Загальне землезнавство - Олійник Я.Б. - 3.3. Характеристика планет Сонячної системи

Сонячна система має складну будову. До її складу входять вісім планет з їх супутниками, десятки тисяч астероїдів, комети, метеоритна речовина і єдина зірка — Сонце, навколо якої обертаються всі тіла системи. На долю Сонця припадає 99,9 % загальної маси всіх тіл Сонячної системи, тому воно є для них центром тяжіння. Всі вони утримуються разом завдяки силі його гравітаційного поля.

Сонце — одна з типових зірок Чумацького шляху. Вона віддалена від Землі в середньому на відстань 149,6 млн км. Цю величину прийнято на Міжнародному астрономічному з'їзді в 1964 р. за одиницю вимірювання відстаней між космічними об'єктами; вона називається астрономічною одиницею довжини (скорочено а. о. д.).

Радіус Сонця становить 696 000 км, середня густина — 1,21 г/см8, середня температура зовнішніх шарів — 5600 °С, а в надрах вона перевищує 10 млн °С. Теплова енергія Сонця зумовлена термоядерними реакціями перетворення водню в гелій. Зауважимо, що саме ці два хімічні елементи складають 99 % маси Сонця. Вся його речовина знаходиться в стані плазми.

Колосальна енергія, яку виділяє Сонце, розсіюється в космічному просторі. Дуже мала частка цієї енергії досягає Землі у вигляді рентгенівських і ультрафіолетових променів, видимого світла, теплового випромінювання і радіохвиль. Земна атмосфера для деяких довжин хвиль непрозора, але теплове випромінювання і видиме світло вільно проникають через неї.

Тепло і світло, які випромінює Сонце, живлять енергією різні природні процеси. Тепло впливає на клімат, приводить в дію кругообіг води, відіграє велику роль при вивітрюванні та ерозії, а також створює на Землі умови, сприятливі для життя. Без цього джерела енергії не було б унікального в Сонячній системі, а можливо і у Всесвіті, рослинного і тваринного світу та найскладнішого створіння природи — людини.

Енергія, що виділяється Сонцем, залишається за величиною практично незмінною вже майже 5 млрд. років. Згідно з підрахунками вчених, Сонце знаходиться в головній фазі свого розвитку і буде перебувати в ній ще близько 7 млрд. років.

На сонячному диску вчені виявили темні плями, які зберігаються по кілька тижнів, а також численні яскраві спалахи, що тривають по кілька годин. Безперервне випромінювання Сонцем величезної енергії супроводжується відторгненням заряджених частинок в космічний простір. Цей потік протонів і електронів називається сонячним вітром. Взаємодіючи з верхніми шарами атмосфери, ці частинки викликають в ній полярні сяйва, іонізують повітря і змінюють фізичний стан газової оболонки.

Підвищення активності Сонця триває 4,2 роки, спад — 7 років, тобто його активність відновлюється в середньому через кожні 11,2 року. Цей період називається сонячним циклом. Рентгенівське випромінювання досягає Землі через 8—30 хв. після спалаху, а потік заряджених протонів і електронів — приблизно через добу.

Навколо Сонця обертаються планети, які розташовані в такому порядку: Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун (див. рис. 2). Всі дев'ять планет рухаються приблизно в одній площині майже за круговими орбітами і в одному напрямі — проти годинникової стрілки (якщо дивитися з боку Північного полюсу Світу). Планети ще називають "блукаючими зорями", бо вони описують на небі досить складні траєкторії руху, що відрізняє їх від "нерухомих" зірок. На справді їхні зигзагоподібні шляхи серед зоряного неба є наслідком орбітального руху планет, в тому числі і Землі, на якій, як правило, знаходиться спостерігач.

Рис. 2. Порівняльні розміри планет

Меркурій — найближча до Сонця планета, яка має порівняно невеликі розміри і тому тривалий час залишалася недоступною для візуальних астрономічних спостережень. Новий етап у вивченні Меркурія почався в 1974 p., коли американська міжпланетна станція "Марінер-10" тричі пролетіла поблизу Меркурія і передала на Землю численні зображення поверхні планети. Схожість з Місяцем виявилась разючою. Великі рівнини Меркурія вкриті кратерами різних розмірів, місцями спостерігаються лінійно витягнуті уступи або обриви висотою 2—3 км і протяжністю на сотні кілометрів. Меркурій має слабке магнітне поле і дуже розріджену гелієву атмосферу — унікальну в Сонячній системі. Допускають, що вона захоплена із "сонячного вітру" і утримується силою тяжіння планети. Опівдні на екваторі Меркурія температура піднімається до 400— 500°С, а вночі падає до 160°С. Такі різкі температурні контрасти пояснюються майже повною відсутністю атмосфери. Середня щільність гірських порід Меркурія досить висока(5,44 г/см³), і це означає, що планета має розплавлене залізо-нікелеве ядро з радіусом близько 1820 км.

Венера — наша найближча сусідка в світовому просторі — є після Сонця і Місяця найяскравішим небесним світилом, її легко можна знайти на вечірньому або ранковому зоряному небі поблизу Сонця. Поверхня Венери схована від очей спостерігача товстою і досить густою атмосферою, існування якої виявив великий російський вчений М.В. Ломоносов. З того часу Венеру нерідко уявляли рідною сестрою Землі, тільки трохи жаркішою — щось на зразок тропічного раю з джунглями, можливо населеною екзотичними тваринами.

На жаль, епоха космічних польотів розвіяла ці романтичні уявлення. Дослідження, здійснені вченими з допомогою автоматичних космічних станцій типу "Венера", дозволили встановити, що газова оболонка складається на 97 % з вуглекислого газу, решта — азот, інертні гази, аміак, кисень і водяні пари. Несподіваним виявився хімічний склад венеріанських хмар: вони утворені парами сірчаної, азотної та хлористоводневої кислот.

Велика газова оболонка Венери, основним компонентом якої є вуглекислий газ, створює на її поверхні "парниковий ефект", внаслідок чого температура там близька до 500 °С. Щільність венеріанської атмосфери настільки значна, що її тиск на поверхні планети досягає 100 атм. Таким чином, венеріанський тропічний рай виявився справжнім "розжареним" пеклом. Про ймовірність життя в таких несприятливих кліматичних умовах не доводиться й говорити.

Як показали дані радіолокаційних зйомок Венери, на поверхні планети, особливо в ЇЇ екваторіальній області, є багато кратерів, найбільший з яких має діаметр 160 км і глибину 400 м. Виявлено грандіозні тектонічні розломи, вулканічну і грозову діяльність. Великий інтерес викликають також передані космічними станціями "Венера-9" і "Венера-10" знімки поверхні і результати досліджень венеріанського ґрунту. На одній з фотографій видно ділянку поверхні планети, вкриту уламками каменів розміром у кілька десятків сантиметрів. Виміряно щільність гірських порід — 2,8 г/см3, що відповідає щільності базальтів на Місяці. Планета обертається навколо своєї осі в протилежний обертанню інших планет бік.

Земля, маючи схожі з Венерою розміри і масу, відрізняється від неї, а також і від інших планет киснево-азотним складом атмосфери, наявністю органічного світу і рядом інших особливостей. Кратери хоча і зустрічаються на Землі, не є основною формою її рельєфу. Більш детальні відомості про Землю викладено в наступних главах.

Навколо Землі рухається за еліптичною орбітою Місяць — найближчий наш небесний сусід. Його середня віддаленість від планети становить 384 000 км. З незапам'ятних часів Місяць привертає увагу землян як найбільш екзотичне світило, яке постійно змінює своє положення на зоряному небі і свій зовнішній вигляд — то він з'являється у всій своїй красі як величний яскравий диск, то у вигляді серпа, то зникає зовсім. Саме ці дивні зміни зовнішнього вигляду Місяця ще в сиву давнину мали практичне застосування. Перш за все це стосувалось виміру часу. Якщо з рухом Сонця на небі пов'язувалось поняття доби, то з явищем зміни фаз Місяця була пов'язана інша міра часу, а саме місяць. Протягом місяця проходить повний цикл зміни фаз нічного світила. Місячні календарі ще й досі знаходяться в практичному вжитку у деяких народів, а також у астрологів, які займаються вивченням залежності людської долі від взаєморозташування світил на небі та різних небесних явищ.

У системі Земля — Місяць часто настають моменти, коли Місяць, освітлений Сонцем, відкидає тінь на Землю або сам попадає в тінь Землі. Це досить ефектні явища. У давнину незвичайний вигляд небесного світила під час затемнення викликав у людей страх, сприймався за погане передвістя — гадали, що "Місяць обливається кров'ю". Особливо великий забобонний жах на марновірних людей наганяли повні затемнення Сонця, їх вважали передвісниками війни, кінця світу. Зараз причина затемнень перестала бути таємницею. Ці явища пов'язані лише зі взаємним рухом Сонця, Землі та Місяця і не мають нічого спільного з впливом якихось містичних сил, а тому з великою точністю передбачаються. Якби площина місячної орбіти збігалася з площиною орбіти Землі (екліптикою), затемнення відбувалося б регулярно два рази на місяць: під час повного Місяця — місячні, а при молодому — сонячні. Насправді ж внаслідок нахилу площини орбіти Місяця під кутом 5° до екліптики затемнення відбуваються порівняно рідко. Спостереження затемнень дозволяє вченим отримати важливі дані про фізичну природу Сонця, будову земної атмосфери і рухи Місяця.

Місяць постійно повернутий до Землі одним боком, однією півкулею. Пояснюється це тим, що період його обертання навколо вісі відповідає періоду обертання навколо Землі (тривалість сидеричного місяця становить 27,32 доби). Лише у 1959 р. автоматичною міжпланетною станцією "Луна-З" було сфотографовано зворотний, невидимий бік Місяця. На унікальних фотографіях не виявилося жодних ознак життя, не кажучи вже про поселення селенітів — міфічних місячних живих істот, схожих на людей. Справдилося припущення вчених про відсутність на супутнику Землі будь-яких форм життя. Космічні і наземні дослідження показали, що Місяць — це величезна кам'яна куля, 85 % поверхні якої вкрито горами, або "материками". Решту поверхні займають "моря" — місячні рівнини, які на відміну від материків мають темніше забарвлення і розташовані в основному на видимому боці Місяця. Поверхня Місяця вкрита численними кратерами різних розмірів. На Місяці є гори і гірські хребти висотою 3—5 км і протяжністю в сотні кілометрів.

Місячні моря — це великі лавові рівнини, покриті зверху пухкою легкою породою — реголітом, продуктом руйнування корінних порід. Дослідження, здійснені за допомогою "Луно-хода-2", показали, що товщина реголіту в районі моря Ясності дорівнює 1—6 м. Поверхня Місяця на освітленому боці нагрівається до 130 °С, а на затіненому опускається до -180 °С. Різкі коливання температури на його поверхні пояснюються не тільки відсутністю атмосфери, а й великою тривалістю місячного дня і місячної ночі, яка відповідає двом нашим тижням. Газову оболонку наше найближче небесне світило не змогло утримати через свою невелику масу.

Марс, який ще називають "червоною планетою" за специфічний колір на зоряному небі, вдвічі менший за Землю. Поверхня Марса завдяки значній розрідженості його атмосфери є доступною для досліджень із Землі. У телескоп видно оранжеву кулю з білими полярними шапками і темними прямими лініями, які тривалий час ототожнювали з каналами, виритими живими істотами.

Космічні апарати зробили сотні знімків марсіанської поверхні з близької відстані, провели дослідження складу атмосфери і ґрунту. Виявилося, що таємничі канали — зневоднені русла рік, а це означає, що десятки мільйонів років тому назад густішою була атмосфера планети, йшли дощі, текли ріки. Але гравітаційне поле Марса не змогло утримати атмосферу, вона розсіялася у світовому просторі, а вода перетворилась у багаторічну мерзлоту. На Марсі виявлено найбільш грандіозну гору в Сонячній системі — вулкан Нікс Олімпік. Його висота близько 27 км, а "підошва" становить 600 км у діаметрі. В центрі розташоване заглиблення діаметром 64 км, на дні якого видно структури, що нагадують застиглу лаву.

Навколо Марса існує дуже слабке магнітне поле. Планета оточена розрідженою атмосферою, що за густиною поступається земній у 100 разів. Складається вона на 95 % з вуглекислого газу, решта — кисень (0,1—0,4 %), азот (2—3 %), аргон (1—2 % ), а також водяні пари, озон і оксиди вуглецю. Небо над Марсом червонувато-оранжевого кольору. Пояснюється це наявністю в атмосфері пилових частинок, що розсіюють сонячне випромінювання в червоній області спектра. Температура повітря навіть на екваторі рідко піднімається до 0°С, а вночі знижується до суворого морозу (-70; -100 °С). Особливо холодно на полюсах — до-130 °С.

Навколо Марса обертаються два невеликі супутники — Деймос (16 км) і Фобос (27 км). Кожен з них має вигляд безформеної картоплеподібної глиби, покритої невеликими кратерами і борознами.

Юпітер — найбільша планета Сонячної системи, він більше ніж в 11 разів перевищує розміри Землі. На нього припадає 70 % всієї маси планет. Юпітер оточений величезною шаруватою атмосферою біло-оранжевого кольору, що складається в основному з метану. В її складі є також аміак, молекулярний водень. В атмосфері виявлено групу малих і великих плям, серед яких найбільш відомою є велика "Червона Пляма" Юпітера — гігантський атмосферний смерч, що існує десятки тисяч років. Температура верхніх шарів атмосфери -140°С. Досить високою є температура в надрах планети — 15— 20 тис. "С. Юпітер оточує радіаційний пояс і сильне магнітне поле. Навколо планети обертається 16 супутників.

Вивчено поверхню чотирьох відкритих Галілеєм супутників Юпітера: Ганімеда, Калісто, Іо та Європи. За своїми розмірами вони не поступаються таким планетам земної групи, як Марс і Меркурій. Найбільш сенсаційний з них — супутник Іо. На ньому діє п'ять незвичайних вулканів. Періодично з надр супутника виривається гаряча сірка, яка потім осідає на поверхні. Інші три супутники складаються із суміші льоду і гірських порід. Між супутниками і поверхнею Юпітера розташоване тонке кільце, яке складається з уламків метеоритних речовин розміром в десятки і сотні метрів. Внаслідок інтенсивного поглинання світла воно невидиме для телескопів. Кільце було виявлено на фотографіях, зроблених космічними апаратами з близької відстані.

Сатурн за розмірами в 9 разів більший від Землі. Навколо нього давно було виявлено декілька кілець, тому цю планету називали смугастою. Із Землі звичайно видно 3—4 кільця і щілини між ними. При близькому обстеженні за допомогою космічних апаратів виявилася більш складна картина. Було встановлено, що існує більше сотні окремих кілець. Усі вони складаються з дрібненьких силікатних частинок розміром від долей міліметра до десятків сантиметрів, вкритих нальотом або плівкою льоду.

Атмосфера Сатурна, як і Юпітера, в основному складається з метану, але тут вона приблизно вдвічі товща і всі процеси в ній протікають повільніше. Дивним виявилося відкриття азотної атмосфери на Титані — одному з найбільших супутників Сатурна. Решта 16 супутників планети невеликі, не більше тисячі кілометрів у діаметрі, і складаються із суміші льоду і гірських порід. Сатурн має потужне магнітне поле.

Уран в 4 рази більший за Землю. Товста атмосфера складається переважно з метану, в ній виявлено також аміак, водень і гелій. Астрономічною сенсацією стало відкриття десяти кілець Урана. Вони дуже тонкі, складаються з кам'яних частинок і мають зовсім низьку відбивну здатність. Площина кілець майже збігається з площиною екватора. Деталі будови цих кілець, як і самої планети Уран, що мов би лежить на боці, багато в чому ще залишаються загадковими. Навколо планети обертається 16 природних супутників.

Нептун майже однаковий за розмірами з Ураном і має атмосферу схожу з ним за складом, але відмінну за структурою — в ній, зокрема, спостерігаються сильні вихори, зумовлені виділенням тепла з надр планети. Нептун розташований в ЗО разів далі від Сонця, ніж Земля, що особливо утруднює його дослідження. Навколо планети виявлено 8 природних супутників і 2 льодово-кам'яних кільця. Як і у кілець Урана, матеріал їх дуже темний, тому поверхнею цієї планети відбивається лише 3—4 % світла.

При вивченні Сонячної системи в будові планет та їх рухах було виявлено ряд закономірностей:

1) обертання всіх планет здійснюється навколо Сонця в одному напрямі майже за круговими орбітами;

2) Сонце обертається навколо своєї осі в напрямі руху планет;

3) обертання супутників навколо планет, за винятком деяких супутників Юпітера, Урана і Сатурна, відбувається теж в напрямі обертання планет;

4) всі планети обертаються навколо своїх осей в одному й тому ж напрямі, за винятком Венери і Урана, які обертаються у зворотному напрямі (при цьому осі обертання цих двох планет ніби "лежать" на площині екліптики, тоді як осі інших планет майже вертикальні до неї);

5) орбіти планет розташовуються приблизно в одній площині;

6) відстань між орбітами планет у міру їх віддалення від Сонця збільшується приблизно вдвічі (емпіричний закон Тіціуса — Бо де).

Всі планети значно відрізняються одна від іншої своїми розмірами — вони збільшуються від Меркурія до Юпітера.

За своїми фізичними характеристиками (розмірами, масою, кількістю супутників) планети виразно поділяються на дві групи: внутрішні планети земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс) і зовнішні планети юпітерової групи (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун).

Між планетами типу Землі існує морфологічна схожість: їх поверхні вкриті кратерами, вони мають невеликі розміри, високу середню щільність порід, характеризуються повільним осьовим обертанням і обмеженою кількістю або відсутністю супутників. На поверхні всіх цих планет виявлено метеоритні кратери.

Планети-гіганти не схожі на планети земної групи. Вони характеризуються великими розмірами, малою густиною речовини, наявністю значної кількості супутників. Всі планети-гіганти мають навколо себе кільця. Вперше цю закономірність обґрунтував український вчений астроном С.К. Всехсвятський.

Слід наголосити, що серед всіх планет та їх супутників не знайдено двох тіл з однаковим хімічним складом. Нема жодної планети, яка за складом була б схожою із Сонцем, хоча є певна залежність: чим планета масивніша, тим її склад ближчий до сонячного. Це підтверджується, наприклад, у будові трьох планет-гігантів — Юпітера, Сатурна і Урана. Але Нептун, більш масивний, ніж Уран, у цю закономірність не вкладається.

Таким чином, Сонячна система об'єднує в єдине ціле неоднакові за розмірами і будовою небесні тіла, відмінні від нашої власної планети. Вивчення їх ландшафтних особливостей привело до становлення нової галузевої науки — порівняльної планетології. Від успіхів розвитку цієї ще зовсім молодої науки буде залежати, зокрема, рівень розуміння механізмів, що лежать в основі природи Землі.