§ 48. Планети та їх супутники
Меркурій — найближча до Сонця планета. Меркурій (мал. 197) є ще й найменшою та найшвидшою планетою в Сонячній Системі. Меркурій рухається орбітою навколо Сонця із середньою швидкістю 47,36 км/с, що в 1,6 разу більше за швидкість Землі. Така швидкість і той факт, що Меркурій розміщений ближче до Сонця, ніж Земля, приводять до того, що один рік на Меркурії (час його повного оберту навколо Сонця) становить усього 87,97 земних днів.
Мал. 197. Меркурій
Про супутника нашої планети читайте в електронному додатку.
Наявність магнітного поля дає змогу припустити, що Меркурій має досить велике металеве ядро, розміри якого можуть досягати 2/3 — діаметра планети. Вважається, що в ядрі зосереджено до 80 % усієї маси Меркурія, і цим визначається його найбільша середня густина серед усіх планет Сонячної системи.
Поверхня планети вся поцяткована кратерами, утворення яких можна пояснити метеоритним бомбардуванням Меркурія, що відбувалося на перших етапах еволюції планети мільярди років тому.
Венера. Венера (мал. 198) належить до планет, відомих людству з найдавніших часів. Оскільки Венеру можна спостерігати ввечері після заходу сонця чи вранці перед світанком, її ще називають «зоря вечірня» або «вранішня зоря». Венера — друга в Сонячній системі й найближча до Землі планета. Це третій за яскравістю об’єкт на небі; її блиск поступається лише блиску Сонця та Місяця. Венера обертається навколо своєї осі у зворотному напрямку до обертання навколо Сонця, на відміну від Землі та інших планет.
Мал. 198. Венера
Дослідження цієї планети надзвичайно ускладнено через її дуже густу й могутню атмосферу, що складається на 96 % з молекул вуглекислого газу СО2. Атмосферний тиск біля поверхні Венери становить близько 9 МПа, а густина у 35 разів перевищує густину земної атмосфери. Кількість вуглекислого газу в атмосфері Венери в 400 тис. разів більша, ніж у земній атмосфері. Наявність в атмосфері Венери великої кількості вуглекислого газу спричиняє явище парникового ефекту, яке проявляється значно сильніше, ніж на Землі.
Марс. Марс (мал. 199) за розташуванням — четверта від Сонця планета Сонячної системи й сьома за розміром і масою. Іноді Марс називають «червоною планетою» через червонуватий колір поверхні, спричинений наявністю оксиду заліза. На зоряному небі вона виглядає як цятка червоного кольору, що час від часу значно перевершує за блиском деякі зорі.
Мал. 199. Марс
За тривалістю доби (24,6 год) і зміною пір року (вісь обертання нахилена під кутом 65° до площини орбіти) Марс нагадує нашу планету.
У центрі Марса міститься ядро, діаметром близько 2968 км, яке складається здебільшого із заліза з вмістом сірки та перебуває в рідкому стані. Ядро оточене мантією із силікатів.
Марс має розріджену атмосферу. Це дає змогу вивчати його поверхню безпосередньо із Землі. Дві третини поверхні Марса займають світлі ділянки, які отримали назву материків, близько третини — темні ділянки, названі морями. Вони зберігають свою форму в часі, що дало змогу скласти точні карти поверхні.
Наразі немає наукових доказів існування життя на Марсі. Хоча припускають, що воно там може бути.
Марс має два невеликі супутники — Фобос (27 км) і Деймос (15 км). Супутники обертаються у площині екватора планети по кругових орбітах радіусом 6 і 20 тис. км відповідно. За допомогою космічних апаратів установлено, що супутники мають неправильну форму й у своєму орбітальному положенні залишаються поверненими до планети завжди одним і тим самим боком.
Юпітер. Юпітер (мал. 200) — п’ята й найбільша планета Сонячної системи (більш ніж удвічі масивніша за всі інші планети разом узяті). Юпітер швидше за всі інші планети обертається навколо своєї осі.
Мал. 200. Юпітер
За своїми характеристиками Юпітер займає проміжне положення між планетними й зоряними утвореннями, і його остаточне формування ще й досі не завершилося. Надра планети дають свій власний потік енергії, у середньому вдвічі більший, ніж Юпітер отримує від Сонця. На глибині 20 000 км водень переходить у металічний стан, і його фізичні властивості нагадують розплавлений метал, який добре проводить електричний струм. Такого агрегатного стану водню (густина 4 г/см 3 за тиску 106 атм) на Землі не існує. Завдяки електричному струмові, що генерується в цій металевій оболонці, виникає потужне магнітне поле, напруженість якого у 50 разів більша, ніж у земного. Це поле формує навколо планети протяжну магнітосферу з кількома радіаційними поясами.
Навіть у невеликий телескоп на Юпітері добре помітні світлі та темні смуги, що простягаються паралельно екватору. Існує ряд гіпотез, які пояснюють їхнє походження. Так, за однією з версій, смуги виникали в результаті явища конвекції в атмосфері планети-гіганта — за рахунок підігрівання з надр і, як наслідок, підняття одних шарів й охолодження та опускання донизу інших. Конвекційні потоки, що виносять внутрішнє тепло до поверхні, зовні проявляються у вигляді світлих зон і темних поясів. Верхній шар світлих хмар складається з кристалів аміаку, має температуру -107 °С і тиск (порядку 1 атм), що відповідає висхідним потокам. Розташовані нижче темні хмари поясів складаються, ймовірно, із червоно-коричневих кристалів гідросульфіду амонію та мають вищу температуру. Ці структури є областями низхідних потоків. Зони та пояси мають різну швидкість руху в напрямку обертання Юпітера. На границях поясів і зон спостерігається сильна турбулентність, яка спричинює утворення численних вихрових структур. Найвідомішою є Велика червона пляма, що спостерігається на поверхні Юпітера останні 300 років.
Є гіпотези щодо можливості існування життя у хмарах Юпітера, адже його атмосфера має всі компоненти, які були необхідні для появи життя на Землі. Деякі шари хмар є теплими й відносно комфортними для існування навіть земних мікроорганізмів.
У Юпітера до 2011 р. зареєстровано 63 супутники й тьмяні кільця. Чотири найбільші супутники: Іо, Європа, Ганімед, Каллісто (мал. 201) відкрив ще Галілей за допомогою свого першого телескопа, тому їх називають Галілеєві супутники. Іо має найбільшу геологічну активність із усіх тіл Сонячної системи. На Іо зареєстровано 8 постійно діючих вулканів, з жерл яких викидаються розжарені гази та магма.
Мал. 201. Супутники Юпітера
Три інші Галілеєві супутники — Європа, Ганімед і Каллісто — дуже схожі між собою: на їхній поверхні видно багато снігу та льоду. Ганімед є найбільшим супутником у Сонячній системі, який за розмірами навіть перевершує Меркурій.
Сатурн. Сатурн (мал. 202) — друга за величиною й шоста від Сонця планета Сонячної системи. Ця планета-гігант дуже схожа на Юпітер. Це єдина планета Сонячної системи, чия середня густина менша від густини води. Візитівкою Сатурна є відомі кільця, які видно в телескоп. Вони оперізують планету навколо екватора і складаються з безлічі крижаних часток розмірами від міліметра до декількох метрів.
Мал. 202. Сатурн
Атмосфері Сатурна властиві такі самі ділянки смуг, як і атмосфері Юпітера, однак на Сатурні ці смуги виражені менш яскраво і є значно ширшими поблизу екватора. Жовтуватого кольору верхнім шарам атмосфери Сатурна надають снігові хмари з аміаку. На глибині 300 км від верхніх шарів розташовуються хмари, у яких при підвищенні температури сніг перетворюється на дощ.
Сатурн теж випромінює в космос більше енергії, ніж отримує від Сонця. Як і Юпітер, має магнітне поле, радіаційні пояси та є джерелом радіовипромінювання.
Сатурн має помітну систему кілець, що складаються здебільшого з частинок криги, меншої кількості важких елементів і пилу. Навколо планети обертається 62 відомі на 2013 р. супутники. Титан — найбільший серед них, це другий за розмірами супутник у Сонячній системі, який перевершує за своїми розмірами Меркурій і має єдину серед супутників Сонячної системи густу атмосферу.
Уран. На відміну від інших газових гігантів — Сатурна та Юпітера, що складаються переважно з водню і гелію, у надрах Урана та схожого з ним Нептуна відсутній металевий водень. Проте в них є багато високотемпературних модифікацій льоду — тому фахівці виділили ці дві планети в окрему категорію «крижаних гігантів».
Уран рухається навколо Сонця майже коловою орбітою, середня відстань від Сонця — у 19 разів більша, ніж у Землі. Вісь планети лежить майже в площині орбіти, до того ж Уран, як і Венера, обертається у зворотному напрямку (зі сходу на захід). Вважають, що таке аномальне для Сонячної системи обертання спричинене зіткненням цих планет з великими космічними тілами на ранніх стадіях еволюції.
Так само як інші планети-гіганти, Уран (мал. 203) має кільця. За допомогою телескопів відкрито тільки 5 великих супутників: Аріель, Умбріель, Титанію, Оберон і Міранду, а всі інші вперше сфотографовано в 1986 р. за допомогою космічних апаратів.
Мал. 203. Уран
Нептун. Нептун — четверта за розміром і третя за масою планета (мал. 204). Її орбіта перетинається з орбітою Плутона та з орбітою комети Галлея.
Мал. 204. Нептун
За фізичними властивостями Нептун дуже схожий на Уран. Він теж належить до «крижаних планет». Планета має внутрішнє джерело енергії, бо випромінює в космос тепла майже втричі більше, ніж одержує його від Сонця.
Атмосфера Нептуна, подібно до атмосфери Юпітера й Сатурна, складається в основному з водню та гелію. Сліди метану в зовнішніх шарах атмосфери є причиною синього забарвлення планети.
У Нептуна виявлено 14 супутників та тонкі тьмяні кільця. За допомогою наземних телескопів було відкрито 2 супутники — Тритон і Нереїду, а інші сфотографували за допомогою космічних апаратів.
Тритон — єдиний великий супутник серед тіл Сонячної системи, який рухається навколо планети у зворотному напрямку в порівнянні з обертанням Нептуна навколо осі. Це свідчить, що Тритон, можливо, був колись захоплений гравітаційним полем Нептуна, і він по спіралі наближається до планети. Коли відстань між Нептуном і Тритоном зменшиться до 65 000 км (межа Роша), припливні сили зруйнують супутник, і навколо Нептуна утвориться величезне кільце, подібне до кілець Сатурна.
ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ
1. Чому Меркурій не може утримувати сталу атмосферу? 2. Які планети обертаються навколо осі у протилежному в порівнянні з Землею напрямку?3. На яких планетах відбувається зміна пір року? 4. Венера розміщується далі від Сонця, ніж Меркурій, але чому температура на її поверхні вища, ніж на Меркурії? 5. Які особливості в планет-гігантів? 6. Чим пояснюється виділення додаткової енергії з надр планет-гігантів? 7. Чому Юпітер можна вважати дуже схожим на зорю?
§ 8. Планети Земної групи
Меркурій — найближча до Сонця планета (мал. 2.7). Вона постійно «ховається» у сонячних променях, і тому її дуже важко побачити із Землі. За розмірами і масою Меркурій більше подібний до Місяця, ніж до Землі. У Меркурія немає атмосфери, і його поверхня не захищена від палючих сонячних променів удень і космічного холоду вночі. Удень на поверхні планети температура піднімається до +430 °С, а вночі опускається до -200 °С. Перепад температур відбувається повільно, тому що сонячна доба на Меркурії дорівнює 176 земним. Тривалість року — 88 земних діб.
За формою Меркурій подібний до кулі з екваторіальним радіусом (2439,7 ± 1,0) км (діаметр 4900 км), що приблизно в 2,6 раза менший, ніж у Землі. Екваторіальне й полярне стискання незначні. Геометричний центр планети відхилений від центра мас — у межах 1,5 км. Площа поверхні Меркурія менша в 6,8 раза від поверхні Землі, а об’єм — у 17,8 раза.
Маса Меркурія дорівнює 3,30 · 10 23 кг, це приблизно в 18 разів менше за масу Землі. Середня густина близька до земної й становить 5,43 г/см 3 . Прискорення вільного падіння поблизу поверхні — 3,70 м/с 2 (0,38 від земного). Відстань до Сонця — 58 млн км. Магнітне поле планети дуже слабке, його напруженість у 300 разів менша від земної. Природних супутників немає.
Уся кам’яниста поверхня Меркурія покрита численними кратерами, більшість з яких утворилася в результаті падіння метеоритів. Кратери на Меркурії названо на честь видатних представників світової культури: Бетховен, Гомер, Шевченко та ін. Винятками є променистий кратер Койпер, названий на честь видатного планетолога Джерарда Койпера, та маленький кратер Хун Каль, до якого прив’язано систему довгот: він лежить на меридіані 20°, його назва мовою давніх майя означає «двадцять».
Кут нахилу осі обертання Меркурія перпендикулярний до його орбіти, тому дно полярних кратерів ніколи не освітлюється Сонцем. Ці області слугують сховищами водяного льоду, перемішаного з гірськими породами.
Гори на Меркурії сягають усього 2-4 км. На планеті виявлено кратери та уступи висотою 2-3 км, що тягнуться на сотні кілометрів (мал. 2.8). Імовірно, вони з’явилися під час утворення планети через нерівномірний стиск у ході охолодження.
Поблизу поверхні Меркурія виявлено атоми гелію і водню, а також аргону й натрію. Їхніми джерелами є сонячний вітер і речовина планети, піддана нагріванню й опроміненню Сонцем.
Меркурій — найменше вивчена планета земної групи. На її дослідження було спрямовано лише два апарати. Перший був «Марінер-10» (1974-1975 рр.), що тричі пролетів повз Меркурій (максимальне зближення становило 320 км). У результаті було отримано кілька тисяч фото із середньою роздільною здатністю 1 км/пікс, що охоплюють приблизно 45 % поверхні планети. Подальші дослідження із Землі дали змогу отримати деякі дані про поверхню та атмосферу Меркурія, зокрема вказали на можливість існування водяного льоду в полярних кратерах.
У 2008-2015 рр. планету досліджував апарат НАСА «Мессенджер» (мал. 2.9). Його запустили в 2004 р. Апарат летів складною траєкторією з кількома гравітаційними маневрами біля Землі, Венери та Меркурія. Повз останній він пролітав тричі, і в березні 2011 р. нарешті став його супутником. «Мессенджер» відзняв усю поверхню планети та отримав багато інших даних. Його внесок у дослідження Меркурія став революційним.
Венера — друга від Сонця планета Сонячної системи (мал. 2.10). Вона майже такого самого розміру, як і Земля, а її маса становить більше як 80 % земної маси. На небі Венеру можна спостерігати уранці або увечері у вигляді дуже яскравого світила. Густа атмосфера Венери довго приховувала таємниці її поверхні. Учені ще в середині XX ст. думали, що планета вкрита тропічними лісами. Але космічні апарати, що досягли планети, сфотографували безжиттєву розпечену пустелю. Температура поверхні сягає +470 °С і майже не змінюється протягом доби. Густі хмари пропускають мало сонячного світла й створюють «сутінкову» освітленість навіть тоді, коли Сонце перебуває високо над горизонтом. Води на цій планеті немає, кисню — практично теж. Діаметр становить 12 100 км. Відстань до Сонця — 108 млн км. Тривалість року — 224,7 земної доби, а тривалість доби — 117 земних діб. Венера — третій за яскравістю об’єкт на небі, її блиск поступається лише блиску Сонця та Місяця. Венера відома людству з найдавніших часів. Орбіта планети має форму майже правильного кола, швидкість руху по орбіті — 35 км/с. Напрямок обертання зворотний до напрямку обертання навколо Сонця. Природних супутників немає.
Більшу частину поверхні Венери займають рівнини. Найвищі гори — гори Максвелла — піднімаються на 11 км над середнім рівнем поверхні. На Венері виявлено кратери діаметром до сотень кілометрів (мал. 2.11) . Великі кратери названо на честь видатних жінок: Ахматова, Войнич, Дункан, Орлова або просто жіночими іменами: Антоніна, Валентина, Зоя, Ірина, Нана, Ольга та ін. Великі височини-материки мають назви: Земля Афродіти, Земля Іштар, Земля Лади тощо.
Близько 500 млн років тому на Венері відбулася глобальна геологічна катастрофа. Сотні тисяч діючих вулканів викинули величезну кількість лави, що вкрила всю поверхню. Найвищий згаслий вулкан (мал. 2.12) — гора Маат, названий на честь єгипетської богині істини й порядку, підіймається над навколишньою рівниною майже на 8 км.
Для дослідження рельєфу планети було використано метод радіолокації. Автоматична міжпланетна станція «Магеллан» у 1990-1994 рр. провела глобальну радіолокацію поверхні Венери. На основі отриманих даних було складено рельєфні карти, і з’явилася можливість відтворити деталі поверхні в об’ємному зображенні (мал. 2.13).
Атмосфера Венери складається в основному з вуглекислого газу. Тиск на поверхні планети в 95 разів більший, ніж на поверхні Землі. Завдяки такому хімічному складу, а також великій густині атмосфера Венери є величезним «парником». Парниковий ефект й обумовлює високу температуру на поверхні. Хмари Венери мають пластову структуру. Вони розташовуються на висотах від 48 до 70 км і містять крапельки сірчаної кислоти. Швидкість вітру на поверхні становить близько 1 м/с. В атмосфері спостерігаються блискавки.
Магнітне поле Венери дуже слабке через повільне обертання планети навколо осі зі сходу на захід. Його напруженість у 104 рази менша від земної. Магнітосфера майже повністю відсутня, тому потік заряджених частинок, що йде від Сонця, зіштовхується з атмосферою планети й захоплює за собою її речовину, формуючи йонний шлейф. Космічна обсерваторія SOHO визначила, що цей «хвіст» тягнеться на 45 млн км, тобто сягає Землі.
Марс — четверта від Сонця планета Сонячної системи (мал. 2.14). Для спостерігача вона з’являється на небосхилі у вигляді яскравого червоного світила. За допомогою аматорських телескопів можна побачити полярні шапки на Марсі та деякі великі деталі його поверхні з темніших ліній і плям. На думку вчених, це річки, озера і моря. Марс і Земля кожні 15-17 років зближуються, це називають великим протистоянням. Тоді Марс не зникає з неба всю ніч і світиться особливо яскраво, червоно-помаранчевим кольором.
Марс — невелика планета, більша за Меркурій, але майже вдвічі менша від Землі за діаметром (6800 км). Марс має екваторіальний радіус 3396 км і середній полярний радіус 3379 км (обидва значення точно визначив космічний апарат Mars Global Surveyor, який почав свою місію на орбіті навколо планети 1999 р.). Маса Марса становить 6,418 · 10 23 кг, що вдесятеро менше за масу Землі, а прискорення вільного падіння на його поверхні — 3,72 м/с 2 . Це означає, що об’єкти на Марсі важать лише третину своєї земної ваги. Відстань до Сонця 228 млн км. Температура на поверхні від -70 °С до +20 °С. Тривалість року — 687 земних діб (1,9 земного року), а тривалість доби — 24 год 39 хв. Марс має слабке магнітне поле напруженістю в 500 разів меншою від земної. Природних супутників два — Фобос (з грец. — «страх») і Деймос («жах»).
Отримані за допомогою космічних апаратів зображення поверхні Марса показали, що вона є мертвою пустелею, значна частина якої — червоний пісок і камені. Колір поверхні Марса червоний, тому що у ґрунті високий вміст оксидів заліза (мал. 2.15).
На поверхні Марса атмосфера дуже розріджена, тому існують великі добові коливання температури: удень на екваторі температура піднімається іноді до +15 °С, уночі опускається до -65 °С. Узимку на поверхні Марса спостерігається сніг та іній, але вода в рідкому стані там існувати не може. Тиск на поверхні планети в 100-170 разів менший, ніж на Землі. В умовах низького атмосферного тиску вода закипає за температури +2 °С і відразу випаровується.
На Марсі дуже багато ударних кратерів великого розміру. Це свідчить про те, що планета пережила безліч катастроф, які змінили умови на її поверхні. Кратери на Марсі названо на честь учених, які вивчали Марс і планети Сонячної системи. Поверхня Марса характеризується чітко вираженою асиметрією. Південна гориста півкуля в середньому на 5 км вища від Північної. На фото марсіанської поверхні добре видно численні великі й дрібні каньйони. Їхня ширина сягає 600 км, глибина — 5 км. Найбільший каньйон — Долина Марінера — тягнеться майже на 5000 км.
Вражають своїми масштабами згаслі вулкани Марса. Найвищий — гора Олімп (мал. 2.16) — піднімається над поверхнею на 27 км. Діаметр її основи сягає 600 км. Вік таких структур — приблизно 400 млн років.
Знамениті полярні шапки Марса утворені товстими шарами льоду (близько 3 км), змішаного з пилом. Верхній шар полярних шапок складається із «сухого льоду» (замерзлого вуглекислого газу — СО2) з невеликою домішкою звичайного льоду (Н2О). Температура тут опускається нижче від -110 °С. Коли на одній з півкуль починається зима, то відповідна полярна шапка починає рости і сягає 57° широти в Північній півкулі та 45° у Південній. Навесні шапки починають танути. Восени, коли формуються полярні шапки, можна спостерігати блакитнувато-білі хмари в атмосфері планети.
Загадкові марсіанські долини, схожі на русла річок (мал. 2.17), утворилися від водяних потоків, які висохли понад мільярд років тому. У 1999 р. було опубліковано дослідження, які доводять, що на Марсі раніше існував океан води. Це вдалося встановити за допомогою фото, переданих на Землю станцією Mars Global Surveyor, за особливостями рельєфу. Океан міг існувати, поки температура поверхні Марса була досить висока. Потім планета охолоджувалася близько мільярда років. Тонка атмосфера Марса не перешкоджала «зникненню» води в міжпланетний простір. Зі зниженням температури замерзла вода упереміш з піском утворила підповерхневу крижану оболонку — кріосферу, яка має кількість води, еквівалентну шару завтовшки приблизно 1 км по всій планеті.
Атмосфера Марса має малу густину і складається в основному з вуглекислого газу. Швидкість вітру на поверхні планети не перевищує 15 м/с. Марс — єдина планета, де спостерігаються глобальні пилові бурі. Вони створюють антипарниковий ефект, тому що хмари пилу не пропускають сонячне випромінювання до поверхні. Поверхня планети сильно охолоджується, а пил і навколишня атмосфера, навпаки, розігріваються. В атмосфері Марса спостерігаються піщані вихори, що закручують стовпи пилу заввишки до 8 км. Хмари складаються із силікатного і крижаного пилу, який піднімається так високо в атмосферу, що навіть закриває гору Олімп.
ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО
- 1. Чому Меркурій не може утримувати сталу атмосферу?
- 2. Яка планета обертається навколо осі у протилежному напрямку порівняно із Землею?
- 3. На яких планетах земної групи відбувається зміна пір року?
- 4. Венера міститься далі від Сонця, ніж Меркурій, але чому температура на її поверхні вища, ніж на Меркурії?
- 5. Які є докази того, що на поверхні Марса колись була вода в рідкому стані?
- 6. На яких планетах земної групи можливе існування життя?
Дослідіть відмінності складу атмосфери на планетах земної групи.