физические поля в указанных границах.

Состав солнечной системы

В состав Солнечной системы входит Солнце, вокруг которого обращаются восемь больших планет.

В Солнечной системе находится 8 больших планет.

Планетой называют небесное тело, движущееся вокруг звезды в её гравитационном поле, имеющее форму, близкую к сферической, светящееся отражённым от звезды светом и расчистившее область своей орбиты от других мелких объектов.

Впервые такое представление предложили Аристарх Самосский, а затем Николай Коперник — они предполагал гелиоцентрическую систему строения Солнечной системы. Коперник описал её в своём труде «De Revolutionibus Orbium Coelestium» (1543). По этой системе Земля и другие планеты Солнечной системы обращались вокруг Солнца в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн. Солнце, расположенное в центре, перестали считать планетой.

Ещё пять космических объектов — Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида, массы и размеры которых существенно меньше, чем у больших планет, — составляют группу планет-карликов.

Термин «Карликовая планета» был принят в 2006 году в рамках классификации обращающихся вокруг Солнца тел на три категории. Тела, достаточно большие для того, чтобы расчистить окрестности своей орбиты, определены как планеты, а недостаточно большие, чтобы достичь даже гидростатического равновесия, - как малые тела Солнечной системы или астероиды. Карликовые планеты занимают промежуточное положение между этими двумя категориями.

Церера была открыта 24 января 1801 года Пиаццием. Первая же официальная публикация состоялась в сентябре 1801 года. Она расположена между орбитами Марса и Юпитера, орбиты четырёх последних планет-карликов пролегают за орбитой Нептуна.

Также, относительно недавно (в январе 2016 года), калифорнийские учёные Константин Батыгин и Майкл Браун выдвинули теорию о существовании ещё одной, девятой планеты от Солнца, находящейся за пределами пояса Койпера и имеющая массу эквивалентную десяти массам Земли. Существование данной планеты объяснило бы частичное совпадение орбит обособленных транснептуновых объектов в поясе Койпера.

В Солнечной системе выделяются два наиболее больших пояса: пояс астероидов и пояс Койпера. Данные системы состоят из малых небесных тел, то есть материала, оставшегося после формирования Солнечной системы.

Первый пояс находится на расстоянии 2,06 астрономических единиц от Солнца, второй же в свою очередь наиболее удалён от большинства небесных тел Солнечной системы и находится на расстоянии 55 астрономических единиц от Солнца.

Церера

Плутон

Хаумеа

Макемаке

Эрида

Особенности строения солнечной системы

Основная масса вещества Солнечной системы сосредоточена в Солнце, которое представляет собой рядовую звезду . На массу всех других составляющих системы приходится 1/750 часть массы Солнца. Таким образом, доминирующим в Солнечной системе является гравитационное поле Солнца.

Благодаря тому, что масса Солнца составляет почти 99,9% от всей массы Солнечной системы, силы гравитационного притяжения между Солнцем и перечисленными небесными телами оказываются достаточными для удержания последних в Солнечной системе.

Орбиты планет и большинства астероидов лежат почти в одной плоскости , незначительно наклонённой к плоскости солнечного экватора. Наклон эклиптики к плоскости солнечного экватора составляет 7°15  . Орбиты планет почти круговые.

Все планеты и астероиды обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении. Вращение Солнца вокруг своей оси происходит в ту же сторону, что и движение планет вокруг Солнца. Движение большинства спутников по орбитам происходит в том же направлении, в каком планеты движутся вокруг Солнца. Орбиты крупных спутников в основном имеют малый наклон к плоскостям экваторов своих планет.

Планеты вращаются вокруг своих осей в направлении, совпадающем с направлением их обращения вокруг Солнца. Исключение составляют Венера и Уран, которые вращаются в противоположную сторону. Причём ось вращения Урана почти лежит в плоскости орбиты планеты. Наклон оси вращения других планет не превышает 60° к плоскостям их орбит.

4. Планеты разделяются на две различающиеся группы: планеты земной группы и планеты-гиганты.

Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) — твёрдые тела, сравнительно небольшие, маломассивные, но с большой средней плотностью, более медленным вращением и малым числом спутников (или без них). Они расположены вблизи Солнца.

Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) — массивнее планет земной группы, большие по размерам и с меньшей средней плотностью, большой скоростью вращения и многочисленными спутниками. Планеты-гиганты обладают мощными атмосферами, состоящими в основном из водорода и гелия.

Марс

Меркурий

Земля

Венера

Планеты земной группы обладают существенно меньшими размерами и массами, но большей плотностью. Они получают от Солнца больше света и тепла, быстрее движутся по орбитам (вследствие того, что внутренняя часть протопланетного диска вращалась быстрее внешней), гораздо медленнее вращаются вокруг своей оси и поэтому меньше сжаты у полюсов, чем планеты-гиганты.

Уран

Нептун

Юпитер

Сатурн

Планеты-гиганты имеют значительно бо́льшие размеры атмосферы и магнитосферы, у них нет твёрдой или жидкой поверхности. Число естественных спутников у планет этой группы велико: 164 из 167 известных в Солнечной системе. Кроме того, у планет-гигантов есть образования из мелких частиц — кольца, которые отсутствуют у планет земной группы.

Для построения теории происхождения Солнечной системы необходимо знать возраст небесных тел. Согласно современным представлениям , возраст древнейших пород Земли достигает 4,64 млрд лет . Анализ пород, доставленных с Луны, соответствует возрасту от 2 до 4,5 млрд лет. Возраст железных и каменных метеоритов оценивается от 0,5 до 5 млрд лет. Возраст Солнца и других отдельных звёзд определяется на основе теории строения и эволюции звёзд. Для Солнца это приблизительно 5 млрд лет, что совпадает с возрастом других тел системы. Последнее позволяет заключить, что Солнце и планеты сформировались из единого облака газа и пыли.

Небесное тело

Возраст в млрд. лет

Нептун, Уран

6-7

Сатурн, Юпитер

5,5-6,1

Солнце

5,4-6

Марс

4,7-5,5

Земля

4,5-5,2

Венера, Меркурий

4,2-4,6

Луна

2-4,5

Метеориты

0,5-5

Формирование Солнечной системы

Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около пяти миллиард лет назад с гравитационного коллапса (т.е. катастрофически быстрого сжатия) небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака.

Основные этапы происхождения и ранней эволюции Солнечной системы

• Взрыв сверхновой звезды. Под действием ударной волны облако пыли начало сгущаться.
• Пылинки из облака стали объединяться, создавая ещё большие комки, которые и стали зародышами будущих планет ( планетезимали ), а затем и самими планетами.
• Последующее гравитационное сжатие поднимало температуру в недрах планет, после чего более тяжёлые компоненты планет уходили к центру, а более лёгкие образовывали кору. Постепенно водные пары образовывали моря и океаны, а газы — атмосферу.

Во вращающемся газопылевом облаке в результате взаимодействия его частиц или под действием каких-либо внешних влияний могло возникнуть уплотнение, ставшее центром гравитационного притяжения частиц окружающего вещества и вызвавшее гравитационный коллапс.

Под действием гравитационного притяжения вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре.

Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов градусов, в центральной области началась термоядерная реакция превращения водорода в гелий, происходящая с выделением энергии. Протозвезда превратилась в обычную звезду, впоследствии названную Солнцем. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты.

В протопланетном пылевом облаке температура прилегавшей к Солнцу области была более высокой, чем в окраинных его частях, из-за чего лёгкие химические элементы выносились в удалённые, холодные части облака.

В результате в составе ближайших к Солнцу планет, названных впоследствии планетами земной группы, преобладают тяжёлые элементы, а четыре дальние — планеты-гиганты — состоят в основном из газов. Различия в составе вещества, образовавшего планеты, принадлежащие к разным группам, явились причиной различий их физических характеристик.

Закон всемирного тяготения

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

G = 6,67 · 10- 11 Н·м 2 /кг 2

- гравитационная постоянная

Сила притяжения тела к Земле называется силой тяжести . Это одно из проявлений силы всемирного тяготения. Ускорение, сообщаемое телу силой тяжести, — это ускорение свободного падения «g».

F T = mg

Вблизи поверхности Земли g = 9,8 м/с 2 . На высоте h над Землей ускорение свободного падения можно определить по формуле:

M 3 — масса Земли; R 3 — радиус Земли.

№ 1.  На каком расстоянии друг от друга находятся два одинаковых шара массами по 20 т, если сила тяготения между ними 6,67·10 -5  Н?

№ 2.  Масса Сатурна 5,7·10 26  кг, а его радиус— 6·10 7  м. Определите ускорение свободного падения на Сатурне.

№ 3.  Чему равно ускорение свободного падения на высоте над поверхностью Земли, равной двум ее радиусам?

№ 4.  На какой высоте над поверхностью Земли сила тяготения в 2 раза меньше, чем на поверхности Земли?

№ 5.  С какой силой притягивается к центру Земли тело массой m, находящееся в глубокой шахте, если расстояние от центра Земли до тела равно r? Плотность Земли считайте всюду одинаковой и равной  .

Интересные факты

Кольца планет-гигантов образовались из остатков околопланетного облака, представляющих собой частицы разных размеров.

Юпитер

Юпитер - самая большая планета-гигант. Первым по порядку от Солнца, из планет-гигантов, идёт Юпитер. Это и самая большая планета Солнечной системы. Иногда говорят, что Юпитер - не состоявшаяся звезда. Но, чтобы запустить собственный процесс ядерных реакций, Юпитеру не хватает массы, причём довольно много. Хотя, масса потихоньку растёт за счёт поглощения межпланетного вещества - комет, метеоритов, пыли и солнечного ветра. Один из вариантов развития Солнечной системы показывает, что если так пойдёт и дальше, то Юпитер вполне может стать звездой или коричневым карликом. И тогда наша Солнечная станет двойной звёздной ситемой. Кстати, двойные звёздные системы - обычное дело в окружающем нас Космосе. Одиночных звёзд, вроде нашего Солнца, - гораздо меньше. Существуют расчёты, показывающие, что уже сейчас Юпитер излучает больше энергии, чем поглощает её от Солнца. И если это действительно так, то ядерные реакции уже должны идти, иначе энергии взяться просто неоткуда. А это уже признак именно звезды, а не планеты...

На этом снимке видно и знаменитое Большое Красное Пятно, его ещё называют "глазом Юпитера". Это гигантский вихрь, который существует по-видимому уже не одну сотню лет. В 1989 году к Юпитеру был запущен аппарат "Галилео". За 8 лет работы, он сделал уникальные снимки самой планеты-гиганта, спутников Юпитера, а также провёл множество измерений. Что творится в атмосфере Юпитера и в его недрах - остаётся только догадываться. Зонд аппарата "Галилео" спустившися в его атмосферу на 157 км., выдержал всего 57 минут, после чего был раздавлен давлением в 23 атмосферы. Но, он успел сообщить о мощных грозах и ураганных ветрах, также передал данные о составе и температуре. Ганимед, самый большой из спутников Юпитера, является и самым большим из спутников планет в Солнечной системе. В самом начале исследований, в 1994 году "Галилео" наблюдал падение кометы Шумейкеров-Леви на поверхность Юпитера и прислал изображения этой катастрофы. С Земли это событие наблюдать было нельзя - только остаточные явления, которые стали видны по мере вращения Юпитера.

Далее идёт не менее знаменитое тело Солнечной системы - планета-гигант Сатурн, который известен прежде всего благодаря своим кольцам. Кольца Сатурна состоят из частичек льда, размером от пылинок до довольно больших кусков льда. При внешнем диаметре колец Сатурна 282000 километров, их толщина - всего около одного километра. Поэтому, при взгляде сбоку, кольца Сатурна не видны. Но, у Сатурна есть и спутники. Сейчас открыто около 62 спутников Сатурна. Самый большой спутник Сатурна - Титан, размер которого больше планеты Меркурий! Но, он состоит в значительной мере из замёрзшего газа, то есть легче Меркурия. Если Титан переместить на орбиту Меркурия, то лёдяной газ испарится и размеры Титана сильно уменьшатся. Ещё один интересный спутник Сатурна - Энцелад, привлекает учёных тем, что под его ледяной поверхностью есть океан жидкой воды. А если так, то в ней возможна и жизнь, ведь и температуры там положительные. На Энцеладе открыты мощные водяные гейзеры, бьющие в высоту на сотни километров!

Сатурн

Исследовательская станция "Кассини" находится на орбите Сатурна с 2004 года. За это время собрано множество данных о самом Сатурне, его спутниках и кольцах. Так же осуществлена посадка автоматической станции "Гюйгенс" на поверхность Титана, одного из спутников Сатурна. Это была первая в истории посадка зонда на поверхность небесного тела во Внешней части Солнечной системы. Несмотря на свои значительные размеры и массу, плотность Сатурна примерно в 9.1 раза меньше плотности Земли. Поэтому, ускорение свободного падения на экваторе - всего 10,44 м/с². То есть, совершив там посадку, мы бы не почувствовали возросшей силы тяжести.

Уран

Уран - ледяной гигант. Атмосфера Урана состоит из водорода и гелия, а недра - изо льда и твёрдых горных пород. Уран выглядит довольно спокойной планетой, в отличие от буйного Юпитера, но всё-же в его атмосфере были замечены вихри. Если Юпитер и Сатурн называют газовыми гигантами, то Уран и Нептун - ледяные гиганты, поскольку в их недрах отсутствует металлический водород, а вместо него много льда в различных высокотемпературных состояниях. Уран выделяет очень мало внутреннего тепла и поэтому является самой холодной из планет Солнечной системы - на нём зарегистрирована темперутура -224°С. Даже на Нептупне, который находится дальше от Солнца - и то теплее. У Урана есть спутники, но они не очень крупные. Самый большой из них, Титания, в диаметре более чем в два раза меньше нашей Луны.

В отличие от других планет Солнечной системы, Уран как бы лежит на боку - его собственная ось вращения лежит почти в плоскости вращения Урана вокруг Солнца. Поэтому, он поворачивается к Солнцу то Южным, то Северным полюсами. То есть, солнечный день на полюсе длится 42 года, а потом сменяется на 42 года "полярной ночи", во время которой освещён противоположный полюс. Этот снимок сделан телескопом Хаббл в 2005 году. Видны кольца Урана, светло окрашенный южный полюс и яркое облако в северных широтах. Оказывается, не только Сатурн украсил себя кольцами!

Любопытно, что все планеты носят имена римских богов. И только Уран назван именем бога из древнегреческой мифологии. Ускорение свободного падения на экваторе Урана - 0,886 g. То есть, сила тяжести на этой планете-гиганте даже меньше, чем на Земле! И это несмотря на его огромную массу... Виной этому - опять же малая плотность ледяного гиганта Урана. Космические аппараты пролетали мимо Урана, делая попутно снимки, но детальных исследований пока не проводилось.

Нептун

Нептун - самая дальняя планета Солнечной системы, после того, как Плутон "разжаловали" в "карликовые планеты". Как и остальные планеты-гиганты, Нептун значительно больше и тяжелее Земли.

Нептун, как и Уран, является ледяной планетой-гигантом. Нептун находится довольно далеко от Солнца и поэтому стал первой планетой, открытой благодаря математическим вычислениям, а не при помощи прямых наблюдений.

Планета была зрительно обнаружена в телескоп 23 сентября 1846 года астрономами Берлинской обсерватории, на основании предварительных расчётов французского астронома Леверье. Любопытно, что судя по рисункам, Галилео Галией наблюдал Нептун задолго до этого, ещё в 1612 году, в свой первый телескоп! Но... он не распознал в нём планету, приняв за неподвижную звезду. Поэтому, Галилей не считается первооткрывателем планеты Нептун. Несмотря на свои значительные размеры и массу, плотность Нептуна примерно в 3,5 раза меньше плотности Земли. Поэтому, на экваторе сила тяжести - всего 1,14 g, то есть почти как на Земле, как и у двух предыдущих планет-гигантов.

Домашнее задание:

§68, вопросы к параграфу.

Доклад на тему «Характеристики ….(любой один объект Солнечной ситемы на выбор)»