Как устроена Солнечная система
Солнечная система — это спаянная силами взаимного притяжения система небесных тел. В неe входят: центральное тело — Солнце, 9 больших планет с их спутниками (которых сейчас известно уже больше 60), несколько тысяч малых планет, или астероидов (открыто свыше 5 тыс., в действительности их гораздо больше), несколько сот наблюдавшихся комет и бесчисленное множество метеорных тел.Большие планеты подразделяются на две основные группы: планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — и планеты юпитерианской группы, или планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В этой классификации нет места Плутону: и по размерам, и по свойствам он ближе к ледяным спутникам планет-гигантов.
Различие планет по физическим свойствам обусловлено, тем, что земная группа формировалась ближе к Солнцу, а планеты-гиганты — на очень холодной периферии Солнечной системы. Планеты земной группы сравнительно малы и имеют большую плотность. Основными их составляющими являются силикаты (соединения кремния) и железо У планет-гигантов нет твeрдой поверхности. За исключением небольших ядер, они образованы преимущественно из водорода и гелия и пребывают в газожидком состоянии. Атмосферы этих планет, постепенно уплотняясь, плавно переходят в жидкую мантию.
Основная доля общей массы Солнечной системы (99,87%) приходится на Солнце. Поэтому солнечное тяготение управляет движением почти всех остальных тел системы: планет, комет, астероидов, метеорных тел. Только спутники обращаются вокруг своих планет, притяжение которых из-за их близости оказывается сильнее солнечного.
[показать]
Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении. Это движение именуется прямым.
Орбиты планет по форме близки к круговым, а плоскости орбит — к основной плоскости Солнечной системы, так называемой неизменной плоскости Лапласа. Но чем меньше масса, тем сильнее планета нарушает это правило, что видно на примере Меркурия и Плутона. В астрономии принято измерять углы наклона планетных орбит к плоскости эклиптики (т. е. к плоскости орбиты Земли). Величиной, выражающей отклонение формы орбиты от круговой, является эксцентриситет — отношение расстояния между фокусами эллипса к длине его большой оси. Эксцентриситет окружности равен нулю, эксцентриситеты эллипсов больше нуля, но меньше единицы, эксцентриситет параболы считается равным единице.
Почти все планеты вращаются вокруг оси также в прямом направлении. Исключение составляют Венера и Уран (последний к тому же вращается как бы лeжа на боку — его ось располагается почти в плоскости орбиты).
Большинство спутников движутся вокруг своих планет в ту же сторону, в какую вращаются планеты (эти спутники называются регулярными), а их орбиты лежат вблизи экваториальных плоскостей планет. Обратное движение имеют четыре внешних (находящихся на удалeнных орбитах) спутника Юпитера — Ананке, Карме, Пасифе и Синопе, внешний спутник Сатурна Феба и спутник Нептуна Титан. Десять спутников Урана, хотя и являются регулярными, формально считаются обратными, ибо таково вращение самой планеты. Плоскость орбиты Луны близка к плоскости орбиты Земли, а не еe экватора. Спутники Юпитера Леда, Гималия, Лиситея, Элара и спутник Сатурна Япет движутся под значительными углами к экваториальным плоскостям планет — от 14 до 29°.
По мере перехода к телам всe меньшей массы эксцентриситеты и наклоны орбит возрастают. У астероидов эксцентриситеты достигают значений 0,3—0,5 (у некоторых и больше), а наклоны могут доходить до 30°. Все известные астероиды имеют прямое движение. У комет встречаются любые эксцентриситеты и наклоны орбит, причeм движение некоторых комет является обратным. Солнечная система вращается, а вращательное движение характеризуется величиной, называемой моментом количества движения. Распределение его среди тел Солнечной системы таково, что нуждается в специальном объяснении.
Если вокруг оси на расстоянии г от неe вращается тело, размеры которого существенно меньше г, то момент количества движения этого тела равен mvr (где m — масса, v — скорость). Если же речь идeт о вращении сравнительно крупного тела, нужно мысленно разбить его на такие небольшие части, вычислить эту величину для каждой из них и результаты сложить. Момент количества движения системы тел равен сумме моментов тел, еe составляющих.
Непреложный закон механики утверждает, что изменение момента количества движения системы может произойти только за счeт внешних воздействий — и никогда за счeт взаимодействия элементов системы между собой.
Солнечная система образовалась из вращавшегося газопылевого облака. Его сжатие породило центральное сгущение, которое потом превратилось в Солнце. Частицы, вошедшие в состав Солнца, несли с собой свой момент количества движения. И поскольку они двигались по направлению к оси вращения (т. е. расстояние уменьшалось), то скорость обязана была возрастать — для сохранения момента. Протосолнце, а затем и Солнце должно было вращаться всe быстрее и быстрее. Хорошая иллюстрация такого процесса — выполняющий вращение фигурист: чтобы ускорить вращение, он прижимает руки к корпусу. Как уже было сказано, на долю Солнца приходится более 99% массы всей Солнечной системы. И при этом Солнце ныне обладает менее чем 2% от общего момента количества движения. Не одно десятилетие бьются астрономы над вопросом: почему Солнце вращается так медленно? Каким образом момент количества движения мог быть передан из внутренних областей Солнечной системы во внешние?
Один из механизмов такой передачи известен: приливное трение, тормозящее вращение тела. Однако приливное воздействие планет на Солнце ничтожно и не может быть причиной наблюдаемого эффекта. Другой приводящий к торможению фактор — магнитное поле. Принципиальных возражений подобное объяснение не вызывает, но конкретное решение проблемы применительно к Солнечной системе связано со многими неопределeнностями и не является общепризнанным. Проблема распределения момента количества движения сравнительно просто решается в космогонической гипотезе английского астронома Джеймса Джинса. Он предположил, что некогда вблизи Солнца прошла звезда и еe притяжение вызвало выброс солнечного вещества, из которого в дальнейшем образовались планеты (см. статью "Джеймс Хопвуд Джине"). Однако сейчас эта идея никем из специалистов не поддерживается.
Обладает ли Солнечная система устойчивостью? Устойчивая система характеризуется тем, что возникающие в ней случайные отклонения (возмущения) не приводят к прогрессирующим изменениям, способным в конце концов еe разрушить, а как бы автоматически гасятся самой системой, возвращающейся к первоначальному состоянию. Например, можно добиться равновесия маленького шарика на вершине большого шара. Но стоит слегка толкнуть шарик — и он скатится вниз: система неустойчива. Если тот же шарик положить на дно полусферической чаши и отклонить, он вернeтся в первоначальное положение: система устойчива.
Возмущающим фактором для планет Солнечной системы является их гравитационное влияние друг на друга. Оно несколько изменяет орбиту по сравнению с той, по которой каждая планета двигалась бы под действием тяготения одного только Солнца. Вопрос в том, могут ли эти возмущения накапливаться вплоть до падения планеты на Солнце либо удаления еe за пределы Солнечной системы, или они имеют периодический характер и параметры орбиты будут всего лишь колебаться вокруг некоторых средних значений.
Результаты теоретических и расчeтных работ, выполненных астрономами более чем за 200 последних лет, говорят в пользу второго предположения. Об этом же свидетельствуют данные геологии, палеонтологии и других наук о Земле: уже 4,5 млрд лет расстояние нашей планеты от Солнца практически не меняется. И в будущем ни падение на Солнце, ни уход из Солнечной системы Земле не угрожают.