Планеты - гиганты.

4. Уран

Уран - седьмая по удаленности от Солнца большая планета Солнечной системы. 13 марта 1781 года Уран открыл учитель музыки Уильям Гершель, до этого совершенно неизвестный в астрономическом мире. Случайно Нептун наблюдался и ранее, но оставался нераспознанным среди звезд. Заметив в свой телескоп светлый диск, движущийся по небу, Гершель принял его за комету и сообщил об открытом небесном теле профессиональным астрономам в Гринвич. Довольно быстро выяснилось, что это новая планета, и весть об открытии облетела всю Европу. После открытия Урана (название дал Иоганн Боде) Гершель стал широко известен и был избран членом Лондонского королевского общества и получил должность придворного астронома.
Движется вокруг Солнца на среднем расстоянии от него 19,19 а. е. по орбите, близкой к круговой. Эксцентриситет орбиты равен 0,047, наклон плоскости орбиты Урана к плоскости эклиптики составляет всего лишь 0,770. Полный оборот вокруг Солнца Уран совершает за 84,015 года, или 30685 земных суток. Синодический период, в течение которого повторяются противостояния и соединения с Солнцем, составляет 369,7 суток. Будучи достаточно ярким объектом (около 6-й звездной величины), Уран легко наблюдается в бинокль, но для того, чтобы уверенно заметить диск, нужен телескоп с увеличением не менее 60 раз. Невооруженным глазом едва различим. Видимый поперечник планеты меняется в пределах от 3,4//о 4,3//. Истинный экваториальный диаметр равен 50700 км, или 3,98 диаметра Земли. Объем в 61 раз превышает объем Земли, масса же его составляет 14,56 массы Земли, так что средняя его плотность мала и равна 1,32 г/см3, что характерно для планет-гигантов. Ускорение силы тяжести на экваторе равно 1040 см/сек2 минус 60 см/сек2 за счёт центробежного ускорения, а вторая космическая скорость - 22 км/сек.
Фигура Урана сильно сжата у полюсов (сжатие - около 1 : 33), что отражает факт быстрого его вращения вокруг оси. Поскольку на диске Урана не заметно никаких деталей, установить факт его вращения из прямых наблюдений невозможно. Период вращения Урана установлен по периодичным изменениям его блеска с амплитудой до 0,15 звездной величины, а также по величине смещения линий в его спектре вследствие эффекта Доплера, что позволяет определить линейную скорость вращения Урана на его экваторе.
В отличие от большинства планет, у которых осевое вращение, если смотреть на планету со стороны Северного полюса, происходит против часовой стрелки, т. е. в ту же сторону, в которую движется и сама планета вокруг Солнца, Уран вращается в сторону, противоположную орбитальному движению. Ось вращения Урана лежит почти в плоскости орбиты, составляя с нормалью к орбите угол 980.
Из-за большого удаления от Солнца Уран получает от него очень мало света и тепла - почти в 370 раз меньше, чем Земля, но его отражательная способность очень велика - самая высокая среди планет: сферическое альбедо равно 0,93, геометрическое альбедо - 0,57. Если Уран столь же эффективно отражает все тепловое излучение Солнца, то его температура на поверхности должна быть очень низкой - ниже 90 К (-1800 С). Это подтверждается измерениями в инфракрасной области спектра, где средняя температура оказалась равной всего лишь 55 К. В то же время температура, измеренная в сантиметровом диапазоне заметно превышает 100 К, что свидетельствует о существовании потока тепла из недр планеты. Большое альбедо Урана говорит о наличии мощной атмосферы. Спектроскопическим методом на планете обнаружен молекулярный водород Н2 (83%) и гелий (15%), на остальную долю приходится метан СН4 с незначительными примесями более тяжелых углеводородов и аммиака. Давление атмосферы на уровне облаков оценивается в 3 атмосферы. Метан имеет линии поглощения в красной части видимого спектра. Этим и объясняется голубая окраска планеты.
Теоретические исследования внутреннего строения Урана привели к следующим результатам: в отличие от "больших гигантов", Уран имеет твердую поверхность. Его кора, окружающая горя¬чее силикатно-металлическое ядро (ученые пока не пришли к единому мнению о его размерах), состоит из водяного льда, замерзшего аммиака, ме¬тана, моноксида и диок¬сида углерода. Сила тя¬жести у поверхности на одну девятую меньше земной (ускорение сво¬бодного падения 8,7 м/с2), средняя температура - 68 К (-2050С).
Плотный и однородный облач¬ный слой долгое время не позволял опре¬делить размеры Урана и период его обращения вокруг своей оси. Наиболее точные данные были по¬лучены автоматической станцией Voyager 2, пролетавшей в окрес¬тностях планеты 24 января 1986 года.: по полученным данным экваториальный диаметр оказал¬ся равен 51120 км, полярный - 49950 км. Этот же космический ап¬парат определил планетарное магнитное поле. Его напряжен¬ность примерно такая же, как у магнитного поля Земли, но его ось наклонена к оси вращения почти на 600 и к тому же не прохо¬дит через центр планеты. Эта особенность позволила по изме¬нению интенсивности раиоизлу¬чения Урана определить продол¬жительность его суток - 17 ча¬сов 14 минут (правильнее будет сказать, что это период враще¬ния магнитного поля планеты).
В марте 1977 года во время закрытия Ураном звезды у него были найдены кольца, лежа¬щие в той же плоскости, что и ор¬биты его сателлитов (второй после Сатурна слу¬чай обнаружения системы колец вокруг планеты Солнечной систе¬мы). Уран движется вокруг Солн¬ца, "лежа на боку". Ско¬рее всего, такая аномалия вызва¬на столкновением с крупным не¬бесным телом на ранних стадиях эволюции планеты. Как следствие является факт, что полюса Урана в сумме получают больше энергии, чем на экваторе.
Изначально в системе Урана находилось 5 колец (столько раз ослабел свет звез¬ды перед тем, как она исчезла за диском планеты, и столько же раз - после того, как она по¬явилась во время затмения пла¬нетой звезды). Кольца состоят из очень темного материа¬ла, плохо отражают солнечный свет в видимой части спектра, и намного лучше - в инфракрас¬ной: именно в этих лучах их впервые удалось сфотографи¬ровать. На снимках, полученных с автоматической станции Voyager 2, были иден¬тифицированы еще четыре коль¬ца. Далее, после подробного изу¬чения фотографий, их общее чис¬ло выросло до 13. Два последних кольца - самого большого диа¬метра (внешнее имеет радиус, вчетверо превышающий радиус планеты) - открыл орбитальный телескоп Hubble. Согласно индек¬сации Международного Астроно¬мического Союза (IAU), они полу¬чили обозначения R/2003 U1 и R/2003 U2.
Форма колец заметно отлича¬ется от круговой. Их ширина не превышает 10 км, только одно в самом широком месте (в апоцен¬тре - самой удаленной от плане¬ты точке) "расходится" почти до 100 км. Толщина колец оценива¬ется в несколько десятков мет¬ров. Максимальные размеры час¬тиц, из которых образованы кольца - приблизительно того же порядка.
Всего у Урана известно 15 спутников, которые движутся в экваториальной плоскости в направления вращения планеты. Все они слабы и доступны наблюдениям лишь с помощью крупных телескопов. Два спутника, более удаленные и самые яркие, - Титания и Оберон - были открыты Гершелем в 1787 году. Они расположены на расстояниях 582,6 и 435,8 млн. км от планеты. Это самые крупные спутники Урана. Менее яркие - Ариэль и Умбриэль открыты У. Ласселлом в 1851 году с помощью мощного телескопа, построенного им на основе Мальта. И, наконец, самый близкий к планете спутник - Миранда - американским астрономом Дж. Койпером в 1948 фотографическим путем (блеск 16,5 звездной величины). Размеры спутников можно лишь грубо оценить по их блеску: самый крупный из них - Титания - имеет диаметр между 0,5 и 1,3 тыс. км, самый малый - Миранда - от 150 до 500 км.
Миранда - самый близкий к планете спутник из от¬крытых в докосмическую эру. Радиус ор¬биты (большая полуось) - 130000 км. Совершает оборот за 1,4 земных суток. Диа¬метр 472 км. Движение обратное, совпа¬дающее с направлением вращения Урана Относительно светлая поверхность по¬крыта нагромождением гигантских скал и кратеров. На ней найдены ущелья, кото¬рые имеют глубину 10 раз больше, чем Большой Каньон на Земле. Есть отвесный обрыв высотой 15 км. Кратеров на Миранде относительно мало.
Ариэль - большая полуось орбиты спутника - 191 тыс. км. Продолжительность оборота 2,5 земных суток. Диаметр 1160 км. Является одним из самых светлых спутников Урана (его по¬верхность отражает 40% света). Покрыт сетью расщелин глубиной до 30 км, мете¬оритных кратеров больше, чем на Миран¬де, но меньше, чем более крупных спутни¬ках. Круп¬ные кратеры почти отсутствуют.
Умбриэль - большая полуось орбиты - 266000 км. Длительность оборота 4,1 суток. Попереч¬ник 1170 км. Из больших спутников Урана он самый темный (отражает только 19% света). Много метеоритных кратеров, от¬сутствуют следы вулканической активнос¬ти. Кратер Бунда диаметром 110 км окру¬жен светлым кольцом.
Титания - самый крупный - диаметр 1580 км - спутник Ура¬на по диаметру более чем вдвое меньше нашей Луны. Многочисленные метеоритные кратеры обнаружены на поверхности. Присутствуют черты давней вулканической деятельности, характерны крупные тектонические разломы.
Оберон - второй по величине спутник Урана (попе¬речник 1520 км). Обладает сильно кратерированной ледяной поверхностью с отсутствием признаков геологической активности (трещин, вулканов).
В Январе 1986 года на снимках, полученных с Voyager 2 были найдены десять новых спутников. В порядке увеличения радиуса орбиты их назвали Корделия, Офелия, Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Порция, Розалинда, Белинда и Пэк. Последние открытия спутников Урана получены с помощью телескопа Hubble в 2005 году. Их названия Мэб и Купидон.

Содержание

стр.
1. Общая характеристика планет 3
2. Юпитер 6
3. Сатурн 10
4. Уран 14
5. Нептун 18
Литература 21
Приложения 22


1. Общая характеристика планет

Планетами называются большие небесные тела, которые движу¬тся вокруг Солнца и светятся отра¬женным солнечным светом. Массой и размерами планеты на много порядков меньше, чем Солнце.
В древние времена выделяли семь небесных светил, которые изменяли свое положение среди звезд («блуждающих»): Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. Счи¬талось, что все эти светила, названные планетами, обращаются вокруг Земли. Лишь в начале XVI в. создатель гелиоцентрической системы мира Н. Коперник по¬казал, что только Луна движется вокруг Земли, а остальные планеты, как и Земля, дви¬жутся вокруг Солнца, которое является центральным телом системы планет - Солнечной системы. Само Солнце не при¬числяется к планетам, оно является звездой, поскольку светится собственным, а не отраженным светом. Из числа планет древ¬ности была изъята и Луна - спутник Земли. Открытие еще трех планет Солнечной системы - Урана (1781 год, В. Гершель), Нептуна (1846 год, Дж. Адамс, У. Леверъе, И. Галле), Плутона (1930 год, П. Ловелл, К. Томбо) - стало сенсацией. На сегодняшний день известны девять больших планет. Кроме них были открыты несколько тысяч малых планет (астероидов), размерами они колеблются от нескольких сотен до 1 км и меньше. Движение астероидов происходит главным образом между орбитами Марса и Юпитера в так называемом «кольце астероидов».
Уже в древности планеты по характеру их движения среди звезд делились на нижние и верхние. К нижним планетам относятся Меркурий и Венера, движущиеся вокруг Солнца ближе, чем Земля; к верхним принадлежат все остальные планеты, орбиты которых расположены за преде¬лами земной орбиты. Более глубокое на¬учное значение имеет деление планет на внутренние и внешние. К внутренним от¬носят планеты, движущиеся по орбитам внут¬ри пояса малых планет. Это - Меркурий, Ве¬нера, Земля, Марс; они называются также планетами земной группы. Внешние планеты нахо¬дятся за пределами кольца малых планет. Это - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Все они (кроме Плутона) из-за своих зачительных размеров называются также планетами-гигантами.
Между планетами и Солнцем действует взаим¬ное притяжение, описываемое законом тяготения Ньютона. Движение планет вокруг Солнца происходит по эллиптическим орбитам в основном в соответствии со сравнитель¬но простыми законами Кеплера.
Види¬мый блеск всех планет, известных с древно¬сти, не уступает блеску самых ярких звёзд, а блеск Венеры, Марса и Юпитера превосходит их. Из планет, открытых в новое время, только Уран доступен невооружен¬ному глазу. Для нормального человече¬ского зрения все планеты представляются, как и звезды, светящимися точками, но уже с помощью небольшого телескопа можно увидеть диск у всех планет (кроме да¬лекого Плутона), что впервые обнаружил в 1609 году Г. Галилей.
Радиолокация планет дает возможность установить расстояние до по¬верхности планет, небесно-механические же расчеты, основанные на анализе радиолокационных измерений за несколько лет, позволяют вы¬числить расстояния до центра планет. Разность тех и других расстояний равна радиусу планеты. Измерения видимого ди¬аметра планеты в разных направлениях позво¬ляют определить ее фигуру или, по край¬ней мере, сжатие у полюсов.
Изучение закономерностей движения спутников планет на основе закона всемирного тяготения позволяет уверенно определить их массу. Знание массы планеты и ее раз¬меров позволяет вычислить среднюю плот¬ность, значение ускорения силы тяжести на поверхности и скорость убегания, т. е. ту критическую скорость (космическую скорость), развив которую, тело покидает планету навсегда (скорость убегания рассчи¬тывается для поверхности планет).
Наличие газовой оболочки вокруг планет может быть легко замечено при наблюдениях с Земли - по потемнению диска планеты к краям, по постепенному (а не мгновенному) угасанию звезды в случае, когда планета проходит перед звездой, по нали¬чию облачных образований. Фотометрические измерения планет позволяют вывести значение отражательной способности либо планеты в це¬лом, либо ее частей, что выражают через величину альбедо. Многие планеты имеют большое альбедо, что указывает на при¬сутствие мощной атмосферы. Величина альбедо и характер изменения блеска планеты с изменением ее фазы позволяют с помощью теории рассеяния света определить количественные характеристи¬ки атмосферы, в первую очередь ее оптическую толщину и протяженность. О мощности атмосферы судят по упругости газов у ее основания, т. е. по величине, которую показал бы барометр-анероид на поверхности планеты, выражают ее в миллибарах (мбар). Очень мощные атмосфе¬ры имеют планеты - гиганты. Химический состав атмосферы определяется из спектральных наблюдений по интен¬сивности молекулярных полос поглоще¬ния, возникающих в спектре солнечного излучения, после того как оно дважды прошло через атмосферу планеты - до и после отражения от ее поверхности.
Прямые измере¬ния интегрального теплового потока или излучения планеты в отдельных областях ее инфракрасного спектра, осуществляемые, например, с помощью болометров, позволяют определить общую температуру планеты или температуру отдельных ее частей. Та же задача может быть решена путем измерения тепловых потоков планеты радиометодами в сантиметро¬вом, дециметровом и метровом диапазо¬нах. Сравнение теоретической равновес¬ной температуры (т. е. той, которую должна была бы иметь планета, если бы ее единствен¬ным источником тепла было солнечное облучение) с измеренной темп-рой дает возможность судить о том, что планета обла¬дает собственными источниками тепла, которое просачивается наружу. Этот про¬цесс очень существенно зависит от тепло¬проводности коры и атмосферы. Атмо¬сфера может обусловливать сильный парниковый эффект, сущность которого заключается в том, что она пропускает приходящее от Солнца оптическое излучение, но в значительной мере задерживает уходящее наружу длинноволновое (тепловое) излу¬чение самой планеты. Поэтому планета, лишенная атмосферы, холоднее и отличается боль¬шей суточной амплитудой температуры, чем планета с атмосферой.
Наблюде¬ния изменений орбиты спутника планеты, в ча¬стности поворота плоскости орбиты, вра¬щения орбиты в этой плоскости позволяют математическим путем определить форму планеты, ее сжатие. Зная среднюю плот¬ность планеты, оценивая возможные значения давления внутри нее, и принимая в расчет ее химический состав, можно составить обосно¬ванные суждения о природе вещества в глубоких недрах планеты и его агрегатном состоянии. Главная отличительная черта планет - гигантов - это очень низкая средняя плотность и специфический химический состав их атмосфер. Это еще одно свидетельство того, что они состоят из вещества, подобного солнечному - главным образом из водорода и гелия. Значит, тепловой поток, исходящий из Юпитера, указывает на высокую температуру в его недрах - до 20 тыс. градусов. Такой поток тепла свидетельствует о существовании в недрах Юпитера и Сатурна конвективного пере¬мешивания тепла. В недрах господствует колоссальное давление, намного превы¬шающее 2,5 млн. бар, при котором молеку¬лярный водород испытывает переход к металлической фазе и вполне подобен щелочным металлам. Сходную с Юпитером структуру имеет Сатурн. Более плотные Уран и Нептун содержат, по-видимому, значи¬тельно больше гелия. У этих планет температура ниже, так что около их центра возможно имеются ядра, состоящие из смеси льда и соединений, содержащих водород, кис¬лород, углерод, азот, серу и др.
Для полноты характеристики планет Сол¬нечной системы необходимо еще доба¬вить, что у планет земной группы мало спут¬ников (у Земли - 1, Марса - 2), тогда как у планет - гигантов их много.

2. Юпитер

Самой крупной из планет-гигантов является Юпитер - это пятая планета от Солнца. Он был известен еще с древности. Средний радиус его орбиты оставляет 5,203 а.е. (778 млн. км), ее эксцентриситет - 0,048, наклон ее плоскости к плоскости эклиптики - 1,30. за 11,862 года Юпитер совершает полный оборот вокруг солнца, двигаясь со средней скоростью в 13,06 км/сек. Средний синодический период обращения равен 399 суток. Все небо вдоль эклипитики Юпитер проходит за 12 лет и виднеется в противостоянии как желтоватая звезда - 2,6 звездной величины. В блеске уступает только Марсу и Венере во время великого противостояния. Видимый диск Юпитера принимает форму эллипса, его оси в среднем противостоянии наблюдаются под углом 46,5// и 43,7//. Но когда Юпитер соединяется с Солнцем его угловые размеры становятся на 1/3 меньше, блеск становится слабее на 0,84 звезд¬ной величины, чем в противостоя¬ниях. Визуальное альбедо = 0,67.
Экваториальный и полярный диаметры Юпитера равны соответственно 142600 км и 134140 км. Быстрое осевое вращение обуславливает сжатие планеты (1 : 15,9). В средних широтах период вращения сотавляет 9 ч 55 мин 40 сек (РII), близ экватора - 9 ч 50 мин 30 сек (РI). Масса Юпитера превосходит массу Земли в 318 раз, а объем в 1315 раз. По отношению к Солнцу масса Юпитера составляет 1 : 1047,39. Средняя плотность планеты равна 1,33 г/см3, что незначительно отличается от средней плотности Солнца. На экваторе ускорение силы притяжения составляет 25,90 м/сек2, а на полюсе оно равно 27,90 м/сек2. Центробежное ускорение на экваторе = 2,25 м/сек2. Параболическая ско¬рость, она же скорость убегания, на поверхности равна 61 км/сек.
Наблюдаемая поверх¬ность Юпитера состоит из облаков и иных атмосферных образований, пересеченных множеством темных полос, разделяющихся светлыми зонами. Светлые зоны параллельны экватору, который наклонен всего лишь на 3004/ к плоскости орбиты Юпитера. Сложная окраска и струк¬тура полос постоянно изменяется. Большую изменчивость имеет вид Южной и Северной экваториаль¬ных полос, исчезающих временами, а потом восстанавливающихся с цикличностью примерно 4 года. Также нередко становится невидимой довольно узкая экваториальная полоса. Сравнительно устойчивыми являются околополярные области.

1. Джемс Джинс «Вселенная вокруг нас». Перевод со второго английского издания Н. Идельсона с предисловием М. Ширвиндта. Государственное научно-техническое издательство. Москва - Ленинград 1932 352 с.
2. Ю. Г. Перель «Развитие представлений о вселенной». Под редакцией проф. Б.В. Кукаркина. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1958 352 с.
3. Большая советская энциклопедия. Главный редактор А.М. Прохоров. Москва. Издательство «Советская энциклопедия» 1974. Том 17, том 30.
4. И.Д. Новиков «Эволюция Вселенной». 3-е изд., перераб. И доп. Москва: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит.,1990. 192 с. (Пробл. Науки и техн. Прогресса).
5. Журнал «ВСЕЛЕННАЯ, пространство, время» - №12 декабрь 2006 46 с.
6. Журнал «ВСЕЛЕННАЯ, пространство, время» - №1 январь 2006 50 с.