Планети-гіганти та їх супутники

Міністерство  освіти та науки України

 

 

 

 

Реферат

 з астрономії  на тему:

 

Планети-гіганти  та їх супутники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав: Учень 11-го класу Загально-освітньої  школи  І-ІІІ ступенів №3 Музика Максим Геннадійович Перевірив: Вчитель астрономії Янко Анатолій Петрович

 

 

 

 

 

 

 

Гайворон-2013

 

 

План:

 

1. Загальна характеристика планет-гігантів.
2. Юпітер.
3. Сатурн.
4. Уран.
5. Нептун.
6. Плутон
7. Список використаної літератури:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Загальна характеристика планет-гігантів.

 

Планети-гіганти на відміну від планет земної групи не мають твердої поверхні, бо за хімічним складом (99 % Гідрогену і Гелію) і густиною ( 1 г/см³) вони нагадують зорі, а їх велика маса спричиняє нагрівання ядер до температури більшої ніж +10 000 °С . Крім того, планети-гіганти досить швидко обертаються навколо осі й мають велику кількість супутників.

Найбільшою загадкою усіх планет-гігантів (крім Урана), і насамперед Юпітера, є джерело внутрішньої енергії, яку випромінюють ці планети в  інфрачервоній частині спектра. Джерелом енергії не можуть бути термоядерні реакції, що протікають у надрах зір, бо маса планет-гігантів недостатня для перетворення їх у зорі. Не виключена можливість, що гіганти випромінюють зараз ту енергію, яка була накопичена під час утворення Сонячної системи кілька мільярдів років тому. Можливо, що у минулому Юпітер мав досить високу температуру на поверхні й світився на небі молодої Землі у 100 разів яскравіше від Місяця.

Планети-гіганти за хімічним складом  нагадують зорі, вони не мають твердої  поверхні, й тому на них ніколи не зроблять посадку пілотовані космічні кораблі. Під холодними хмарами гіганти мають гарячі надра, температура яких сягає десятків тисяч градусів. Однією з таємниць залишається джерело внутрішньої енергії планет-гігантів, бо всі вони, за винятком Урана, випромінюють у космос більше енергії, ніж отримують від Сонця.

Плутон відрізняється і від  планет-гігантів, і від планет земної групи — він більше нагадує  великі супутники планет-гігантів. За Плутоном можуть обертатися ще тисячі подібних холодних тіл.

Основна відмінність планет-гігантів від планет земної групи — їхні істотно більші маси і розміри. Водночас густини планет цієї групи значно менші, ніж у планет земної групи, що свідчить про різницю хімічного  складу. Всі планети-гіганти мають потужні воднево-гелієві атмосфери з домішками аміаку і метану (до 0,1%), а також великі системи супутників і кілець. Планети цієї групи обертаються навколо осі набагато швидше, ніж планети земної групи. При цьому кожна з них має помітно менший період обертання екваторіальних зон у порівнянні з приполюсними.

Такий закон обертання, типовий  для всіх газоподібних тіл, спостерігається і в Сонця. При цьому Юпітер і Сатурн та Уран і Нептун також досить чітко поділяються між собою на дві пари. Юпітер і Сатурн мають більші розміри, менші густини і менші періоди обертання, ніж Уран і Нептун.

Чіткий поділ планет-гігантів на дві групи — це дуже важливий експериментальний факт, який вимагає обов’язкового пояснення сучасною теорією походження і еволюції Сонячної системи.

 

Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун представляють  юпітерову групу планет, або групу  планет-гігантів. Планети - гіганти мають невелику щільність, короткий період добового обертання  і, отже, значне стискання біля полюсів; їх видимі поверхні добре відображають, або,інакше кажучи, розсіюють сонячні промені. Вже досить давно встановили, що атмосфери  планет-гігантів складаються з метану, аміаку, водню, гелію.

Особливості: У всіх планет-гігантів обертання  навколо осі досить швидке, а густина  мала. Внаслідок цього вони значно стиснуті. Усі планети-гіганти оточені потужними, великих розмірів атмосферами. Оскільки планети-гіганти дуже віддалені від Сонця, їх температура (принаймні над їхніми хмарами) дуже низька: на Юпітері —145 °С, на Сатурні —180 °С, на Урані й Нептуні ще нижча. Атмосфери планет-гігантів містять  переважно молекулярний водень, а  також метан СН4 і багато гелію, а в атмосфері Юпітера і Сатурна виявлено ще й аміак NН3. Для планет-гігантів характерна наявність  не тільки великої кількості супутників, а й кілець.

 

 

 

 

2.  Юпітер.

 

	Цілком природно, що серед планет-гігантів найкраще вивчені два найближчі  до нас - Юпітер і Сатурн. Юпі́тер — п'ята і найбільша планета Сонячної системи: більш ніж у два рази важча, ніж всі інші планети разом узяті і майже в 318 разів важча за Землю. Відстань Юпітера від Сонця змінюється, середня відстань 5,203 а. о. (778 млн. км). Відстань між Юпітером і Землею коливається від 588 до 967 млн. км. Видима зоряна величина коливається від -2,94m до -1,6m. Поряд з Сатурном, Ураном і Нептуном Юпітер класифікується як  газовий гігант.
	Атмосфера Юпітера воднево-гелієва (за обсягом співвідношення цих газів складають 89% водню і 11% гелію). Уся видима поверхня Юпітера — щільні хмари, розташовані на висоті близько 1000 км над «поверхнею», де газоподібний стан змінюється на рідкий і утворює численні шари жовто-коричневих, червоних і блакитнуватих відтінків. Температура зовнішнього хмарного покриву складає −133° С. На кордонах поясів і зон спостерігається сильна турбулентність, що приводить до утворення численних вихрових структур. Найвідомішим таким утворенням є Велика червона пляма, що спостерігається на поверхні Юпітера протягом останніх 300 років.
	Юпітер має щонайменше 66 супутників, найбільші з яких — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто — були відкриті Галілео Галілеєм у 1610 році. Дослідження Юпітера проводяться за допомогою наземних і орбітальних телескопів, з 1970-х років до планети було відправлено 8 міжпланетних апаратів НАСА: «Піонери»,«Вояджери», «Галілео» та інші. Каллісто на 50% складається з  водяного льоду.
	Кільця Юпітера Космічний апарат «Вояджер 1» у  березні 1979 м уперше сфотографував  систему слабких кілець. Кільця Юпітера темні (альбедо(відбивна здатність) — 0,05). і, імовірно, складаються з дуже невеликих твердих часток метеорної природи. Частки кілець Юпітера, швидше за все, не залишаються в них довго. Невеликі супутники Метис і  Адрастея, чиї орбіти лежать у межах кілець, — очевидні джерела таких поповнень. З Землі кільця Юпітера можуть бути помічені при спостереженні тільки в ІЧ-діапазоні.

 

 

Юпітер, який був названий на честь  наймогутнішого бога римської міфології, виявився найбільшою планетою Сонячної системи. Основними компонентами атмосфери Юпітера є водень — 86,1 % та гелій — 13,8 %, а у хмарах помічена присутність метану, аміаку та пари води. Верхній шар світлих хмар, де атмосферний тиск сягає 1 атм, має температуру -107 °С і складається з кристаликів аміаку. Шар хмар з домішками сірки, що розташований нижче, має червоний колір. Найнижче знаходяться хмари з пари води, які утворюються на глибині 80 км від верхніх світлих хмар. Температура і атмосферний тиск з глибиною поступово зростають.

Недавно з’явилися гіпотези про можливість існування життя у хмарах Юпітера, адже його атмосфера має всі компоненти, які були необхідні для появи життя на Землі. Деякі шари хмар є теплими та відносно комфортними для існування навіть земних мікроорганізмів.

На глибині 20 000 км водень перетворюється у металічний стан, і його фізичні властивості нагадують розплавлений метал, який добре проводить електричний струм. Такий агрегатний стан водню (густина 4 г/см³ при тискові 106 атм) на Землі не існує. Завдяки електричному струмові, що генерується у цій металевій оболонці, виникає сильне магнітне поле, тому навколо Юпітера утворюються радіаційні пояси, які в 10 разів інтенсивніші від земних. Юпітер є потужним джерелом радіовипромінювання. У центрі Юпітера існує тверде ядро, подібне за хімічним складом до планет земної групи, яке може складатися зі скельних порід.

Юпітер — найбільша планета  Сонячної системи, яка з періодом 11,86 земного року обертається навколо  Сонця на відстані близько 5,2 а. о. Юпітер швидше за всі інші планети обертається навколо своєї осі — зоряна доба на Юпітері триває 9 год 50 хв. Через швидке обертання його екваторіальний радіус (71 400 км) значно перевищує полярний (66 900 км) — планета помітно сплюснута біля полюсів. Маса Юпітера і сила тяжіння на його поверхні відповідно у 318 і 2,5 рази більші за земні показники. Середня густина становить 1,3 г/см³.

Навіть у невеликий телескоп на Юпітері добре помітні світлі та темні смуги, що простягаються  паралельно екватору. Вони порівняно  стійкі протягом днів та тижнів, але поступово змінюються впродовж років. Це вказує на їхню хмарову природу та на відносно стійкий тип атмосферної циркуляції. Смуги мають різноманітне забарвлення, що змінюється з часом. Період обертання Юпітера, визначений за рухом деталей, розташованих на різних широтах, виявляється різним: він збільшується з ростом широти. Отже, смуги в середніх широтах рухаються повільніше, ніж на екваторі.

У 1831 р. в південній півкулі Юпітера  було виявлено славнозвісну Велику Червону Пляму (ВЧП). Велика Червона Пляма, яка знаходиться в південній півкулі Юпітера і за розмірами майже вдвічі більша від Землі, є велетенським вихорем в атмосфері, у якому вітер дме з ураганною швидкістю до 100 м/с. Загадкою залишається те, що цей вихор, який помітили ще 300 років тому, існує до нашого часу.

Про неї було відомо й раніше,  бо є свідчення спостережень Гука, на малюнках якого, виконаних ще 1664-1672 рр.,  теж є пляма. ВЧП орієнтована вздовж паралелі й має розміри 15000×30 000 км, а сто років тому вони були удвічі більшими. Ця пляма — це потужний антициклон, що обертається проти годинникової стрілки. Обертання всередині плями відбувається за 6 земних діб. Виникнення та існування ВЧП пов’язане з різною швидкістю руху атмосферних мас, між якими вона знаходиться:   маси,   розташовані вище, рухаються проти годинникової стрілки повільніше, ніж, ті, що нижче. Через тертя верхня частина ВЧП трохи гальмується, а нижня — прискорюється, що і призводить до утворення цього на диво стійкого вихра.

В атмосфері Юпітера міститься близько 86 % водню, 14 % гелію, 0,07 % метану, 0,06 % аміаку, а також вода, ацетилен, фосфін. Хмари складаються в основному з аміаку.

В розрахунку на одиницю площі Юпітер отримує у 27 разів менше тепла  від Сонця, ніж Земля. Його верхні шари, відбиваючи 50 % сонячної енергії, повинні були б мати температуру близько 210 К, проте прямі вимірювання як наземними засобами, так і за допомогою космічних апаратів вказують на більшу температуру: вона на 17 К вища. Тобто надра планети дають свій власний потік енергії, в середньому удвічі більший, ніж вона отримує від Сонця. Цей додатковий потік тепла приводить до появи в атмосфері Юпітера бурхливих вертикальних течій з виносом догори гарячих мас газу, які після охолодження поринають назад.

Причиною переважання випромінюваної енергії над отриманою від Сонця можуть бути процеси гравітаційного стискування первинної речовини, з якої сформувався Юпітер. За своїми характеристиками Юпітер займає проміжне положення між планетними і зоряними утвореннями, і його остаточне формування ще й досі не завершилось.

Юпітер не має твердої поверхні. За підрахунками вже на глибині кількох тисяч кілометрів речовина атмосфери плавно переходить у газорідкий стан, ще глибше під ним залягає зона рідкого водню з гелієм, а ще глибше рідкий водень переходить у металічну фазу — перетворюється на метал, у якому протони і електрони існують окремо. Останній перехід відбувається стрибком; речовина, змінюючи свою фазу, стискається, при цьому і виділяється додаткова енергія.

У 1955 р. виявлено, що Юпітер є потужним джерелом радіовипромінювання. Планета має магнітне поле, напруженість якого у 50 разів більша, ніж у земного. Це поле формує навколо планети протяжну магнітосферу з декількома радіаційними поясами. Електрони, прискорені в магнітосфері планети, тут же гальмуються її магнітним полем, випромінюючи головним чином у радіодіапазоні.

Чотири із 63 супутників Юпітера  — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто — ще у 1610 р. були відкриті Галілеєм, він же дав їм назви, а тому їх часто називають галілеєвими. В 1979 р. поблизу планети пройшли АМС «Вояджер-1» і «Вояджер-2» (США). Вони передали на Землю зображення планети і супутників з близьких відстаней. Особливо вражають поверхні галілеєвих супутників.

Поверхня Іо має жовтувато-червоний колір. На супутнику зареєстровано 7 діючих вулканів. Вулканічні процеси на Іо проходять досить бурхливо: продукти викиду (в основному це сполуки сірки) піднімаються на висоту до 300 км.

Практично вся поверхня Європи вкрита мережею тріщин, довжина яких в  окремих випадках сягає 1 500 км. Напевно, зовнішня оболонка Європи до глибин від 10 до 100 км складається з водяного льоду. Вона відбиває до 70% сонячного світла, а тому середня температура поверхні Європи нижча, ніж у Іо, і становить 120 К.

Ганімед — найбільший серед супутників Юпітера і взагалі у Сонячній системі. Існує припущення, що він значною мірою складається з води або льоду. Його поверхня відбиває до 40% сонячного світла і має температуру 140 К.

Каллісто — четвертий галілеєвий супутник, цікавий тим, що його відвернена від Юпітера сторона вкрита кратерами. Вважають, що їхній вік становить 4 млрд років, і виникли вони внаслідок потужного метеоритного бомбардування на ранній стадії існування Сонячної системи. Каллісто — темний супутник, бо його поверхня — лід, забруднений пилом відбиває лише 20% світла. Через це і температура на його поверхні найвища серед галілеєвих супутників — 150К.

Всі галілеєві супутники за своїми розмірами наближаються до планет, їхні середні густини більші, ніж у Юпітера, а періоди їхнього осьового обертання і обертання навколо Юпітера майже збігаються.

У березні 1979 р. «Вояджер-2» відкрив  навколо Юпітера кільце. Воно подібне  до кілець Сатурна, але значно менше  за розмірами і дуже тонке. Доречно  згадати, що думку про існування  у Юпітера кільця, а також існування на супутниках великих планет інтенсивних вулканічних процесів ще 1955 р. сміливо висловив київський астроном Сергій Костянтинович Всехсвятський (1905-1984). 

 

3. Сатурн.

 

	Сату́рн — шоста планета від сонця і друга за розмірами планета в Сонячній системі після Юпітера. Кваліфікується Сатурн як газовий  гігант. Сатурн був названий  в честь  римського бога землеробства. Символ Сатурна — серп (Юнікод: ♄). В основному Сатурн складається  з водню, з домішками  гелію  и слідами води, метану, аміаку і  важких елементів. Внутрішня область представляє собою невелике ядро із заліза, нікелю та льоду.
	Крупні супутники — Мімас, Енцелад, Тефія, Діона, Рея, Титан и Япет — були відкриті до 1789 , та по  сьогодні залишаються  основними цілями дослідженнь.
	Система кілець Сатурна або виникла  внаслідок руйнування супутника  планети, що колись існував (наприклад, при його зіткненні з іншими супутником чи астероїдом), або є залишком тієї речовини, з якої в далекому минулому утворилися супутники Сатурна і яка через припливну дію планети не змогла «зібратися» в окремі супутники.
	У теперішній час на орбіті Сатурна  знаходится автоматична міжпланетна  станція «Кассіні», яка була запущена в 1997 році  і досягла  системи Сатурна у 2004, в задачі котрої входить вивчення структури кілець, а також динамикі атмосфери і магнітосфери Сатурна. У 1997 р. до Сатурну була запущена  АМС «Кассіні-Гюйгенс», котра  після 7 років польоту  1 .07.2004 г. Досягнула системи Сатурна й вийшла на орбіту  планети. Основними задачами цієї міссії, разрахованій спочатку на 4 роки, було вивчення структури і  динаміки кілець і супутників, а також  вивчення динаміки атмосфери і магнітосферы Сатурна і детальне ивчення найкрупнішого супутника планети — Титана Потім  спеціальный європейский  зонд «Гюйгенс» відділився від аппарату і на парашюті 14.01.2005 року  спустився на поверхю Титана. Спуск заняв 2 години 28 хвилин. Під час  спуску «Гюйгенс» брав  проби атмосфери. Згідно інтерпретації даних з зонда «Гюйгенс», верхня частина  хмар складається з метанового льоду, а нижня — з рідкого метану і азоту.