АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

ТЕМА 2.1. ФІЗИКА ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

§ 12. ПЛАНЕТИ ЗЕМНОЇ ГРУПИ

У внутрішній Сонячній системі лежать планети Меркурій, Венера, Земля і Марс. Їхні поверхні тверді, а серед речовин, з яких складаються ці планети, переважають силікати (сполуки кремнію з різними елементами) і метали. Кору і мантію планет утворюють, головно, силікати, а метали (найбільше залізо й нікель), лежать у їхніх ядрах. Планети земної групи лежать ближче одна до одної, ніж планети-гіганти. Радіус міжпланетного простору, де перебувають ці об'єкти, менший за відстань між орбітами Юпітера й Сатурна.

Рис 12.1. Порівняльні розміри планет земної групи

1. Фізичні характеристики планет земної групи.

Фізичні умови на поверхнях планет земної групи залежать, як від маси планети, що дозволяє силі тяжіння утримувати атмосферу певної потужності, так і від відстані до Сонця, що визначає певний діапазон температур.

Меркурій. Своїми розмірами він найменший в групі планет земного типу. Через близькість до Сонця його важко спостерігати з Землі. У періоди видимості Меркурій можна бачити лише низько над обрієм на тлі вечірньої чи ранкової заграви. Тому основні дані про фізичні умови на поверхні планети астрономи отримали тільки з початком космічної ери, коли в 1974-1975 рр. до нього було відправлено перші космічні апарати.

Меркурій майже втричі ближче до Сонця, ніж Земля, і практично позбавлений атмосфери, якщо не вважати за таку воднево-гелієвий потік сонячного вітру, що силою тяжіння планети ненадовго затримується біля поверхні. Тому на денному боці планети температура становить майже 700 К, а на нічному - 90 К. Проте, незважаючи на високу температуру поверхні, на дні меркуріанських кратерів біля полюсів знайдено лід. Головним його джерелом, найімовірніше, є комети.

Меркурій складається переважно із заліза і нікелю. В центрі планети залягає металеве ядро, що охоплює понад 40 % його об'єму. Середнє значення густини речовини Меркурія становить 5,43 г/см³, що трохи менше, ніж середня густина Землі. У планети немає супутників, а магнітне поле становить лише 1 % від земного. Однак це слабке магнітне поле вказує на те, що її ядро перебуває у рідкому стані.

Рис 12.2. Поверхня Меркурія

Поверхня Меркурія дуже нагадує місячну.

Перше, що впадає в око, - велика кількість кратерів різних розмірів. їх на Меркурії навіть більше, ніж на Місяці, й лежать вони густіше. Проте, на відміну від Місяця, тут значно менше великих відносно гладких

ділянок, таких, як місячні моря. Очевидно, кратери на Меркурії мають метеоритне походження.

Усі примітні деталі меркуріанського рельєфу мають власні назви. Кратерам надано імена видатних художників, композиторів, письменників, як- то: Бетховен, Бальзак, Лєрмонтов, Пушкін, Софокл тощо. Гірські ланцюги і каньйони отримали назви знаменитих кораблів і наукових станцій: Кон-Тікі, Мирний, Восток тощо.

Венера. Друга від Сонця і найближча до Землі планета. Іноді їх розділяють усього 40 млн км. Як і Меркурій, її видно ввечері після заходу або вранці перед сходом Сонця. На відміну від Меркурія, Венера на небосхилі майже вдвічі далі відходить від Сонця і світить у 10 разів яскравіше. В такі періоди видимості вона поступається яскравістю лише Місяцю, а предмети відкидають від неї тіні.

Дослідження Венери космічними апаратами показали, що хмаровий покрив планети в 30 км завтовшки містить переважно дрібні крапельки сірчаної кислоти, які в міру збільшення висоти над поверхнею перетворюються в кристалики. Саме завдяки цьому Венера така яскрава - відбиває в космічний простір до 70 % сонячного світла. Для уявного спостерігача на планеті хмари ніколи не відкривають зоряного неба: ні Сонця, ні зір з поверхні Венери не видно.

Рис 12.3. Мапа поверхні Венери

Крізь товщу хмар сонячного тепла пробивається дуже мало, але через високий вміст вуглекислого газу (98%) парниковий ефект проявляється на Венері значно сильніше, ніж на Землі. Нижні шари атмосфери дуже сильно поглинають випромінюване поверхнею тепло, внаслідок чого впродовж мільярдів років поверхня планети розігрілась до дуже високої температури — майже 700К (+480°С). Спека не спадає ні вдень, ні вночі, а каміння під жовтогарячим небом буквально світиться.

Рельеф Венери схожий на земний. Радіолокатори космічного апарата «Магеллан» (США) ще в 1990 р склали досить детальну карту 98% поверхні Венери. На Венері було виявлено велику кількість ударних кратерів діаметром від трьох до трьохсот кілометрів. Відсутність кратерів меншого розміру зумовлена тим, що метеорити, здатні їх утворити, втрачають швидкість в атмосфері або просто згорають. Є на Венері плоскі й горбисті рівнини вулканічного походження, просторі низовини і плато, високі гірські масиви, а також глибокі каньйони (найбільший понад 6400 км завдовжки) і багато згаслих вулканів. Один з таких — вулкан Маат, навколо якого видно потужні потоки лави, що тягнуться на сотні кілометрів. Основний матеріал поверхні — базальтова лава.

Назви деталей на поверхні Венери пов'язують як із жіночими іменами — Земля Афродити, Земля Іштар, плато Лакшмі, так і з іменами видатних учених в галузі радіо- та електротехніки — Гальвані, Едісон, Попов та інші.

Марс. На відміну від Меркурія і Венери, Марс, залежно від його кутової відстані від Сонця, можна спостерігати і ввечері, і вранці, і протягом усієї ночі. Як світило він має червонуватий колір, що дозволяє досить легко відшукати його на зоряному небі.

У розрідженій атмосфері Марса води і кисню дуже мало. І все ж досить часто в ній з'являються хмари з дрібненьких кристаликів льоду. Через це атмосфера Марса рідко буває цілком прозорою. Коли ж на Марсі вирують пилові бурі, його поверхня на кілька місяців стає недосяжною для спостережень. За сприятливих марсіанських погодних умов із Землі можна розгледіти крупні деталі рельєфу, а полярні шапки біля полюсів видно навіть в аматорський телескоп.

Через особливості взаємного руху Землі і Марса кожні 15 років він опиняється на найменшій віддалі від Землі - 56 млн км. Таке зближення називають великим протистоянням. У такі періоди вивчати Марс було найзручніше. Тепер це не важливо. Космічні апарати уможливили вивчення планети з її орбіти чи поверхні.

Рис. 12.4. Гора Олімп на Марсі

На Марсі майже повсюдно панують низькі температури, бо він отримує сонячного тепла майже вдвічі менше, ніж Земля. Лише на екваторі вдень температура піднімається приблизно до 288 К (+15 °С), а вночі, через розріджену атмосферу, неспроможну утримати накопичене за день тепло, поверхня швидко вихолоджується до 170 К на екваторі й 145 К на полюсах. Найнижчу температуру зафіксовано взимку на полюсах - майже 140 К.

Поверхня Марса - типова для планет земної групи. У чомусь вона нагадує місячну, а деінде земну. З одного боку, тут дуже багато кратерів, а з іншого,- є великі території, де кратерів майже немає, але добре помітні сліди діяльності потужних геологічних процесів. Червонуватий колір поверхні планети пояснюють присутністю в породах великої кількості мінералів (наприклад, магнетиту), що містять оксиди заліза.

На поверхні Марса є кілька дуже великих згаслих вулканів - найбільших в Сонячній системі. Найвищий з них, гора Олімп, вивершується над поверхнею планети майже на 27 км. Його вік і вік кількох менших за нього висотою сусідів становить від 3,7 млрд до 500 млн років.

Ще одна особливість марсіанського рельєфу - система гігантських каньйонів «Долини Маринера» завдовжки 4000 км і завглибшки до 7 км. Є на Марсі безводні річища. їх - тисячі, і вони тягнуться на сотні кілометрів. Нині умови на Марсі такі, що вода там не може перебувати в рідкому стані. Але напевне колись Марс мав потужнішу атмосферу, там діяв парниковий ефект, і клімат сприяв існуванню води в рідкому стані. Що призвело до втрати атмосфери, а згодом і річок, поки не зрозуміло. Згідно з однією із гіпотез, причиною було падіння астероїда. Згідно з іншими уявленнями, - це наслідок тривалого в часі впливу сонячного вітру - потоку заряджених частинок, що на великій швидкості приходять від Сонця. Ще одне припущення - Марс лежить поза «зоною життя» в Сонячній системі і надто мало тепла отримує від Сонця, щоб вода перебувала в рідкому стані.

Як було виявлено, нині великі запаси водяного льоду є під марсіанською поверхнею у вигляді вічної мерзлоти.

2004 р. на Марсі виявлено метан. Його джерело досі невідоме, але це може бути як наслідком вулканічної активності, так і діяльності живих організмів. Нові космічні місії (зокрема, «ЕкзоМарс») мають розкрити таємницю походження марсіанского метану.

У Марса є дуже слабке стале магнітне поле, що свідчить про тверде, а не рідке його ядро. Середнє значення густини речовини Марса менше, ніж у Землі.

На відміну від Меркурія й Венери, у Марса є два супутники. Максимальний діаметр Фобоса трохи більший за 25 км, а Деймоса - близько 15 км. їхні поверхні суцільно вкриті кратерами. Походження супутників ще не з'ясоване. Можливо, колись вони були самостійними небесними тілами - астероїдами й рухалися в поясі астероїдів, але були захоплені Червоною планетою. А можливо, колись удар колосальної сили вибив з Марса мільярди тонн речовини, і з неї на орбіті згодом сформувалися супутники. Схожим припущенням про гігантське зіткнення з Землею космічного тіла нині пояснюють і утворення Місяця.

Тепер з'являється все більше свідчень на користь другої версії. Нові докази здобуто після вивчення структури і складу Фобоса, виконаного з допомогою зонда «Марс Експрес». З'ясовано, що хімічний склад супутника не характерний для астероїдів, але має багато спільного з мінералами на Марсі.

2. Дослідження планет земної групи.

Оскільки планети земної групи можна спостерігати на зоряному небі неозброєним оком, вивчати їх стали дуже давно. Багато нової інформації про ці планети отримано від часу появи телескопа. Але принципово новий

етап досліджень розпочався від початку космічної ери. До Меркурія, Венери та Марса були спрямовані космічні апарати. На поверхні Венери і Марса міжпланетні космічні станції здійснили посадку.

Нині космічні дослідження планет земної групи (як й інших тіл Сонячної системи) виконують майже в неперервному режимі. Одну космічну місію змінює інша, а біля Марса і на його поверхні одночасно працюють кілька зондів.

ТИПОВА ЗАДАЧА

Якою має буди швидкість космічного корабля, щоб уявні марсіани могли на ньому вирушити в бік Землі?

Розв'язання: Пригадаймо, що мінімальну швидкість, яку необхідно надати тілу на поверхні планети, щоб воно вийшло за межі її гравітаційної дії, називають другою космічною швидкістю. Її значення виражає формула: де M і R значення маси і радіуса планети, а G — гравітаційна стала (G = 6,67 · 10^-11 (Нм²/кг²)). Для Марса v2 = 5,0 км/с.

ВИСНОВКИ

До планет земної групи, окрім Землі, належать Меркурій, Венера і Марс. Ці планети мають тверді поверхні й складаються переважно з силікатів і металів.