2. Земля і інші планети

• 2.1 Чому в році 365 днів
• 2.2 `` Окільцьовані '' планети
• 2.3 Інші сонячні системи
• 2.4 Уповільнення обертання Землі
• 2.5 Двійник Землі
• 2.6 Обертання Землі навколо своєї осі

2.1 Чому в році 365 днів

Питання: Чому в році 365 днів?

Відповідь:

Щоб знайти число днів в році треба період обертання Землі навколо Сонця поділити на період обертання Землі навколо власної осі. Оскільки ми ведемо спостереження із Землі, яка бере участь в декількох нерівномірних вирощених, то експериментально визначити періоди звернень непросто, більше того, вони будуть непостійними.

Детальніше в книзі: П.І.Бакулін, Е.В.Кононовіч, В.І.Мороз "Курс загальної астрономії", М., Наука, 1983.

На сьогоднішній день тривалість зоряного року дорівнює 365,256 середньої сонячної доби. Тривалість року змінюється через вплив на Землю інших планет сонячної системи. Точні розрахунки показують, що ексцентриситет орбіти Землі змінюється неперіодично, але з характерним часом, рівним ста тисячам років.

Детальніше в книзі: А.В.Бялко "Наша планета - Земля", Бібліотечка "Квант" випуск 29, М., Наука, 1989, стр.37-40.

Тривалість доби непостійна. Вона систематично зростає (т.зв. вікові зміни) через гальмування припливами на 0,0023 з в 100 років. У той же час існують стрибкоподібні зміни на тисячні частки секунди за час в декілька місяців. Достовірно їх причина не встановлена. Також присутні сезонні зміни через перерозподіл повітряних і водних мас Землі на з за рік.

Детальніше в книзі: П.І.Бакулін, Е.В.Кононовіч, В.І.Мороз `` Курс загальної астрономії '', М., Наука, 1983, параграф 75.

Таким чином, число днів в році не постійно. Наприклад, 380 млн. Років тому в році було близько 400 днів. Цей результат отримано після дослідження річних і добових кілець росту викопних коралів.

Література: А.С.Монін `` Популярна історія Землі '', М., Наука, 1980, стр.193-197.

2.2 `` Окільцьовані '' планети

Питання: Скільки планет у Сонячній системі мають кільця? Як і чому вони утворилися? Яке значення вони мають для планет?

Відповідь:

Відкриті в XVII в. кільця Сатурна постійно розбурхували уяву дослідників своєю унікальною формою. Кільця Сатурна досліджували такі блискучі астрономи, механіки і математики, як Г. Галілей, X. Гюйгенс, Ж. Д. Кассіні, П. С. де Лаплас, Дж. К. Максвелл, А. Пуанкаре. Кант був першим, хто передбачив існування тонкої структури кілець Сатурна. Користуючись своєю моделлю протопланетної хмари, він уявляв собі кільце у вигляді плоского диска з зіштовхуються частинок, що обертаються диференційно навколо планети за законом Кеплера. Саме диференціальне обертання, згідно Канту, є причиною розшарування диска на серію тонких кілець. Пізніше П. С. де Лаплас довів нестійкість твердого широкого кільця. В середині минулого століття багато астрономів (Віка в Римі, Бонд в США, Струве в Росії, Доуес і Лассель в Англії) виявили всього десять кілець навколо Сатурна. Видатний внесок у дослідження стійкості кілець Сатурна вніс в цей же час Дж. К. Максвелл, який отримав премію Адамса за працю, в якому він показав, що такі вузькі кільця також нестійкі і будуть падати на планету. І хоча висновок Maксвелла про падіння гіпотетичного суцільного льодового кільця на планету був неправильним (таке кільце набагато раніше має розвалитися на шматки), наслідок з нього - про метеорному будові кілець Сатурна - виявилося вірним. Так, до кінця XIX ст. гіпотеза метеорного будови кілець Сатурна, висловлена ​​вперше Ж. Д. Кассіні, отримала теоретичне, а в 1893 р - н наглядове підтвердження в роботах Дж. Кілер і А.А. Білопільського, виміряли швидкості диференціального обертання кілець.

Протягом XX ст., Йшло поступове накопичення нових даних про планетних кільцях: отримані оцінки розмірів і концентрації частинок в кільцях Сатурна, спектральним аналізом встановлено, що кільця - крижані, відкрито загадкове явище азимутальної змінності яскравості кілець Сатурна. Розмірений темп наукової діяльності змінився бурхливим підйомом загального інтересу до планетних кілець в кінці сімдесятих років, коли 10 березня 1977 р декількома дослідницькими групами незалежно було відкрито вузькі і далеко віддалені один від одного угольночерние кільця Урана. Відкриття було зроблено абсолютно випадково, коли, готуючи апаратуру для дослідження параметрів атмосфери Урана методом покриття зірки і заздалегідь налаштувавши прилади, дослідники виявили короткі затемнення при підході зірки до планети і при її видаленні. Найкращі знімки вийшли за допомогою телескопа літаючої Койперовской обсерваторії.

Через два року - 4 березня 1979 році американський міжпланетний апарат `` Вояджер-1 '' виявив прозорі кам'яні кільця і ​​навколо Юпітера. На початку 80-х років кільця Сатурна досліджувалися найбільш інтенсивно. В їх околиці працювала серія американських космічних апаратів: "Піонер-11" (жовтень 1979 г.), "Вояджер-1" (листопад 1980 г.), "Вояджер-2" (серпень 1981 р.) У січні 1986 року "Вояджер-2" дослідив кільця Урана. У серпні 1989 року цей апарат зустрівся з Нептуном, навколо якого кілька років тому методом покриття зірки були виявлені незамкнуті кільця (або "дуги"). "Вояджер-2" уточнив земні спостереження: `` дуги '' виявилися більш щільними частинами замкнутих кілець.

На сьогоднішній день з віддалених планет тільки у Півтони не виявлені кільця. Як не дивно, епоха `` великих географічних відкриттів '' в Сонячній системі ще далека від завершення: зовсім недавно були відкриті нові супутники Урана, а за допомогою `` Телескопа Хаббла '' вдалося отримати чітку фотографію Плутона.

Фактично, за останні роки було відкрито і вивчено новий клас об'єктів Сонячної системи. Планетні кільця виявилися обов'язковим елементом і закономірним явищем в супутникових системах планет-гігантів, природно, що велика кількість експериментального матеріалу не могло не викликати інтенсивного розвитку теоретичних моделей. Це не просто інтерес до нових астрономічним об'єктам. Дедалі більшого поширення набуває думка, що планетні кільця - ключ до розуміння космогонії всієї Сонячної системи. Адже кільця на сьогоднішній день є єдиними, доступними для детального вивчення, представниками диференційно обертових дисків непружних частинок. Дослідження таких дискових систем має принципову важливість для космогонії, так як на протостадіі це найпоширеніший тип динамічної системи (протопланетное хмара, протоспутніковие диски, протокольца планет). До цього ж класу об'єктів потрібно віднести і протопланетні хмари навколо інших зірок, аккреційному диски в системах подвійних зірок, галактичні і протогалактіческіх диски. Таким чином, планетні кільця надають унікальну можливість отримати найважливішу інформацію про колективні та інших процeccax, що протікали на стадії утворення планет і Сонячної системи.

Перелічимо основні проблеми фізики планетних кілець:

Чому існують планетні кільця? Класичні моделі формування кілець припускали, що кільця - це область приливної руйнування великих тел. Але після польотів `` Вояджеров '' стало ясно, що для руйнування частинок спостережуваних розмірів м) приливні сили занадто слабкі. Питання про причини існування кілець виявився прямо пов'язаний з механічними характеристиками типовою частинки.

Що викликало розшарування кілець Сатурна? Видимий ієрархічна структура кілець Сатурна складена за принципом `` матрьошки '': широкі км кільця складаються з системи більш вузьких км кілець і т.д. Поширена думка, що розшарування кілець Сатурна пов'язано тільки з нестійкістю негативною дифузії, суперечить спостереженнями - дана нестійкість може викликати утворення тільки самих вузьких (в сотні метрів) кілець в досить щільних частинах диска.

Як утворилися і чому не руйнуються кільця Урана? Найбільш популярна гіпотеза про те, що вузькі, еліптичні кільця Урана сформувалися і зберігають стабільність, завдяки двом спутнікам- "пастухам" по краях кожного кільця. Однак "Вояджер-2" в 1986 р не виявлено між кільцями Урана таких необхідних для цієї гіпотези супутників "пастухів". При цьому дані "Вояджера-2" підтвердили альтернативну гіпотезу про резонансну природі кілець Урана. В даний час у фізиці планетних кілець існує велика кількість моделей і гіпотез, часто взаємовиключних один одного. Тому уявити єдину картину походження і динаміки планетних кілець досить важко. Наприклад, ряд дослідників стійкості планетних кілець виходить з моделі гладкою і дуже пружною крижаної частки, не зачіпаючи при цьому проблеми існування кілець. Космогоніст в свою чергу розглядають як типову частки кілець надзвичайно ефемерне освіту (в 10 тисяч разів менше міцне, ніж скупчення самого пухнастого земного снігу), не замислюючись про те, як буде `` працювати '' така нетривка частка в інших теоретичних моделях.

Для того, щоб дати фізично цільну картину планетних кілець, критично досліджуючи і альтернативні рішення ряду проблем, доводиться звертатися до самих різних методів і областям науки: до небесної механіки та фізики льоду і снігу, до теорії удару і кінетичної теорії газів, до теорії нестійкостей і фізики плазми.

Література: Н.Н.Горьковатий, А.М.Фрідман `` Самоорганізація в кільцях планет '', журнал `` Природа '', 1991, N1, стр.56-68. , Д.Н.Кузі, Л.У.Еспозіто `` Кільця Урана '', журнал `` У світі науки '', 1987, N9, стр.26-33, Горький, А.М.Фрідман `` Фізика планетних кілець '', журнал `` Успіхи фізичних наук '', 1990, N2, стр.169-238.

2.3 Інші сонячні системи

Питання: Скільки сонячних систем існує у Всесвіті?

Відповідь:

На даний момент за різними джерелами відкрито 17 планетних систем поза Сонячною системою. Перша планета відкрита в 1989 р у зірки HD114762 на відстані приблизно 94 світлових роки від Землі. Друга планетна система (дві планети) відкрита в 1991 р у зірки PSR 1257 +12, що знаходиться на відстані приблизно 1600 світлових років від Землі. У 1994 р в цій системі виявлено третя планета. Можливо існування і четвертої планети. Починаючи з 1994 р планетні системи відкривалися регулярно: 1994 г. - у зірки HD114762; 1995 г. - у зірки 51 Pegasi; 1996 г. - 7 планетних систем; 1997 року - одна; 1998 г. - 5 нових планетних систем.

Більшість виявлених планетних систем має по одній планеті, як правило, масивної. Можливо, в майбутньому в цих системах будуть додатково виявлено більш дрібні планети.

28 травня 1998 року, в допомогою орбітального телескопа Хаббл зроблений знімок першої планети за межами Сонячної системи, що знаходиться на відстані приблизно 450 світлових років від Землі і належить першої зірки подвійної зоряної системи Taurus Molecular Ring.

2.4 Уповільнення обертання Землі

Питання: Чи правда, що Земля уповільнює свій хід? З чим це пов'язано?

Відповідь:

Під дією тяжіння Місяця на Землі виникають приливні горби. Відомо, що приливні горби не перебувають точно на прямий Земля-Місяць. Через асиметрії тяжіння приливних горбів до Місяця виникає малий момент сил, що уповільнює земне обертання.

Література: А.В.Бялко `` Наша планета - Земля '', Бібліотечка `` Кванта '' N29, 1989, стор.75, Д.В.Сівухін `` Загальний курс фізики '', т.1, Наука, 1989, параграф 69.

2.5 Двійник Землі

Питання: Чи правда, що у планети Земля є двійник і його не видно, тому що він знаходиться в протифазі?

Відповідь:

Завдання визначення руху 4 і більше тіл під дією сил тяжіння (а саме такою є Сонячна система) в загальному випадку до цих пір не вирішена. Якщо в системі 3 тіла, то є кілька окремих випадків, для яких є точне рішення. Вперше вони були знайдені Лагранжем в 1772 р Суть його роботи зводиться до того, що якщо задані маси тіл і положення 2 тел на площині, то існує 5 точок, в яких може бути розташована третина тіло, і система при цьому буде стійка. Таким чином: якщо три тіла розташовані на одній прямій, то вони звертаються, залишаючись на ній навколо загального центру мас. Якщо три тіла розташовані в вершинах рівностороннього трикутника, то вони обертаються навколо загального центру мас так, що трикутник залишається весь час рівностороннім.

Якби в нашій Сонячній системі було всього три тіла: Сонце, Земля і двійник Землі в протифазі, то відповідно до рішення Лагранжа система була б стійкою. Але оскільки в Сонячній системі небесних тіл значно більше трьох, то несиметричні обурення планетних орбіт неминуче приведуть до порушень конфігурації системи і порушення стійкості планетних орбіт.

Як ми зараз розуміємо, двійника Землі, що знаходиться в протифазі, бути не може (хоча повідомлення про існування двійника Землі періодично з'являються в `` бульварної '' пресі).

Але, тим не менш, у всіх 5 точках Лагранжа, порахованих для системи `` Земля-Сонце і третє тіло '', виявлені скупчення пилу і газу.

Література: П.І.Бакулін, Е.В.Кононовіч, В.І.Мороз `` Курс загальної астрономії '', М., 1977, Ч.Альвен, Г.Арреніус `` Еволюція Сонячної системи '', М., 1979, А.Д.Брюно `` Обмежена завдання трьох тіл '', М., 1990..

2.6 Обертання Землі навколо своєї осі

Чому Земля обертається навколо своєї осі, а не безладно? Відповідь: Земля обертається по інерції. Якби Земля мала форму кулі, однорідного або що складається з сферичних шарів рівної щільності, і була б абсолютно твердим тілом, то напрямок осі і період її обертання не змінювалися б. Оскільки Земля сплюснута з полюсів, і її вісь обертання не перпендикулярна до площини руху Землі навколо Сонця, то з боку Сонця і Місяця на Землю діє пара сил, яка веде до прецесії і нутації земної осі. В результаті прецесії земна вісь, залишаючись весь час нахиленою до площини руху Землі під кутом близько 66 градусів 34 хвилини, повільно описує навколо осі екліптики конус з періодом близько 26000 років. В результаті нутації вісь обертання Землі здійснює різні дрібні коливання біля свого середнього положення. Найголовніше нутационнимі коливання має період в 18,6 року. Строго кажучи, на Землю діють і інші планети, змінюючи положення в просторі площини земної орбіти, що зміщує точку весняного рівнодення на схід на 0,114 секунди в рік.

Прецесію і нутацію можна спостерігати на прикладі обертання звичайного дзиги або шестерінки від годин.

Література: Д.В.Сівухін `` Загальний курс фізики '', т.1, М., Наука, 1989, параграф 50, П.І.Бакулін, Е.В.Кононовіч, В.І.Мороз `` Курс загальної астрономії '', М., Наука, 1983, параграф 72.