Реферат: Строение солнечной системы

    МОУСОШ №7

         ДОКЛАД ПО АСТРОНОМИИ

СТРОЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

/>

Новочеркасск 2004г.

Новочеркасск 2004г.

                                                     Введение

         Последнее десятилетие принципиальноизменило наши представления о строении, динамической эволюции и устойчивостиСолнечной системы. Привычными стали сообщения об открытии новых объектов,выявлении новых динамических структур, проявлении свойств неустойчивостидвижения или хаотического поведения у тех или иных групп объектов.

         Это вызвано несколькими причинами:появление новых инструментов и модернизация старых, применениевысокочувствительных ПЗС–матриц и новых методов математической обработкирезультатов наблюдений. Все это позволяет наблюдать новые объекты, имеющиеочень малую яркость и существенное собственное движение.

         Новые аналитические и численныеметоды небесной механики в совокупности с современными вычислительнымисистемами дают возможность моделировать движение тел Солнечной системы наинтервалах времени, сравнимых с ее возрастом и даже многократно превышающихего.

          На наших глазах происходит сменапредставлений о динамике Солнечной системы: от регулярной и устойчивой кхаотической и неустойчивой. Все это напоминает ситуацию в физике начала XXвека, когда совершался переход от классической к релятивистской картине Мира.Нам предстоит разобраться где, когда и при каких условиях мы можемрассматривать Солнечную систему регулярной и устойчивой, а в каких случаяхпроявляются признаки хаоса и неустойчивости.

         Начнем рассмотрение с современныхпредставлений о структуре Солнечной системы. Затем обсудим понятия устойчивостии неустойчивости движения, условия возникновения резонансов и хаотическогоповедения. После этого проанализируем динамику малых тел Солнечной системы иобратимся к большим планетам. В заключение рассмотрим динамику Солнечнойсистемы как целого на временах, сравнимых с ее возрастом.

Солнечная системапредставляет собой группу небесных тел, весьма различных по своим размерам ифизическому строению. В эту группу входят: Солнце, Девять больших планет,вместе с 61 спутником, более 100000 планет (астероидов), порядка десяти комет,а также бесчисленное множество метеорных тел движущихся как роями так и в видеотдельных частиц.

Все эти тела  объединены в одну системублагодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. Масса солнцаприблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в этусистему. Гравитационное притяжение звезды является главной силой, определяющейдвижение всех обращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднеерасстояние от солнца до самой далекой от него планеты Плутон 39,5 а.е., чтоочень мало по сравнению с расстоянием до ближайших звезд. Только некоторыекометы удаляются от солнца на 105 а.е. и подвергаются воздействиюпритяжения звезд.

В Солнечной системенаблюдается огромный диапазон масс, особенное если учесть наличие вмежпланетном пространстве космической пыли.  Различие в массах между солнцем икакой-нибудь пылинкой в тысячную долю миллиграмма будет составлять около 40порядков (иначе говоря, отношение их масс будет выражаться числом с 40нулями.). 

         Все объекты Солнечной системы можноразделить на четыре группы: Солнце, большие планеты, спутники планет и малыетела. Мы пока ничего не говорим о спутниках малых тел, поскольку к настоящемувремени таких объектов открыто всего два, а наблюдательной информации недостаточно,чтобы детально исследовать их динамику.

Солнце — динамический центр системы. Егогравитационное влияние является доминирующим в Солнечной системе за исключениеммалых областей в окрестности других объектов.

         Большие планеты — визитная карточкаСолнечной системы. Пять ближайших к Земле больших планет были известны с раннейистории человечества. Это — Меркурий, Венера, Марс, Юпитери Сатурн. История открытия трех других больших планет показывает какменялось отношение астрономов к вопросу о размерах и населении Солнечнойсистемы.

         Открытие Урана явилосьсюрпризом. Весной 1781 г. Вильям Гершель на своем 7-футовом (2.1 м)телескопе проводил наблюдения по программе определения параллаксов звезд. 13марта 1781 г. он сделал запись об обнаружении туманной звезды или кометы. Споро природе открытого объекта продолжался до 1787 г., когда Гершель открыл дваспутника Урана: Оберон и Титанию.

         Открытие Нептуна сталотриумфом теории тяготения Ньютона. Анализируя неравенства в движении Урана,Бессель в Кенигсберге в 1840 г., Адамс в Кембридже в 1841 г. и Леверье воФранции в 1845 г. независимо друг от друга рассчитали орбиту планеты,ответственной за эти возмущения. 23 сентября 1846 г. Галле и д’Аррест изБерлинской обсерватории по эфемеридам Леверье открыли Нептун.

         Открытие Плутона можноназвать запрограммированным. В 1896 г. Персиваль Ловелл обнаружил остаточныеневязки в движении Урана после учета возмущений от Нептуна и высказал гипотезу,что эти возмущения производятся неизвестной занептунной планетой. В середине90-х годов XIX века в Аризоне Ловелл построил обсерваторию, которая сталацентром поиска новой планеты. В течение почти 30 лет было проведено несколькокомпаний по поиску Плутона. Но безрезультатно. В 1916 г. умер Ловелл. В 1929 г.Клод Томбо на 13-дюймовом (0.33 м) рефракторе начал новую атаку на Плутон.Открытие пришло 18 февраля 1930 г., когда Томбо сравнивал фотопластинки,полученные 23 и 29 января 1930 г. Директор Ловелловской обсерваториисообщил об открытии 13 марта 1930 г. в 149-ю годовщину открытия УранаГершелем и 75-ю годовщину со дня рождения Персиваля Ловелла. За время поискаПлутона было проведено сравнение около 90 млн. изображений звезд в течение 7000часов на блинк-компараторе.

/>

Существуют ли большие планеты за орбитойПлутона? Анализ траекторий движения тел Солнечной системы и космическихаппаратовПионер10, Пионер–11, Вояджер–1, Воджер–2 позволяютутверждать, что объектов, сравнимых с Плутоном, и более крупных во внешнейобласти Солнечной системы не существует.

         История открытия спутников планетне менее драматична, но мы не будем на ней останавливаться. Отметим только, чтоспутниковые системы планет-гигантов сложностью своего устройства зачастуюпревосходят Солнечную систему. Не до конца решен вопрос о происхождении двойныхпланет Земля–Луна и Плутон–Харон.

Малые тела Солнечной системы —пробный камень и золотая жила небесной механики, кладезь новых открытий. Самыеизвестные малые тела — кометы. Упоминания о кометах можно найти в легендах илетописях практически всех народов Земли. По динамическим признакам кометы разделяютсяна долгопериодические и короткопериодические.

Долгопериодические кометы движутся поорбитам, большие полуоси которых достигают десятков тысяч астрономическихединиц, а периоды обращения — десятков миллионов лет. Орбиты сильно вытянуты,их эксцентриситеты близки к единице. Ориентация орбит и их наклоны к плоскостиэклиптики распределены случайным образом. В настоящее время имеются сведенияболее, чем о 700 таких комет.

Короткопериодическиекометы имеют периоды менее 200 лет, умеренные эксцентриситеты, для большинстваиз них наклон орбит к плоскости эклиптики не превышает 35?.Короткопериодические кометы делятся на семейства по признаку планеты-гиганта,определяющей динамику кометы. В настоящее время известно около 180короткопериодических комет. Большинство из них принадлежит семейству Юпитера.

Самая многочисленнаяпопуляцию малых тел Солнечной системы — астероиды. Первый астероид —Церера — был открыт в первый день XIX века сицилийским астрономом Пиацци.Хотя открытие и носило случайный характер, оно послужило толчком к разработкеГауссом классического метода определения орбит по трем наблюдениям и методанаименьших квадратов, благодаря которым удалось вычислить орбиту и переоткрытьЦереру спустя почти год после первых наблюдений. В настоящее время известнонесколько десятков тысяч астероидов. И это число стремительно растет.

Популяция астероидовнеоднородна. Большинство астероидов движутся по орбитам близким к круговым впоясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера. В 1866 г. Кирквуд исследовалзависимость числа астероидов от больших полуосей их орбит и обнаружил, что полученноераспределение имеет несколько глубоких минимумов. Позднее выяснилось, что этиминимумы соответствуют соизмеримости средних движений Юпитера и астероида. Ониполучили название люков Кирквуда.

Хотя астероидыдвижутся по эллиптическим орбитам, треугольникСолнце–Юпитер–астероид всегда остается близким к равностороннему. Иногдаобе группы астероидов называют троянцами. По состоянию на 1 апреля 1999 г.известно 476 астероидов-троянцев (474 у Юпитера и 2 у Марса).

Еще одна группаастероидов — астероиды, сближающиеся с Землей. Их перигелийные расстоянияменьше 1.33 а.е. В настоящее время известно несколько тысяч таких астероидов.Около сотни из них представляют реальную угрозу для Земли: они пересекают ееорбиту и имеют размер более 1 км. Столкновение Земли с подобным астероидомвызовет глобальную катастрофу, подобную той, что привела к вымираниюдинозавров. Имеется еще около тысячи астероидов размером от 30 до 50 м,также пересекающих орбиту Земли. Столкновение Земли с таким астероидом способновызвать локальную катастрофу типа тунгусской. Однако, ни один из известныхастероидов не столкнется с Землей в ближайшем будущем, в течение 33лет, в 21 веке.

После открытияПлутона неоднократно предпринимались попытки поиска десятой большой планетыСолнечной системы. Во время одного из таких обзоров 18 октября1977 г. Коваль открыл малую планету 2060 Хирон, которая движется междуорбитами Юпитера и Урана, пересекая орбиту Сатурна. Вблизи перигелия у этого“астероида” проявляются признаки газоизвержения и комы. Более 14 лет этотобъект оставался единственной малой планетой, наблюдаемой глубоко внутриобласти движения планет-гигантов. 9 января 1992 на автоматическомтелескопе Космический дозор (Аризона, США) был открыт еще один астероид этойгруппы — 5145 Фолус. К настоящему времени известно 7 астероидов группыКентавра, движущихся среди планет-гигантов между орбитами Юпитера и Нептуна.Название группы отражает тот факт, что объекты одновременно имеют признаки иастероидов и комет. В табл. 1 приводится список астероидов группы Кентавра посостоянию на 1 августа 1997 г. В таблице даны: имя астероида, егопредварительное обозначение, перигелийное и афелийное расстояния вастрономических единицах, наклон орбиты в градусах, эксцентриситет орбиты,большая полуось в астрономических единицах и дата открытия. Полный регулярнообновляемый вариант таблицы доступен по адресу

В 1949 г.К.Эджеворт высказал предположение о существовании остаточногонеизрасходованного при формировании Солнечной системы материала за орбитойНептуна. Однако, эта работа была малоизвестна до последнего времени. В1951 г. Койпер предположил, что кометы и астероиды формировались всущественно различных областях Солнечной системы и, что за орбитой Плутонадолжен существовать пояс комет. 30 августа 1992 г. Джевитт и Лю (Гавайскийуниверситет, США) открыли первый объект, принадлежащий поясу Койпера. Онполучил обозначение 1992 QB1. Сейчас известно 53 объекта, движущихся за орбитойНептуна. В табл. 2 приводится список объектов пояса Койпера по состоянию на 1августа 1997 г.

олный регулярно обновляемый вариант таблицыдоступен по адресу. Некоторые исследователи относят к объектам пояса Койпера иПлутон. Возможно, что пояс Койпера является внутренней областью облакаОорта — сферического образования радиусом от тысяч до сотен тысячастрономических единиц, являющегося резервуаром долгопериодических комет.

Таким образом, посовременным представлениям Солнечная система имеет следующую структуру: вокругСолнца вращаются 9 больших планет, между орбитами Марса и Юпитера находитсяпояс астероидов, часть астероидов движется среди планет земной группы и вокрестности треугольных точек либрации Юпитера, среди планет-гигантов движутсяобъекты группы Кентавра и короткопериодические кометы, за орбитой Нептунарасполагается пояс Койпера, а вся система окружена облаком Оорта.

/>

                                Малыепланеты (Астероиды).

Малые планеты(Астероиды) — космические тела размером в сотни километров и меньше, движущиесявокруг Солнца по эллиптическим орбитам, расположенным преимущественно междуорбитами Марса и Юпитера. Самые маленькие астероиды имеют размер несколькоменьше 1 км. Число малых планет быстро растет при переходе от крупных к мелким,которые уже можно считать крупными метеоритными телами.

Первая малая планета- Церера — была открыта случайно 1 января 1801 года итальянским астрономомПиацци. В настоящее время известно уже несколько тысяч малых планет. Примернодля 2000 из них известны точные орбиты. Общее число малых планет внутри орбитыЮпитера, доступных наблюдениям, оцениваются в 100000. Но их суммарная массаменьше 1/1000 массы земного шара.

Малым планетам стипичными орбитами присваивались женские имена, малые планеты с теми или инымиособенностями движения получали мужские имена. В последнее время, однако, этоправило не соблюдается. У подавляющего большинства малых планет большие полуосиих орбит заключены между 2,2 и 3,6 а.е. Они образуют так называемое кольцо илипояс малых планет (астероидов).

Орбиты малых планетв среднем более вытянуты и более наклонены по эклиптике, чем орбиты большихпланет. Известно несколько десятков малых планет движущихся вдоль орбитыЮпитера и образующих две устойчивые группы — на расстоянии 60Овпереди и позади планеты (так называемые Троянцы и Греки — они все названыименами героев троянской войны). У малой планеты Педальго имеющей вытянутуюорбиту с большой полуосью в 5,8 а.е. афемий расположен дальше орбиты Сатурна,но благодаря большому наклону орбиты Педальго не происходит его сближение сСатурном. Еще большей орбитой обладает малая планета Хеерон. Ее орбитапроходит в основном между орбитами Сатурна и Урана, но в перигелии заходитвнутрь орбиты Сатурна.

Некоторые малыепланеты имеют небольшие вытянутые орбиты, приближающиеся к орбите Земли (малыепланеты группы Амура) или даже заходящие внутрь нее ( малые планеты группыАполлона и Атона). Малая планета Икар заходит даже внутрь орбиты Меркурия.Малые планеты группы Аполлона и некоторые из группы Амура могут сближаться сЗемлей. Крайне редко они даже сталкиваются с ней, образуя при уларе о сушугигантские “метеоритные” кратеры, а при попадании в океаны и моря порождают гигантскиеволны.

Существует гипотеза,согласно которой в том месте, где сейчас движутся астероиды, когда -тонаходилась планета. Эта планета (у нее даже есть два названия: однотрадиционное — Фаэтон, а другое — планета Ольберса) разрушалась либо врезультате столкновения с крупным телом, либо под действием каких-то другихсил, например под действием приливных сил Юпитера. Обломки этой гипотетическойпланеты и есть астероиды.

Такое предположениев настоящее время высказывают многие ученые. Долгое время размеры малых планетоценивали приближенно, на  основании видимого блеска и предполагаемойотражательной способности. В последние годы размеры и отражательные способностикрупнейших малых планет определяют путем измерения инфракрасного излучения исравнения его с количеством отраженного видимого света, а также на основеэмпирической зависимости поляризационных свойств поверхности и от ееотражательной способности. К настоящему времени получены такие сведения почти о200 малых планетах поперечником больше 70 км. Самые большие малые планеты имеютследующие размеры: Церера — 1003 км., Паллада — 608 км., Веста — 538 км., Тгия-450 км.

          Малые планеты, движущиеся внутриорбиты Юпитера, считаются каменистыми телами, родственными планетам земнойгруппы. Это подтверждаются спектрофотометрическими наблюдениями, которыепоказывают, что почти все они по отражательным свойствам похожи на метеоритытех или иных типов.

                                 Метеориты — вестники космоса.

Метеориты — каменныеили железные тела, падающие на Землю из межпланетного пространства. Падениеметеоритов на Землю сопровождается звуковым, световым и механическим явлением.По небу проносится яркий огненный шар называемый болидом, сопровождаемыйхвостом и разлетающимися  искрами. После того как болид исчезает, черезнесколько секунд раздаются похожие на взрывы удары, называемые ударнымиволнами, которые иногда вызывают значительное сотрясение грунта и зданий.

          Метеориты могут выпадать в техслучаях, когда скорость вторгшегося в земную атмосферу метеорного тела непревосходит 22 км/с и если это тело обладает достаточно механическойпрочностью. В месте падения метеоритов образуются углубления, размеры и формакоторых зависят от массы метеоритов и скорости из падения.

Самый крупный метеорит был найден вЮго-Западной Африке в 1920 году. Метеорит этот, Гоба (названия даются понаселенному пункту, ближайшему к месту падения) железный, масса его 60 т. Ккрупнейшим метеоритам относится железный Сихотэ — Алинский, упавший в СССР в1947 году. Он еще в атмосфере раскололся на тысячи частей и выпал на Землю“железным дождем”. При ударе о грунт части метеорита раздробили скальныепороды, образовав в них кратеры и воронки. Было обнаружено 200 кратеров иворонок диамтром от 20 см до 26 м. Масса Сихотэ -Алинского метеоритаоценивается в 70 т., собрано более 23 т.

Метеориты состоят изтех же химических элементов, которые имеются на Земле. Это в основном следующие8 элементов: Железо, никель, магний, кремний, сера, алюминий, кальций икислород. Остальные элементы встречаются в метеоритах в очень малыхколичествах. Соединяясь между собой, эти элементы образуют в метеоритахразличные минералы, большинство которых имеется и на Земле. Но встречаютсяметеориты с неизвестными на земном шаре минералами.

Железные метеоритыпочти целиком состоят из железа. В соединении с никелем и незначительнымколичеством кобальта. В каменистых метеоритах находятся силикаты-минералы,представляющие собой соединения кремния с кислородом и примесью другихэлементов (магния, алюминия, кальция и др.). Железно каменные метеориты состоятпочти из равных количеств каменистого вещества и никелистого железа. В нашевремя в коллекциях мира собраны метеориты, представляющие приблизительно 3500отдельных падений. Около 1/3 из этого числа метеоритов наблюдались при падении;остальные находки.

                                                         Кометы

Кометы — телаСолнечной системы, имеющие вид туманных объектов, обычно со светлым сгустком — ядром в центре и хвостом. Они принадлежат к числу наиболее красивых небесныхтел. Кометы могут наблюдаться тогда, когда небольшое ледяное тело, называемоеядром кометы, приближается к солнцу на расстояние, меньше 4-5 а.е.,прогреваются его лучами и из него начинают выделятся газы и пыль, которые видныв результате их освещения Солнцем. Газы и пыль, выделяющиеся из ядра, создаютвокруг него туманные оболочки — атмосферу кометы, составляющую вместе с ядромголову кометы. Атмосфера кометы непрерывно рассеивается в межпланетноепространство: под действием светового давления и взаимодействия с солнечнымветром газы и пыль уносятся в направлении от Солнца, образуя хвост комет.

          У большинства комет в серединеголовы наблюдается яркое звездообразное “ядро”, представляющее собой свечениецентрально, Наиболее плотной зоны газов, вокруг истинного ядра кометы. Головакометы и ее хвост не имеют резких очертаний. Их видимые размеры зависят отинтенсивности выделения газов и пыли из ядра, определяемой размерами ядра и егоблизостью к Солнцу, а с другой стороны от яркости фона неба. Время от временита или иная комета сближается с какой -либо массивной планетой, и это приводитк резкому изменению ее орбиты.

Поперечник головыкометы обычно оставляет десятки и сотни тысяч километров, но, например у кометы1680 года и у яркой кометы 1811 года он миллион километров, а хвост был виденна протяжении 300 млн.км., т.е. его длина была вдвое больше расстояния от Землидо Солнца.

Согласноклассификации, предложенной в 70х годах ХIХ века русскимастрономом Ф.А. Бородихиным, все кометные хвосты подразделяются на три типа:хвосты 1 типа направленные прямо от солнца; хвосты 2 типа изогнуты иотклоняются назад по отношению к орбитальному движению кометы; хвосты 3 типапочти прямые, но заметно отклоняются назад. Современные исследования позволилиустановить, что хвосты 1 типа — плазменные, имеют струйчатую структуру исостоят из ионизированных молекул, которые с большим ускорением уносятся прочьот ядра вследствие электромагнитного взаимодействия с солнечным ветром. Хвосты2 типа образованы пылевыми частицами разной величины, непрерывно выделяющиесяиз ядра. Хвосты 3 типа появляются в том случае, когда из ядра одновременновыделяется целое облако пылинок.

Около 1950 годаудалось установить, что ядра комет — это сравнительно небольшие ледяные тела,состоящие из замерзших газов, перемешенных с некоторым количеством нелетучихкаменистых веществ. Поперечником ядер бывают обычно от нескольких сотен метровдо нескольких километров, и поэтому ядра не видны.

          Свечение газов в кометах — этопере излучение солнечного света, причем пере излучаются лишь лучи определенныхдлин волн, характерных для данной молекулы. Как показывает изучение спектров,почти у всех комет излучение головы порождается нейтральными молекулами,состоящими из двух или трех атомов. В 70-х годах было установлено присутствие вкометах атомарного кислорода, водорода и углерода. В 1974 году впервые удалосьобнаружить радиоизлучение кометных молекул.

          В  настоящее время ежегоднооткрывают 5-7 новых комет и довольно часто один раз в 2-3 года вблизи Земли иСолнца проходит яркая комета с большим хвостом.

В 1996 году 31января японский любитель астрономии Юи Хиякутаке открыл новую комету, котораяполучила официальное обозначение — с/1996В2, которая 25 марта прошла нарасстоянии 15 млн. Км. От Земли со скоростью 58 км/с. А в начале маякосмическая путешественница — комета Хиякутаке — скрылась в лучах Солнца иобогнув его, начала свой обратный путь за пределы Солнечной системы.

          Заканчивая общий обзор Солнечнойсистемы, необходимо отметить еще одно очень важное обстоятельство. НашаСолнечная система является системой устойчивой, по крайней мере в течениенескольких сотен миллионов лет. Это означает, что форма, размеры ивзаимодействие планет, взаимная ориентировка орбит тел, ее составляющих, не могутзначительно измениться с течением времени, претерпевая лишь периодическиеколебания около своих средних значений. Конечно, главная причина устойчивостиСолнечной системы заключается в том, что 99,87% всей массы сосредоточено всолнце.