Астрономия 10 11 класс кратко к экзамену

1) Солнечная система: планеты земной группы и планеты гиганты, малые тела солнечной системы.

2) Звезды: разнообразие у звездных характеристик и их закономерности. Источники энергии звезд.

3) Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звезд.

4) Наша галактика. Другие галактики. Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной.

5) Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной.

Солнечная система: планеты земной группы и планеты гиганты, малые тела солнечной системы

Солнечная система – это часть Млечного пути, а он, в свою очередь, представляет собой спиралевидную галактику, вокруг центра которой вращается Солнце – самый крупный и тяжелый объект Солнечной системы, являющийся ее сердцем. Солнце, в своей системе, имеет восемь планет с их спутниками, множество астероидов, комет и невероятное количество метеорных тел. Планеты Солнечной системы разделяют на два типа:

• первый — земной группы,
• второй — планеты-гиганты.

Строение Солнечной системы оказывает значительное влияние не только на планеты, но и на их спутники, астероиды, кометы и бессчетное количество метеорных элементов, также входящих в ее состав.

Сюда входит Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их характерными особенностями являются небольшой размер и масса. Как правило, в их состав входят металлы и горные породы, благодаря чему они отличаются значительной плотностью. Планеты земной группы расположены к Солнцу ближе других космических тел.

Планеты земной группы

Планеты земной группы — четыре планеты Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Они расположены во внутренней области Солнечной системы, в отличие от планет-гигантов, расположенных во внешней области. Согласно ряду космогонических теорий, в значительной части внесолнечных  планетных систем экзопланеты тоже делятся на твердотельные планеты во внутренних областях и газовые планеты — во внешних.

Планеты земной группы обладают высокой плотностью и состоят преимущественно из силикатов и металлического железа (в отличие от газовых планет и каменно-ледяных карликовых планет, объектов пояса Койпера и облака Оорта). Наибольшая планета земной группы — Земля — более чем в 14 раз уступает по массе наименее массивной газовой планете — Урану, но при этом примерно в 400 раз массивнее наибольшего известного объекта пояса Койпера, [18].

Планеты земной группы состоят главным образом из кислорода, кремния, железа, магния, алюминия и других тяжёлых элементов.

Все планеты земной группы имеют следующее строение:

• В центре  ядро из железа с примесью никеля.
• Мантия состоит из силикатов.

Кора, образовавшаяся в результате частичного плавления мантии и состоящая также из силикатных пород, но обогащённая несовместимыми элементами. Из планет земной группы коры нет у Меркурия, что объясняют её разрушением в результате метеоритной бомбардировки. Земля отличается от других планет земной группы высокой степенью химической дифференциации вещества и широким распространением гранитов в коре [19].

Меркурий

Меркурий — ближайшая к Солнцу планета. На небосводе эту планету очень сложно увидеть: она появляется недалеко от Солнца либо перед его восходом, либо сразу после захода. Применив мощный бинокль или телескоп, можно различить блестящий серп, подобный Луны. Диаметр Меркурия равен 0,4 земного, а масса всего 0,06. Но плотность обеих планет практически равна.

Орбита Меркурия более вытянута, нежели орбиты остальных семи планет. И процесс вытягивания продолжается, правда, очень медленно. Ученые рассчитали, что через 4–5 млрд. лет гравитация Юпитера растянет орбиту до пересечения её с орбитой Венеры.

Маленькая планета облетает Солнце за 88 земных суток со скоростью 48 км/с. Вокруг своей оси она оборачивается за 59 суток. Получается, что один местный день длится две трети года. Среднее удаление от Солнца — 58 млн. км. Меркурий имеет прецессию 260000 лет.

Поверхность Меркурия схожа с Луной. Она усеяна многочисленными кратерами, но частота их не одинакова. Предполагают, что это связано с разным возрастом поверхностного грунта.

Крупнейший кратер — Рембрандт, имеет в поперечнике 716 км. Главное отличие поверхностей Меркурия и Луной в наличии на первом эскарпов. Это зубчатые откосы, растягивающиеся на сотни километров. Они могли появиться в результате сжатия планеты, происходившего по мере её остывания. Считается, что долгое время на планете сохранялась геологическая активность.

Интереснейшая деталь ландшафта планеты – Равнина Жары. Это образование получилось при столкновении с планетой объекта, имевшего в поперечнике около 100 метров. Получилась отметина размером 1300 км.

Температура в дневные периоды достигает 410°С, а в ночные опускается до -162°С. Полярные области более суровы, и мороз там может достигать -210°С.

Меркурий имеет очень разреженную атмосферу – экзосферу. Она существует только за счёт радиоизотопов, вырывающихся из коры, а солнечный ветер непрерывно сдувает их в космос.

Магнитное поле Меркурия в сто раз слабее земного. Направление его соответствует оси вращения планеты, и магнитные полюсы  расположены рядом с географическими полюсами. Возможно ядро планеты жидкое, и это состояние поддерживается приливным эффектом, вызываемым вытянутостью орбиты. Поле имеет достаточную мощность для изменения направления солнечного ветра.

Есть теория, что ядро планеты подогревается Солнцем. От этого внешний край его существует в расплавленном виде. Ещё возможно содержание в ядре примеси лёгкого элемента, например, серы. Смесь её с железом плавится при температурах более низких, чем железо в чистом виде. Поэтому ядро и не твердеет миллиарды лет.

Венера

Венера, вторая по счёту планета от Солнца удалена от неё на 108 миллионов километров. Она обращается вокруг светила за 225 суток при средней скорости 35 км/с, а на осевой оборот уходит 243 суток. Причём, обращается «утренняя звезда» в направлении, противном обращению большинства планет. Масса её составляет 0,82 от земной, а объём, радиус и плотность примерно одинаковы.

Плотность атмосферы планеты и толщина облачного покрова делают невозможным наблюдение её поверхности с помощью телескопов. Именно поэтому её изучение началось позже, чем, например, Марса.

Атмосферный состав не сложен: 96% углекислого газа и почти 4% азота, плюс минимальные следы аргона, воды и диоксида серы. Приповерхностное давление планеты гигантское – до 93 атмосфер. А температура в 467 °С — больше температуры Меркурия, который намного ближе к Солнцу. Причина такого нагрева кроется в парниковом эффекте, который создаётся за счёт плотной атмосферы.

Ядро планеты (3000 км) состоит из расплавленных железа и никеля, а мантия (3000 – 3300 км) из кремниевых соединений. Кора же, толщиной от 16 до 50 километров, составлена из кремниевых пород, по плотности близких к земным. У Венеры очень слабое магнитное поле.

90% её скопилось до высоты 28 километров, и масса составляет одну треть от массы мирового океана нашей планеты. Азота в атмосфере очень мало, но абсолютное количество его в пять раз больше содержания в земной атмосфере. Плотность атмосферы у поверхности Венеры в 50 раз больше земной. Облачный двадцатикилометровый слой, нижняя кромка которого начинается на высоте 50 километров, состоит в основном из серной кислоты. Вряд ли дождь на этой планете может оказаться животворящим [20].

Только Венера и Меркурий не обзавелись спутниками. Правда, в XXVII – XXVIII веках многие астрономы пытались отыскать спутники Венеры и даже вроде бы их находили, но в итоге эти открытия оказались ошибочными. Есть такой астероид 2002 VE, считающийся квазиспутником. Он со своей спутницей уже 7000 лет, но вскоре её покинет.

Земля

Земля — третья планета Солнечной системы, расположилась между Венерой и Марсом. Главное отличие от планет этой группы – наличие жизни.
Планета находится в 150 млн. км от Солнца, обегая вокруг него за 365,25 суток со скоростью 29,76 км/с. Длина земного экватора около 40000 км, а средний радиус 6371 км. Величайшая высота 8848 м. (г. Джомолунгма), а максимальная глубина -11022 м. (Марианская впадина).

У Земли есть атмосфера, материки, вода и магнитное поле. Планета Земля имеет благоприятный температурный режим и умеренную смену сезонов. Магнитное поле надёжно защищает её от солнечного ветра. Да и само расположение относительно Солнца самое удобное и рациональное. Эти и многие другие факторы способствуют поддержанию жизни на планете. Венера тоже имеет атмосферу, но её параметры с жизнью несовместимы. На Марсе есть вода, но жизни тоже нет. Все условия оптимальны только на нашей планете.

Внутреннее строение Земли достаточно стандартно. Ядро, мантия, кора. Но есть и особенности. Ядро не монолитное, а состоящее из двух компонентов: внешнего, жидкого (2200 км), и внутреннего, твёрдого (1300 км). Внутреннее ядро спрессовано из железа и никеля под давлением в 3 млн. атм. Мантия, имеющая 67% всей планетарной массы, разделяется на нижнюю и верхнюю, твёрдую, которая вместе с корой называется литосферой. Она частично расплавлена и состоит в основном из кремния, железа, магния, алюминия, кислорода и их сочетаний. Толщина коры в разных районах планеты различна. В океанических областях она самая тонкая, а в горных районах наиболее массивная. Основные компоненты земной коры – оксиды алюминия, кремния, щелочных металлов.

Состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). Оставшуюся часть заполняют различные оксиды и твёрдые частицы. Атмосфера создаёт явление умеренного парникового эффекта, не позволяя теплу уходить в открытый космос [21].

Вращение планеты приводит к постоянным течениям в жидком ядре. Вследствие движения электрических зарядов возникает магнитное поле. Оно дипольно, то есть, имеет два полюса.

Луна – единственный спутник Земли. Её параметры занимают не последнее место среди спутников других планет. Радиус Луны составляет 0,27 от земного, а масса всего 0,0123. Среднее расстояние от планеты около 380000 км. Есть гипотеза, что при столкновении Земли с неким небесным телом высвободилось вещество, достаточное для создания Луны. Но возможно, Земля и её спутник зарождались одновременно из одного газопылевого облака, или Земля где-то захватила планету и пристроила как своего спутника.

Марс

Марс —  четвертая по счету планета от Солнца. Уверенно занимает первое место по надеждам, возлагаемым на него желающими отыскать жизнь в космосе. Планета красного цвета из-за окислов железа, которого очень много в песках. Масса планеты в 10 раз меньше Земли. На космическом корабле до Марса можно долететь за 7 месяцев.

Ещё в 19 веке астрономы догадались, что Марс обладает атмосферой. Это определилось в моменты противостояний планеты с Землёй, случающихся каждые 15–17 лет. Открытие породило оптимизм возможной жизни на Марсе, однако все надежды рухнули после определения состава атмосферы и её плотности. Углекислый газ (96%), азот (2,7%), аргон (1,6%) и ничтожные количества кислорода и иных газов не стали благоприятными условиями для развития жизни на планете. Но, тем не менее, облака из углекислого газа и воды, всё же есть. По виду они похожи на земные, перистые, и формами повторяют рельефные контуры [22].

Поскольку даже детальное строение Земли нам ещё не известно, то говорить с уверенностью о строении Марса тоже нельзя. Скорее всего, он также имеет металлическое и жидкое ядро, масса которого составляет до одной десятой от массы планеты, а радиус – до половины радиуса планеты. Между ядром и корой (70 – 100 км) расположена мантия. Она силикатная и содержит много железа, красные окислы которого и определяют цвет марсианской поверхности. Марс – планета остывающая, поэтому её кора находится в неподвижном состоянии, марсотрясения и геологические разломы остались далеко в прошлом.

У Марса 2 спутника: Фобос и Деймос. С Земли видны только в очень мощный телескоп. Они представляются в виде двух точек, бледных на фоне яркого диска Марса. По форме и структуре это два огромных камня, состоящих из того же вещества, что и метеориты.

По сравнению с земной, атмосфера Марса разреженнее, давление её у поверхности в 160 раз меньше. Температура в среднем здесь -40 °С. Летом поверхность красной планеты может прогреваться до +20 °С, а зимними ночами падать до –125 °С.

Марс имеет и оазисы. Земля Ноя, например, обладает районом с температурной амплитудой от –53 °С до +22 °С летом и от –103 °С до –43 °С зимой. Такие параметры вполне сравнимы с нашими, антарктическими.

Пылевые бури. Вследствие резких перепадов температур возникают сильные ветры. Поскольку сила тяжести на планете невелика, в воздух поднимаются миллионы тонн песка. Обширнейшие области оказываются в плену пылевых бурь. Наиболее часто эти бури возникают вблизи полярных шапок.

Пылевые вихри. Походят  на земные, но в десятки раз больше по размерам. Поднимают много пыли и песка в воздух. Такой вихрь очистил солнечные батареи марсохода в 2005 году.

Водяной пар. Воды на Марсе очень мало, но низкое давлении помогает ей собираться в облака. Конечно, они отличаются от земных своей невыразительностью. Над низинными местами вполне могут собираться туманы, и даже вероятно выпадение снега.

Времена года. Земля и Марс во многом схожи. Марсианские сутки всего на 40 минут больше земных. Обе планеты имеют практически одинаковый наклон оси вращения (Земля 23,5°, Марс 25,2°), вследствие чего на Марсе тоже происходит смена сезонов. Это выражается в изменении полярных марсианских шапок. Северная шапка уменьшается в летний период на треть, а южная теряет почти половину.

Олимп. Не случайно этот недействующий вулкан получил такое значимое имя. При диаметре основания в 600 километров он имеет высоту 27 километров. Это почти в три раза выше земного Эвереста. Считается самой большой горой в Солнечной системе.

Огромная площадь, которую занимает основание вулкана, не позволяет увидеть его полностью с поверхности планеты. Диаметр Марса меньше земного вдвое, и поэтому горизонт получается более низким.

Планеты-гиганты

Вторая группа планет называется «планеты-гиганты». К ним относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, которые намного превышают массу планет земной группы.

Планеты-гиганты являются планетами газовыми и имеют большие размеры и массы, но более низкую среднюю плотность, в отличие от каменных планет. Также являются планетами с более мощными атмосферами и быстрым вращением. Помимо этих отличий имеют еще одно, такое как наличие колец и большого количества спутников.

Юпитер

Газовый гигант Юпитер — пятый по счету в Солнечной системе, является самой большой планетой. Он расположился между Марсом и Сатурном.

Размеры планеты уступают только солнечным. Радиус по экватору в 11 раз больше земного радиуса. Масса в два с лишним раза больше массы всех планет солнечной системы вместе взятых, и в 318 раз планета массивнее Земли. На один оборот вокруг Солнца у Юпитера уходит почти 12 лет при скорости около 13 км/с. Вокруг своей оси планета обращается гораздо быстрее, нежели Земля. Одни сутки тут длятся около 10 часов.

Юпитер — поистине украшение нашей солнечной системы. Тёмной ночью ярчайшая жемчужина восходит на востоке, придавая особенный шарм звёздному небу. По яркости планета немного уступает только Венере. Ещё в древности яркое око планеты восхищало и поражало людей. Не случайно и названа она была именем древнеримского верховного бога-громовержца.

Атмосфера Юпитера кардинально отличается от земной. Она большей частью состоит из водорода (около 89%) и гелия (около 11%). Но имеются малые примеси метана, аммиака, ацетилена и водных паров. Если взглянуть на планету сквозь линзы телескопа, то станет видно, что атмосфера её есть сочетание параллельных полос различного цвета – красного, белого, жёлтого, синего. Тёмные пояса и светлые зоны – это цветные облака в верхних атмосферных слоях [23].

Отличительная особенность Юпитера – наличие пятен. Установлено, что это гигантские вихри, которые могут длиться недели, месяцы и годы. Одно из таких пятен имеет размеры в поперечнике 15 000 километров. Самое знаменитое — Большое Красное Пятно. Оно было замечено ещё в 1664 году французским астрономом Кассини. За эти сотни лет оно практически не переместилось и почти не изменилось по форме и размерам.

Также как Сатурн и Уран, Юпитер обзавёлся кольцами. Но его система колец достаточно слабая. Они состоят в основном из пыли и газа. Система колец имеет четыре компонента. Толстый тор из мелких частиц. Яркое, очень тонкое «Главное кольцо» и два более широких, «паутинных кольца». Окрас колец в видимой части спектра красноватый, а у первого – синий.

Поскольку Юпитер – газовая планета, то поверхности, как мы это понимаем, она не имеет. Вероятно, что в центре газового гиганта есть очень плотное ядро. Оно спрессовано под огромным давлением 30 – 100 миллионов атмосфер. И температура ядра тоже впечатляет – около 30 000 °С.

На стокилометровой глубине находится океан из этого жидкого водорода. А ниже 17 000 километров водород сжимается с такой силой, что приобретает свойства металла. Это состояние позволяет водороду проводить электричество, создавая вокруг планеты магнитное поле. Размеры магнитного поля огромны, оно растягивается на 650 миллионов километров и немного захватывает орбиту Сатурна. Поле имеет вытянутую форму, и в сторону Солнца оно в 40 раз меньше.

К 2009 году было выявлено 63 спутника Юпитера. Наиболее известны так называемые галилеевы спутники, впервые обнаруженные учёным в 1610 году. Это Ганимед, Каллисто, Европа и Ио. Ганимед по размерам превосходит Меркурий, а Каллисто, практически равный ему, имеет тёмную поверхность, испещрённую кратерами. Европа окована ледяным панцирем стокилометровой толщины. Из-за этого она отражает свет также ярко, как Венера. Самый живописный спутник – это Ио. Он имеет оттенки жёлтого, чёрного и красного цветов. Это связано с активной вулканической деятельностью, от действия которой фонтаны серы извергаются на высоту 200 километров над поверхностью.

Сатурн

Сатурн, если считать по удалённости от Солнца, является шестой планетой, а если по величине, то второй. Это газовый гигант, масса которого превосходит массу Земли в 95 раз. Он имеет самую низкую плотность из всех планет и даже меньшую, чем у воды. Планета Сатурн, является, пожалуй, одной из самых красивых и загадочных. Её вид поражает и манит. Сказочные кольца создают ощущение чего – то необычного, благодаря им, его невозможно спутать с другой планетой, он единственный в своём роде.

Название планеты  происходит от имени Бога Кроноса, который повелевал могучими титанами в греческой мифологии. Планета получила данное название, благодаря своим гигантским размерам и необычному виду.

В атмосфере Сатурна бушуют сильные ветра. Их скорость настолько велика, что составляет около 500 км/ч, а порой, достигает и 1500 км/ч. Согласитесь, довольно неприятное явление, но с Земли (если смотреть в телескоп) они выглядят очень красиво. На планете бушуют настоящие циклоны, самым большим из которых является Большой белый овал. Он получил это название за внешний вид, и представляет из себя мощнейший антициклон, систематически появляющийся на поверхности примерно один раз в тридцать лет. Размеры его просто гигантские, и составляют около 17 тысяч километров.

Атмосфера планеты стоит в основном из водорода и гелия, имеется совсем немного азота. В верхних слоях наблюдаются аммиачные облака.
Имеются и такие образования, как пятна. Правда они не так заметны, как, например, у Юпитера, но всё — таки, некоторые довольно большие и достигают около 11 тыс. км. То есть, довольно внушительны. Есть и светлые пятна, они намного меньше, всего около 3 тыс. км, а так же, коричневые, размеры которых составляют 10 тыс. км.

Имеются и полосы, которые, как предполагают учёные, появились от перепада температур. Их довольно много и именно в центре полос дуют самые мощнейшие ветра.

В верхних слоях атмосферы очень холодно. Температура колеблется от –180 °С до –150 °С.  Хоть это и страшный холод, но, если бы внутри планеты не было ядра, обогревающего и дающего тепло, то температура атмосферы была бы заметно ниже, ведь Солнце же далеко.

Внутреннее строение очень схоже с таковым у Юпитера. Ученые предполагают, что в центре планеты находится большое силикатно-металлическое ядро. Так, на глубине около 30 000 км. температура составляет 10000 °С, а давление около 3 млн. атмосфер. В самом ядре, давление ещё более высокое, так же как и температура. В нём и находится источник тепла, согревающий всю планету. Сатурн выделяет больше тепла, чем получает от Солнца.

Ядро окружено водородом, находящимся в металлическом состоянии, а над ним, уже ближе к поверхности, слой жидкого молекулярного водорода, переходящего в свою газовую фазу, примыкающую к атмосфере. Магнитное поле планеты имеет уникальную особенность, которая заключается в совпадении с осью вращения планеты. У магнитосферы Сатурна симметричный вид, но радиационные полюса правильной формы и имеют пустоты.

У Сатурна всего 61 спутник. Они имеют различную форму, но в большинстве своём они малых размеров. В основном представляют из себя ледяное образование и только некоторые имеют примеси горных пород. Названия многих спутников произошли от имён титанов, и их потомков, так как само название планеты происходит от Кроноса, который повелевал ими.

Уран

Уран — седьмая по счету планета Солнечной системы. Находясь на удалении в 2,8 млрд. км от светила, эта планета является газовым гигантом. Имея радиус экватора 26,6 тыс. км, а массу в 14,6 раза больше земной, Уран мчится по почти круговой орбите, развивая скорость 6,8 км/с. Плотность планеты в 4,4 раза меньше плотности Земли. Оборот вокруг оси Уран совершает за 17 часов. Но удалённые от экватора области оборачиваются за 14 часов. Получается, что газовая структура поверхности не является единым целым. Она следует своим законам, представляя собой неуправляемую массу.

Мельчайшие кристаллы метана в верхних слоях атмосферы придают планете зеленоватый оттенок. Нижние состоят из жидких водорода (83%) и гелия (15%). Под атмосферой жидкая, очень плотная аммиачно-водная мантия.

Точно неизвестно, есть ли у Урана твердое ядро, Большинство ученых полагает, что ядро все-таки имеется, и состоит оно из кремния и металлов.
Колец у Урана 13. Их не сравнить с великолепными кольцами Сатурна, и имеют они тёмные цвета, поэтому практически невидимы. Открытие их произошло в 1977 году по косвенным признакам – они перекрывали свечение наблюдаемых звёзд.

Кольца не все одинаковы. Средние 11 имеют почти чёрный цвет, а крайние выгодно отличаются от них. Внешнее колечко окрашено в синий колер, а внутреннее в красный. Состоят кольца из каменистых частичек, мельчайших и размерами в несколько метров. Ширина колец от 1 до 10 км, и лишь самое широкое, внешнее, распухло до 96 километров.

Всего спутников 27, основными считаются 5. Их состав: лёд (состоящий из аммиака, углекислого газа и метана), перемешанный с горными породами. А обращаются спутники вокруг своего хозяина, повернувшись к нему одной стороной, подобно нашей Луне.

Нептун

Нептун — восьмая планета Солнечной системы. Он занимает третье место по массе, но четвёртое по размерам. Земля легче его в 17 раз, а диаметр нашей планеты меньше в четыре раза.

Газовая сфера, сжатая у полюсов, в диаметре почти 50000 км. Пробегая по орбите со скоростью 5,43 км/с, Нептун завершает облёт Солнца за 164,8 года.

А вот сутки тут составляют 6 часов и 6 минут. Планета имеет осевой наклон 28°32′, а от Солнца удалена почти на 30 а. е.

В центре покоится ядро, окружённое мантией. А та упакована в плотный атмосферный кокон.

Ядро твёрдое, массой сопоставимо с Землёй. Оно железно-никелевое с добавками горных пород. Сжато ядро с силой в 7 млн. атмосфер при температуре 5200°C.

Мантия. Жидкая смесь аммиака, метана и воды. Её сжатие около 100 тыс. атмосфер, а нагрев от 1700°C до 4700°C.

Атмосфера. Состоит из 82% водорода и 17% гелия. Остальное – метан, который и создаёт сочный синий цвет планеты. Чем выше от поверхности, тем меньше давление и ниже температура. В тропопаузе давление падает до 0,1 бар, а температура до – 220°C. Поистине, планета Нептун – синее царство холода.

Выше, в стратосфере, температура растёт, достигая 475°C. Верхние слои атмосферы в непрерывном движении. В экваториальных районах метановые облака развивают скорость больше 2000 км/ч. С приближением к полюсам скорость падает. Облачная масса движется против направления вращения Нептуна.

Ураганы. Вопреки ожиданиям малоподвижности атмосферы, планета предстала царством ураганов. Огромные атмосферные вихри достигают 5000 км в поперечнике. Они выделяются на светло-синем фоне овалами тонов, более тёмных. Ураганы тут длятся месяцами и даже годами.

Большое тёмное пятно. Это самый известный из наблюдаемых ураганов. Его размеры 13000х6600 км. Громадный вихрь продвигался к западу, имея скорость 300 м/с, и наблюдался пять лет. Потом он либо оказался закрытым облачной массой, либо закончился.

Продолжение статьи

Лекция №1. Основные этапы
развития астрономии.

1. История развития астрономии

2. Практическое значение астрономии и связь её с другими
науками

3. Значение астрономии для практической деятельности человека

1. Астрономия
является одной из древнейших наук. Первые записи астрономических наблюдений,
подлинность которых несомненна, относятся к VIII в. до н.э. Однако известно,
что еще за 3 тысячи лет до н. э. египетские жрецы подметили, что разливы
Нила, регулировавшие экономическую жизнь страны, наступали вскоре после того, как
перед восходом Солнца на востоке появлялась самая яркая из звезд, Сириус,
скрывавшаяся до этого около двух месяцев в лучах Солнца. Из этих наблюдений
египетские жрецы довольно точно определили продолжительность тропического
года.

В
Древнем Китае за 2 тысячи лет до н.э. видимые движения Солнца и Луны были настолько
хорошо изучены, что китайские астрономы могли предсказывать наступление
солнечных и лунных затмений.
Астрономия, как и все другие науки, возникла из
практических потребностей
человека. Кочевым племенам первобытного общества нужно
было ориентироваться при
своих странствиях, и они научились это делать по Солнцу,
Луне и звездам.

Первобытный
земледелец должен был при полевых работах учитывать наступление различных
сезонов года, и он заметил, что смена времен года связана с полуденной высотой
Солнца, с появлением па ночном небе определенных звезд. Дальнейшее развитие
человеческого общества вызвало потребность в измерении времени и в летосчислении
(составлении календарей).

Все
это могли дать и давали наблюдения над движением небесных светил, которые велись в
начале без всяких инструментов, были не очень точными, но вполне удовлетворяли
практические нужды того времени. Из таких наблюдений и возникла паука о
небесных телах — астрономия.

Астрономия
— наука о Вселенной, изучающая движение, строение, происхождение и развитие
небесных тел и их систем.

Астрономия
изучает Солнце и звезды, планеты и их спутники, кометы и метеорные тела,
туманности, звездные системы и материю, заполняющую пространство между звездами
и планетами, в каком бы состоянии эта материя ни находилась. Изучая строение и
развитие небесных тел, их положение и движение в пространстве, астрономия в
конечном итоге дает нам представление о строении и развитии Вселенной в целом.
Слово «астрономия» происходит от двух греческих слов:
«астрон» — звезда, светило и «номос» — закон.
При изучении небесных тел астрономия ставит перед собой три основные задачи,
требующие последовательного решения:

1.
Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в
пространстве, определение их размеров и формы.

2.
Изучение физического строения небесных тел, т.е. исследование химического
состава и физических условий (плотности, температуры и т.п.) на поверхности и в
недрах небесных тел.

3.
Решение проблем происхождения и развития, т.е. возможной дальнейшей судьбы
отдельных небесных тел и их систем.

Вопросы
первой задачи решаются путем длительных наблюдений, начатых еще в глубокой древности,
а также на основе законов механики, известных уже около 300 лет. Поэтому в этой
области астрономии мы располагаем наиболее богатой информацией, особенно для
небесных тел, сравнительно близких к Земле. О физическом строении небесных тел
мы знаем гораздо меньше. Решение некоторых вопросов, принадлежащих второй
задаче, впервые стало возможным немногим более ста лет назад, а основных
проблем — лишь в последние годы.

Третья
задача сложнее двух предыдущих. Для решения ее проблем накопленного наблюдательного
материала пока еще далеко не достаточно, и наши знания в этой области
астрономии ограничиваются только общими соображениями и рядом более или менее
правдоподобных гипотез.

Разделы астрономии 

Современная
астрономия подразделяется на ряд отдельных разделов, которые тесно связаны
между собой, и такое разделение астрономии, в известном смысле, условно.
Главнейшими разделами астрономии являются:

1. Астрометрия —
наука об измерении пространства и времени.

Она
состоит из:

а)
сферической астрономии, разрабатывающей математические методы определения
видимых положений и движений небесных тел с помощью различных систем координат,
а также теорию закономерных изменений координат светил со временем;

б)
фундаментальной астрометрии, задачами которой являются определение координат
небесных тел из наблюдений, составление каталогов звездных положений и
определение числовых значений важнейших астрономических постоянных, т.е.
величин, позволяющих учитывать закономерные изменения координат светил;

в)
практической астрономии, в которой излагаются методы определения географических
координат, азимутов направлений, точного времени и описываются применяемые при
этом инструменты.

2. Теоретическая
астрономия дает методы для определения орбит небесных тел по их видимым
положениям и методы вычисления эфемерид (видимых положений) небесных тел по
известным элементам их орбит (обратная задача).

3.
Небесная механика изучает законы движений небесных тел под действием
сил всемирного тяготения, определяет массы и форму небесных тел и устойчивость
их систем.

Эти
три раздела в основном решают первую задачу астрономии, и их часто называют
классической астрономией.

4. Астрофизика изучает
строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Она
делится на: а) практическую астрофизику, в которой разрабатываются и
применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие
инструменты и приборы; б) теоретическую астрофизику, в которой на основании
законов физики даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям. Ряд разделов
астрофизики выделяется по специфическим методам исследования.

5. Звездная
астрономия изучает закономерности пространственного распределения и
движения звезд, звездных систем и межзвездной материи с учетом их физических
особенностей.

В
этих двух разделах в основном решаются вопросы второй задачи астрономии.

6.
Космогония рассматривает вопросы происхождения и эволюции небесных
тел, в том числе и нашей Земли.

7. Космология изучает
общие закономерности строения и развития Вселенной.

На
основании всех полученных знаний о небесных телах последние два раздела
астрономии решают ее третью задачу. 

Основные этапы развития астрономии 

Астрономия
является одной из древнейших наук. Первые записи астрономических наблюдений,
подлинность которых несомненна, относятся к VIII в. до н.э. Однако известно,
что еще за 3 тысячи лет до н. э. египетские жрецы подметили, что разливы Нила,
регулировавшие экономическую жизнь страны, наступали вскоре после того, как
перед восходом Солнца на востоке появлялась самая яркая из звезд, Сириус,
скрывавшаяся до этого около двух месяцев в лучах Солнца. Из этих наблюдений
египетские жрецы довольно точно определили продолжительность тропического года.

В
Древнем Китае за 2 тысячи лет до н.э. видимые движения Солнца и Луны были
настолько хорошо изучены, что китайские астрономы могли предсказывать
наступление солнечных и лунных затмений.

Астрономия,
как и все другие науки, возникла из практических потребностей человека. Кочевым
племенам первобытного общества нужно было ориентироваться при своих
странствиях, и они научились это делать по Солнцу, Луне и звездам. Первобытный
земледелец должен был при полевых работах учитывать наступление различных
сезонов года, и он заметил, что смена времен года связана с полуденной высотой
Солнца, с появлением па ночном небе определенных звезд. Дальнейшее развитие
человеческого общества вызвало потребность в измерении времени и в
летосчислении (составлении календарей).

Все
это могли дать и давали наблюдения над движением небесных светил, которые
велись в начале без всяких инструментов, были не очень точными, но вполне
удовлетворяли практические нужды того времени. Из таких наблюдений и возникла
паука о небесных телах — астрономия.

С
развитием человеческого общества перед астрономией выдвигались все новые и
новые задачи, для решения которых нужны были более совершенные способы
наблюдений и более точные методы расчетов. Постепенно стали создаваться
простейшие астрономические инструменты и разрабатываться математические методы
обработки наблюдений.

В
Древней Греции астрономия была уже одной из наиболее развитых наук. Для
объяснения видимых движений планет греческие астрономы, крупнейший из них
Гиппарх (II в. до н.э.), создали геометрическую теорию эпициклов, которая легла
в основу геоцентрической системы мира Птолемея (II в. н.э.). Будучи
принципиально неверной, система Птолемея тем не менее позволяла предвычислять
приближенные положения планет на небе и потому удовлетворяла, до известной
степени, практическим запросам в течение нескольких веков.

Системой
мира Птолемея завершается этап развития древнегреческой астрономии. Развитие
феодализма и распространение христианской религии повлекли за собой
значительный упадок естественных наук, и развитие астрономии в Европе
затормозилось на многие столетия. В эпоху мрачного средневековья астрономы
занимались лишь наблюдениями видимых движений планет и согласованием этих
наблюдений с принятой геоцентрической системой Птолемея.

Рациональное
развитие в этот период астрономия получила лишь у арабов и народов Средней Азии
и Кавказа, в трудах выдающихся астрономов того времени — Аль-Баттани (850-929
гг.), Бируни (973-1048 гг.), Улугбека (1394-1449 гг.) и др. В период
возникновения и становления капитализма в Европе, который пришел на смену
феодальному обществу, началось дальнейшее развитие астрономии. Особенно быстро
она развивалась в эпоху великих географических открытий (XV-XVI вв.).
Нарождавшийся новый класс буржуазии был заинтересован в эксплуатации новых
земель и снаряжал многочисленные экспедиции для их открытия. Но далекие
путешествия через океан требовали более точных и более простых методов
ориентировки и исчисления времени, чем те, которые могла обеспечить система
Птолемея. Развитие торговли и мореплавания настоятельно требовало
совершенствования астрономических знаний и, в частности, теории движения
планет. Развитие производительных сил и требования практики, с одной стороны, и
накопленный наблюдательный материал, — с другой, подготовили почву для
революции в астрономии, которую и произвел великий польский ученый Николай
Коперник (1473-1543), разработавший свою гелиоцентрическую систему мира,
опубликованную в год его смерти.

Учение
Коперника явилось началом нового этапа в развитии астрономии. Кеплером в
1609-1618 гг. были открыты законы движений планет, а в 1687 г. Ньютон
опубликовал закон всемирного тяготения.

Новая
астрономия получила возможность изучать не только видимые, но и действительные
движения небесных тел. Ее многочисленные и блестящие успехи в этой области
увенчались в середине XIX в. открытием планеты Нептун, а в наше время —
расчетом орбит искусственных небесных тел.

Следующий,
очень важный этап в развитии астрономии начался сравнительно недавно, с
середины XIX в., когда возник спектральный анализ и стала применяться
фотография в астрономии. Эти методы дали возможность астрономам начать изучение
физической природы небесных тел и значительно расширить границы исследуемого
пространства. Возникла астрофизика, получившая особенно большое развитие в XX
в. и продолжающая бурно развиваться в наши дни. В 40-х гг. XX в. стала
развиваться радиоастрономия, а в 1957 г. было положено начало качественно новым
методам исследований, основанным на использовании искусственных небесных тел,
что в дальнейшем привело к возникновению фактически нового раздела астрофизики
— рентгеновской астрономии.

Значение
этих достижений астрономии трудно переоценить. Запуск искусственных спутников
Земли. (1957 г., СССР), космических станций (1959 г., СССР), первые полеты
человека в космос (1961 г., СССР), первая высадка людей на Луну (1969 г., США),
— эпохальные события для всего человечества. За ними последовали доставка на
Землю лунного грунта, посадка спускаемых аппаратов на поверхности Венеры и
Марса, посылка автоматических межпланетных станций к более далеким планетам
Солнечной системы.

Об
отдельных, наиболее важных достижениях современной астрономии рассказано в
соответствующих главах учебника.

Значение астрономии 

Астрономия
и ее методы имеют большое значение в жизни современного общества. Вопросы,
связанные с измерением времени и обеспечением человечества знанием точного
времени, решаются теперь специальными лабораториями — службами времени,
организованными, как правило, при астрономических учреждениях.

Астрономические
методы ориентировки наряду с другими по-прежнему широко применяются в
мореплавании и в авиации, а в последние годы — и в космонавтике. Вычисление и
составление календаря, который широко применяется в народном хозяйстве, также
основаны на астрономических знаниях.

Составление
географических и топографических карт, предвычисление наступлений морских
приливов и отливов, определение силы тяжести в различных точках земной
поверхности с целью обнаружения залежей полезных ископаемых — все это в своей
основе имеет астрономические методы.

Исследования
процессов, происходящих на различных небесных телах, позволяют астрономам
изучать материю в таких ее состояниях, какие еще не достигнуты в земных
лабораторных условиях. Поэтому астрономия, и в частности астрофизика, тесно
связанная с физикой, химией, математикой, способствует развитию последних, а
они, как известно, являются основой всей современной техники. Достаточно
сказать, что вопрос о роли внутриатомной энергии впервые был поставлен
астрофизиками, а величайшее достижение современной техники — создание
искусственных небесных тел (спутников, космических станций а кораблей) вообще
было бы немыслимо без астрономических знаний.

Астрономия
имеет исключительно большое значение в борьбе против идеализма, религии,
мистики и поповщины. Ее роль в формировании правильного диалектик-материалистического
мировоззрения огромна, ибо именно она определяет положение Земли, а вместе с
ней и человека в окружающем нас мире, во Вселенной. Сами наблюдения небесных
явлений не дают нам оснований непосредственно обнаружить их истинные причины. При
отсутствии научных знаний это приводит к неверному их объяснению, к суевериям,
мистике, к обожествлению самих явлений и отдельных небесных тел. Так, например,
в древности Солнце, Луна и планеты считались божествами, и им поклонялись. В
основе всех религий и всего мировоззрения лежало представление о центральном
положении Земли и ее неподвижности. Много суеверий у людей было связано (да и
теперь еще не все освободились от них) с солнечными и лунными затмениями, с
появлением комет, с явлением метеоров и болидов, падением метеоритов и т.д.
Так, например, кометы считались вестниками различных бедствий, постигающих
человечество на Земле (пожары, эпидемии болезней, войны), метеоры принимали за
души умерших людей, улетающие на небо, и т.д.

Астрономия,
изучая небесные явления, исследуя природу, строение и развитие небесных тел,
доказывает материальность Вселенной, ее естественное, закономерное развитие во
времени и пространстве без вмешательства каких бы то ни было сверхъестественных
сил.

История
астрономии показывает, что она была и остается ареной ожесточенной борьбы
материалистического и идеалистического мировоззрений. В настоящее время многие
простые вопросы и явления уже не определяют и не вызывают борьбы этих двух
основных мировоззрений. Теперь борьба между материалистической и
идеалистической философиями идет в области более сложных вопросов, более
сложных проблем. Она касается основных взглядов на строение материи и
Вселенной, на возникновение, развитие и дальнейшую судьбу как отдельных частей,
так и всей Вселенной в целом.

Астрономические исследования Основа
астрономии — наблюдения. Наблюдения доставляют нам основные факты, которые
позволяют объяснить то или иное астрономическое явление. Дело в том, что для
объяснения многих астрономических явлений необходимы тщательные измерения и
расчеты, которые помогают выяснению действительных, истинных обстоятельств,
вызвавших эти явления. Так, например, нам кажется, что все небесные тела
находятся от нас на одинаковом расстоянии, что Земля неподвижна и находится в
центре Вселенной, что все светила вращаются вокруг Земли, что размеры Солнца и
Луны одинаковы и т.д. Только тщательные измерения и их глубокий анализ помогают
отрешиться от этих ложных представлений.

Основным
источником сведений о небесных телах являются электромагнитные волны, которые
либо излучаются, либо отражаются этими телами. Определение направлений, по
которым электромагнитные волны достигают Земли, позволяет изучать видимые
положения и движение небесных тел. Спектральный анализ электромагнитного излучения
дает возможность судить о физическом состоянии этих тел.

Особенностью
астрономических исследований является также и то, что до последнего времени у
астрономов отсутствовала возможность постановки опыта, эксперимента (если не
считать исследований упавших на Землю метеоритов и радиолокационных
наблюдений), и все астрономические наблюдения производились только с
поверхности Земли.

Однако
с запуском первого искусственного спутника Земли в нашей стране в 1957 г.
началась эра космических исследований, что позволило применить в астрономии
методы других наук (геологии, геохимии, биологии и т.п.). Астрономия продолжает
оставаться наблюдательной наукой, но недалек тот день, когда астрономические
наблюдения будут производиться не только с межпланетных станций и орбитальных
обсерваторий, но и с поверхности Луны или других планет.

Тема 2 — Практические основы астрономии

1. Созвездия

Знакомиться
со звездным небом надо в безоблачную ночь, когда свет Луны не мешает наблюдать
слабые звезды. Прекрасна картина ночного неба с рассыпанными по нему мерцающими
звездами. Число их кажется бесконечным. Но так только кажется, пока вы не
приглядитесь и не научитесь находить на небе знакомые группы звезд, неизменных
по своему взаимному расположению. Эти группы, названные созвездия-м и, люди
выделили тысячи лет назад. Под созвездием понимают область неба в
пределах некоторых установленных границ. Все небо разделено на 88
созвездий, которые можно находить по характерному для них расположению звезд.

Многие
созвездия сохраняют свое название с глубокой древности. Некоторые названия
связаны с греческой мифологией, например Андромеда, Персей, Пегас,
некоторые — с предметами, которые напоминают фигуры, образуемые яркими звездами
созвездий: Стрела, Треугольник, Весы и
др. Есть созвездия, названные именами животных, например Лев, Рак, Скорпион.

Созвездия
на небосводе находят, мысленно соединяя их ярчайшие звезды прямы

ми
линиями в некоторую фигуру, как показано на звездных В каждом созвездии яркие
звезды издавна обозначали греческими буквами^*, чаще всего самую
яркую звезду созвездия — буквой α, затем буквами β, γ и т. д. в порядке
алфавита по мере убывания яркости; например, Полярная звезда есть
а созвездия Малой Медведицы.

^* (Греческий алфавит дан в приложении
II. )

На
рисунках 6 и 7 показаны расположение главных звезд Большой Медведицы и фигура
этого созвездия, как его изображали на старинных звездных картах (способ
нахождения Полярной звезды знаком вам из курса географии).

Рис. 6. Фигура созвездия Большой Медведицы (со старинной звездной карты), его
современные границы указаны пунктиром

Рис. 7. Созвездия Большой и Малой Медведицы и изменение их положения
относительно горизонта при суточном вращении неба

Невооруженным
глазом в безлунную ночь можно видеть над горизонтом около 3000 звезд. В
настоящее время астрономы определили точное местоположение нескольких миллионов
звезд, измерили приходящие от них потоки энергии и составили списки-каталоги
этих звезд.

2. Видимая яркость и цвет звезд

Днем
небо кажется голубым оттого, что неоднородности воздушной среды сильнее всего
рассеивают голубые лучи солнечного света.

Вне
пределов земной атмосферы небо всегда черное, и на нем можно наблюдать звезды и
Солнце одновременно.

Звезды
имеют разную яркость и цвет: белый, желтый, красноватый. Чем краснее звезда,
тем она холоднее. Наше Солнце относится к желтым звездам.

Ярким
звездам древние арабы дали собственные имена. Белые звезды: Вега в созвездии
Лиры, Альтаир в созвездии Орла (видны летом и осенью), Сириус —
ярчайшая звезда неба (видна зимой); красные звезды: Бетельгейзе в
созвездии Ориона и Альдебаран в созвездии
Тельца (видны зимой), Антарес в созвездии Скорпиона (виден
летом); желтая Капелла в созвездии Возничего (видна зимой)^*.

Самые
яркие звезды еще в древности назвали звездами 1-й величины, а самые слабые,
видимые на пределе зрения,- звездами 6-й величины. Эта старинная терминология
сохранилась и в настоящее время. К истинным размерам звезд термин
«звездная величина» (обозначается буквой m) отношения не имеет, она
характеризует световой поток, приходящий на Землю от звезды. Принято, что при
разности в одну звездную величину видимая яркость звезд отличается примерно в
2,5 раза. Тогда разность в 5 звездных величин соответствует различию в яркости
ровно в 100 раз. Так, звезды 1-й величины в 100 раз ярче звезд б-й величины.
Современные методы наблюдений дают возможность обнаружить звезды примерно до
25-й звездной величины.

Точные
измерения показывают, что звезды имеют как дробные, так и отрицательные
звездные величины, например: для Альдебарана звездная величина m=1,06, для Беги
m=0,14, для Сириуса m= — 1,58, для Солнца m= -26,80.

3. Видимое суточное движение звезд. Небесная Сфера

Из-за
осевого вращения Земли звезды нам кажутся перемещающимися по небу. Если стать
лицом к южной стороне горизонта и наблюдать суточное движение звезд в средних
широтах северного полушария Земли, то можно заметить, что звезды восходят на
восточной стороне горизонта, поднимаются выше всего над южной стороной
горизонта и заходят на западной стороне, т. е. они движутся слева направо, по
ходу часовой стрелки (рис. 8). При внимательном наблюдении можно заметить, что
Полярная звезда почти не меняет положения относительно горизонта. Все же другие
звезды описывают в течение суток полные круги с центром вблизи Полярной. В этом
можно легко убедиться, проделав в безлунную ночь следующий опыт. Фотоаппарат,
установленный на «бесконечность», направим на Полярную звезду и
надежно укрепим в этом положении. Откроем затвор при полностью открытом
объективе на полчаса или час. Проявив полученный таким образом снимок, увидим
на нем концентрические дуги — следы путей звезд (рис. 9). Общий центр этих дуг
— точка, которая остается неподвижной при суточном движении звезд, условно
называется северным полюсом мира. Полярная звезда к нему очень
близка (рис. 10). Диаметрально противоположная ему точка называется южным
полюсом мира. Для наблюдателя северного полушария Земли он находится
под горизонтом.

Рис. 8. При суточном вращении неба звезды в восточной стороне неба перемещаются
вправо и вверх

Рис. 10. Созвездия в окрестности Полярной звезды

Явления
суточного движения звезд удобно изучать, воспользовавшись математическим
построением — небесной сферой, т. е. воображаемой сферой
произвольного радиуса, центр которой находится в точке наблюдения. На
поверхность этой сферы проецируют видимые положения всех светил, а для удобства
измерений строят ряд точек и линий (рис. 11). Так, отвесная линия ZCZ’,
проходящая через наблюдателя, пересекает небо над головой в точке зенита Z.
Диаметрально противоположная точка Z’ называется надиром. Плоскость (NESW),
перпендикулярная отвесной линии ZZ’, является плоскостью горизонта — эта
плоскость касается поверхности земного шара в точке, где расположен наблюдатель
(точка С на рис. 12). Она делит поверхность небесной сферы на две полусферы:
видимую, все точки которой находятся над горизонтом, и невидимую, точки которой
лежат под горизонтом.

Рис. 11. Основные точки и линии небесной сферы

Рис. 12. Соотношение между линиями и плоскостями на небесной сфере и на земном
шаре

Ось
видимого вращения небесной сферы, соединяющую оба полюca мира (Р и Р’) и проходящую
через наблюдателя (С), называют осью мира (рис.
11). Ось мира для любого наблюдателя всегда будет параллельна оси вращения
Земли (рис. 12). На горизонте под северным полюсом мира лежит точка
севера N (см. рис. 11 и 12), диаметрально противоположная ей точка S —
точка юга. Линия NCS называется полуденной линией (рис. 11),
так как вдоль нее на горизонтальной плоскости в полдень падает тень от
вертикально поставленного стержня. (Как на местности провести полуденную линию
и как по ней и по Полярной звезде ориентироваться по сторонам горизонта, вы
изучали в. V классе в курсе физической географии.) Точки востока Е
и запада W лежат на линии горизонта. Они отстоят от точек
севера N и юга S на 90°. Через точку N, полосы мира, зенит Z и точку S
проходит плоскость небесного меридиана (см. рис. 11),
совпадающая для наблюдателя С с плоскостью его географического меридиана (см.
рис. 12). Наконец, плоскость (QWQ’E), проходящая через центр сферы (точку С)
перпендикулярно оси мира, образует плоскость небесного экватора,
параллельную плоскости земного экватора (см. рис. 12). Небесный экватор делит
поверхность небесной сферы на два полушария: северное с
вершиной в северном полюсе мира и южное с вершиной в южном
полюсе мира.

4. Звездные карты и небесные координаты

Чтобы
сделать звездную карту, изображающую созвездия на плоскости, надо знать
координаты звезд. Координаты звезд относительно горизонта, например высота,
хотя и наглядны, но непригодны для составления карт, так как все время
меняются. Надо использовать такую систему координат, которая вращалась бы
вместе со звездным небом. Такой системой координат является экваториальная
система, она так названа потому, что экватор служит той плоскостью, от
которой и в которой производятся отсчеты координат. В этой системе одной
координатой является угловое расстояние светила от небесного экватора,
называемое склонением δ (рис. 13). Оно меняется в пределах
±90° и считается положительным к северу от экватора и отрицательным к югу.
Склонение аналогично географической широте.

Рис. 13. Экваториальные координаты

Вторая
координата аналогична географической долготе и называется прямым
восхождением α.

Прямое
восхождение светила М измеряется углом между плоскостями больших кругов, один проходит через полюсы мира
и данное светило М, а другой — через полюсы мира и точку весеннего
равноденствия , лежащую на
экваторе (см. рис. 13). Так назвали эту точку потому, что в ней Солнце бывает
(на небесной сфере) весной 20-21 марта, когда день равен ночи.

Прямое
восхождение отсчитывают по дуге небесного экватора от точки весеннего
равноденствия против хода часовой стрелки, если смотреть с северного полюса.
Оно изменяется в пределах от 0 до 360° и называется прямым восхождением потому,
что звезды, расположенные на небесном экваторе, восходят (и заходят) в порядке
возрастания их прямого восхождения. Поскольку это явление связано с вращением
Земли, то прямое восхождение принято выражать не в градусах, а в единицах
времени. За 24 ч Земля (а нам кажется, что звезды) совершает один оборот —
360°. Следовательно, 360° соответствуют 24 ч, тогда 15°-1 ч, 1°-4 мин, 15′-1
мин, 15″-1 с. Например, 90° составляют 6 ч, а 7 ч 18 мин — 109°30′.

В
единицах времени прямое восхождение обозначается на координатной сетке звездных
карт, атласов и глобусов, в том числе и на карте, приложенной к учебнику и
«Школьному астрономическому календарю».

Упражнение 1

1.
Что характеризует звездная величина?

2.
Есть ли различие между северным полюсом мира и точкой севера?

3.
Выразите 9 ч 15 мин 11 с в градусной мере.

Рис. 6. Фигура
созвездия Большой Медведицы (со старинной звездной карты), его современные
границы указаны пунктиром

Лекция -3 Конфигурация
планет. Синодический период

1. Конфигурации планет и условия их видимости.

2. Синодический и сидерический
(звездный) периоды обращения планет.

Конфигурация планет и условия их
видимости

Условия видимости планет меняются по-разному: если
Меркурий и Венеру можно видеть только утром или вечером, то остальные — Марс,
Юпитер и Сатурн — бывают видны также и ночью. По временам одна или несколько
планет могут быть вовсе невидны, поскольку они располагаются на небе поблизости
от Солнца. В этом случае говорят, что планета находится в соединении с
Солнцем. Если же планета располагается на небе вблизи точки, диаметрально
противоположной Солнцу, то она находится в противостоянии. В
этом случае планета появляется над горизонтом в то время, когда Солнце заходит,
а заходит она одновременно с восходом Солнца. Следовательно, всю ночь планета
находится над горизонтом.

Соединениеи противостояние, а
также другие характерные расположения планеты относительно Солнца
называются конфигурациями. Внутренние планеты (Меркурий
и Венера), которые всегда находятся внутри земной орбиты, и внешние, которые
движутся вне ее (все остальные планеты), меняют свои конфигурации по-разному.
Названия различных конфигураций внутренних и внешних планет, которые
характеризуют расположение планеты относительно Солнца на небе приведены на рисунке
3.4.

Ясно, что условия видимости
планеты в той или иной конфигурации зависят от ее расположения по отношению к
Солнцу, которое планету освещает, и Земли, с которой мы ее наблюдаем. На
рисунке 3.4 показано, каково при различных конфигурациях взаимное расположение
Земли, планеты и Солнца в пространстве.

Единственной конфигурацией, в
которой может находиться любая планета, независимо от того, внутренняя она или
внешняя, является верхнее соединение. В этом случае она
находится на линии, соединяющей центры Солнца, Земли и планеты, за Солнцем —
«выше» него. Поэтому Солнце, рядом с которым планета находится на небе, не дает
возможности ее увидеть. Если же внутренняя планета расположена на той же линии
между Землей и Солнцем, то происходит ее нижнее соединение с
Солнцем.

Внешняя планета может находиться
на любом угловом расстоянии от Солнца (от 0 до 180°). Когда оно составляет 90°,
то говорят, что планета находится в квадратуре. Для внутренних
планет максимально возможное угловое удаление от Солнца (в элонгации) невелико:
для Венеры — до 48°, а для Меркурия — всего 28°. 

2 Синодический и сидерический периоды
обращения планет

Конфигурации планеты
периодически повторяются.

Промежуток времени между
двумя последовательными одноименными конфигурациями планеты (например, верхними
соединениями) называется ее синодическим периодом.

Еще в глубокой древности, когда
считалось, что планеты обращаются вокруг Земли, для каждой из них на основе
многолетних наблюдений был определен синодический период обращения.

Согласно гелиоцентрической
системе, сама Земля обращается вокруг Солнца с периодом, равным году. Это ее
движение необходимо учитывать, чтобы узнать периоды обращения планет в
невращающейся инерциальной системе отсчета, или, как принято говорить, по
отношению к звездам.

Период обращения планеты
вокруг Солнца по отношению к звездам называется звездным (или сидерическим)
периодом.

Очевидно, что по своей
продолжительности синодический период планеты не совпадает ни с ее сидерическим
периодом, ни с годом, который является звездным периодом обращения Земли.

Рассмотрим, как связан
синодический период планеты со звездными периодами Земли и самой планеты. Пусть
звездный период обращения внешней планеты равен Р, звездный
период Земли — Т, а синодический период — S. Тогда
угловые скорости их движения по орбитам будут равны соответственно 360⁰/P
и 360°/Т. От момента какой-либо конфигурации (например, противостояния) до
следующей такой же конфигурации планета пройдет дугу своей орбиты, равную . За этот же промежуток
времени (за синодический период) Земля пройдет дугу на 360⁰  большую,
которая равна . Тогда:

или 

Почти такой же будет формула для
внутренней планеты:

Следовательно, зная синодический
период планеты, можно вычислить ее звездный период обращения вокруг Солнца. 

Вопросы

1. Что называется
конфигурацией планеты?

2. Какие планеты считаются
внутренними, какие — внешними?

3. В какой конфигурации может
находиться любая планета?

4.Какие планеты могут находиться в противостоянии? Какие — не могут?

5. Назовите планеты, которые
могут наблюдаться рядом с Луной во время ее полнолуния. 

Упражнение 9

1. Нарисуйте, как будут
располагаться на своих орбитах Земля и планета:

   а) Меркурий
— в нижнем соединении; 

б) Венера — в верхнем
соединении; 

в) Юпитер — в
противостоянии; 

г) Сатурн — в верхнем
соединении. 

2. Сравните условия видимости
Марса в положениях, показанных на рисунках 3.4, а и 3.4, б. 

3. Оцените, сколько примерно
времени и когда (утром или вечером) может наблюдаться Венера, если она удалена
к востоку от Солнца на 45°. 

4. Через какой промежуток
времени встречаются на циферблате часов минутная и часовая стрелки? 

5. Звездный период обращения
Юпитера равен 12 годам. Через какой промежуток времени повторяются его
противостояния?

Лекция 4 -Сидерический и
синодический периоды.

Сидерическим (звездным, T)
периодом обращения планеты называется время, за которое планета делает полный
оборот вокруг Солнца (или той планеты, вокруг которой обращается, если речь
идет о спутнике).

Синодический период обращения
планеты (S) – это время между двумя одинаковыми конфигурациями данной планеты.

Чем ближе планета к Солнцу, тем
меньше ее сидерический период. [1]

Рассмотрим две планеты: P₁ и
P₂ такие, что P₁ ближе к Солнце, чем
P₂. Пусть в некоторый момент наступает их соединение. Тогда после
него планета P₁ начнет обгонять P₂, исходя из 1.
Ясно, что P₁проходит за 1 сутки 360/Т₁ (градусов), а
P₂ соответственно 360/Т₂ (градусов). Соединение
повторится, когда P₁ обгонит P₂ на 360˚, значит
поскольку это произойдет за S, то

Преобразовав, получим формулу

1.                 
Закрепление
материала.

Задача 1. Как часто
повторяются противостояния Марса, сидерический период которого 1,9 года?

Дано: Р = 1,9 г.

T = 1 г.

Найти: S = ?

Решение:

Марс – внешняя планета

1/S = 1/Т — 1/Р;

S = T*Р / (Р – T);

S = 1,9/0,9 ≈ 2,1 г.

Ответ: S ≈ 2,1

Задача 2. Упражнение 9. №5.Через
какой промежуток времени встречаются на циферблате часов минутная (Т) и часовая
(Р) стрелки?

Дано: T = 1 ч.

Р = 12 ч.

Найти: S = ?

Решение:

Часовая – медленная (аналог
внешней планеты)

1/S = 1/Т — 1/Р;

S = T*Р / (Р – T);

S = 1*12/(12-11)=12/11 = 1,(09) ч.

Ответ: S ≈ 1,09 ч.

1 . Форма и размеры Земли

Представление
о Земле как о шаре, который свободно, без всякой опоры находится в космическом
пространстве, является одним из величайших достижений науки древнего мира.

Считается,
что первое достаточно точное определение размеров Земли провел греческий ученый
Эратосфен (276 — 194 до н. э.), живший в Египте. Идея, положенная в основу
измерений Эратосфена, весьма проста: измерить длину дуги земного меридиана в
линейных единицах и определить, какую часть полной окружности эта дуга
составляет. Получив эти данные, можно вычислить длину дуги в 1°, а затем длину
окружности и величину ее радиуса, т.е. радиуса земного шара. Очевидно, что
длина дуги меридиана в градусной мере равна разности географических широт двух
пунктов: φ_B – φ_A.

Для
того чтобы определить эту разность, Эратосфен сравнил полуденную высоту Солнца
в один и тот же день в двух городах, находящихся на одном меридиане. Измерив
высоту Солнца h_B (рис. 3.8) в полдень 22 июня в Александрии,
где он жил, Эратосфен установил, что Солнце отстоит от зенита на 7,2°. В этот
день в полдень в городе Сиена (ныне Асуан) Солнце освещает дно самых глубоких
колодцев, т. е. находится в зените h_A. Следовательно, длина дуги
составляет 7,2°. Расстояние между Сиеной (А) и Александрией (В) около 5000
греческих стадий — l.

Стадией
в Древней Греции считалось расстояние, которое проходит легко вооруженный
греческий воин за тот промежуток времени, в течение которого Солнце,
коснувшееся горизонта своим нижним краем, целиком скроется за горизонт.

Несмотря
на кажущееся неудобство такой единицы и достаточную громоздкость словесного
определения, ее введение выглядело вполне оправданным, учитывая, что строгая
периодичность небесных явлений позволяла использовать их движение для счета
времени.

Обозначив
длину окружности земного шара через L, получим такое выражение:

откуда
следует, что длина окружности земного шара равняется 250 000 стадий.

Точная
величина стадии в современных единицах неизвестна, но, зная, что расстояние
между Александрией и Асуаном составляет 800 км, можно полагать, что 1 стадия =
160 м. Это означает, что результат, полученный Эратосфеном, практически не
отличается от современных данных, согласно которым длина окружности Земли
составляет 40 000 км.

Эратосфен
ввел в практику использование терминов «широта» и «долгота». Видимо, появление
этих терминов связано с особенностями формы карт того времени: они повторяли по
очертаниям побережье Средиземного моря, которое длиннее по направлению запад —
восток (по долготе), чем с севера на юг (по широте).

Определить
географическую широту двух пунктов оказывается гораздо проще, чем измерить
расстояние между ними. Зачастую непосредственное измерение кратчайшего
расстояния между этими пунктами оказывается невозможным из-за различных
естественных препятствий (гор, рек и т.п.). Поэтому применяется способ,
основанный на явлении параллактического смещения и предусматривающий вычисление
расстояния на основе измерений длины одной из сторон (базиса — ВС) и двух углов
В и С в треугольнике 

AВС
(рис. 3.9).

 

Параллактическим
смещением называется изменение направления па предмет при перемещении
наблюдателя.

Чем дальше расположен предмет, тем
меньше его параллактическое смешение, и чем больше перемещение наблюдателя
(базис измерения), тем больше параллактическое смешение.

Для определения длины дуги
используется система треугольников — способ триангуляции, который впервые был
применен еще в 1615 г. Пункты в вершинах этих треугольников выбираются по обе
стороны дуги на расстоянии 30 — 40 км друг от друга так, чтобы из каждого
пункта были видны по крайней мере два других. Основой для вычисления длин
сторон во всех этих треугольниках является размер базиса АС (рис. 3.10).
Точность измерения базиса длиной в 10 км составляет около 1 мм. Во всех пунктах
устанавливают геодезические сигналы — вышки высотой в несколько десятков
метров. С вершины сигнала с помощью угломерного инструмента (теодолита)
измеряют углы между направлениями на два-три соседних пункта. Измерив углы в
треугольнике, одной из сторон которого является базис, геодезисты получают
возможность вычислить длину двух других его сторон. Проводя затем измерение
углов из пунктов, расстояние между которыми вычислено, можно узнать длину двух
очередных сторон в треугольнике. Зная длину сторон этих треугольников, можно
определить длину дуги AВ.
В какой степени форма Земли отличается от шара, выяснилось в конце
XVIII в. Для уточнения формы Земли Французская академия наук снарядила сразу
две экспедиции. Одна из них работала в экваториальных широтах Южной Америки в
Перу, другая — вблизи Северного полярного круга на территории Финляндии и
Швеции.

Измерения показали, что длина одного
градуса дуги меридиана на севере больше, чем вблизи экватора.

Последующие исследования подтвердили,
что длина дуги одного градуса меридиана увеличивается с возрастанием
географической широты. Это означало, что форма Земли — не идеальный шар: она
сплюснута у полюсов. Ее полярный радиус на 21 км короче экваториального.

Для школьного глобуса масштаба 1 :50
000 000 отличие этих радиусов будет всего 0,4 мм, т.е. совершенно незаметно.

Отношение разности величин
экваториального и полярного радиусов Земли к величине экваториального
называется сжатием. По современным данным, оно составляет 1/298, или 0,0034.
Это означает, что сечение Земли по меридиану будет не окружностью, а эллипсом,
у которого большая ось проходит в плоскости экватора, а малая совпадает с осью
вращения.

В XX в. благодаря измерениям,
точность которых составила 15 м, выяснилось, что земной экватор также нельзя
считать окружностью. Сплюснутость экватора составляет всего 1/30 000 (в 100 раз
меньше сплюснутости меридиана). Более точно форму нашей планеты передает
фигура, называемая эллипсоидом, у которого любое сечение плоскостью, проходящей
через центр Земли, не является окружностью.

В настоящее время форму Земли принято
характеризовать следующими величинами:

экваториальный
радиус                                       
— 6378,160 км;

полярный
радиус                                                     
— 6356,777 км;

сжатие
эллипсоида                                                 
— 1 : 298,25;

средний
радиус                                                        
— 6371,032 км;

длина окружности
экватора                     
            — 40075,696
км.

2. Определение расстояний в Солнечной системе. Горизонтальный
параллакс

Измерить расстояние от Земли до
Солнца удалось лишь во второй половине XVIII в., когда был впервые определен
горизонтальный параллакс Солнца. По сути дела, при этом измеряется
параллактическое смещение объекта, находящегося за пределами Земли, а базисом
является ее радиус.

Горизонтальным параллаксом (р)
называется угол, под которым со светила виден радиус Земли, перпендикулярный
лучу зрения (рис. 3.11).
Из треугольника OAS можно выразить величину — расстояние OS = D:

где
R — радиус Земли. По этой формуле можно вычислить расстояние в радиусах Земли,
а зная его величину, — выразить расстояние в километрах.

Очевидно, что чем дальше расположен
объект, тем меньше его параллакс. Наибольшее значение имеет параллакс Луны,
который меняется в связи с тем, что Луна обращается по эллиптической орбите, и
в среднем составляет 57′. Параллаксы планет и Солнца значительно меньше. Так,
параллакс Солнца 8,8″. Такому значению параллакса соответствует расстояние до
Солнца, примерно равное 150 000 000 км. Это расстояние принимается за одну
астрономическую единицу (1 а.е.) и используется при измерении расстояний между
телами Солнечной системы.

Известно, что для малых углов sinр ≈
р, если угол р выражен в радианах. В одном радиане содержится 206 265″. Тогда,
заменяя sin р на р и выражая этот угол в радианной мере, получаем формулу в
виде, удобном для вычислений:

 или
(с достаточной точностью)

 Во
второй половине XX в. развитие радиотехники позволило определять расстояния до
тел Солнечной системы посредством радиолокации. Первым объектом среди них стала
Луна. Затем радиолокационными методами были уточнены расстояния до Венеры,
Меркурия, Марса и Юпитера. На основе радиолокации Венеры величина
астрономической единицы определена с точностью порядка километра. Столь высокая
точность определения расстояний — необходимое условие для расчетов траекторий
полета космических аппаратов, изучающих планеты и другие тела Солнечной
системы. В настоящее время благодаря использованию лазеров стало возможным
провести оптическую локацию Луны. При этом расстояния до лунной поверхности
измеряются с точностью до сантиметров.

Пример решения задачи

3. Определение размеров светил

Зная расстояние до светила, можно
определить его линейные размеры, если измерить его угловой радиус ρ (рис.
3.12).

Формула, связывающая эти величины,
аналогична формуле для определения параллакса:
Учитывая,
что угловые диаметры даже Солнца и Луны составляют примерно 30′, а все планеты
видны невооруженному глазу как точки, можно воспользоваться соотношением: sin ρ
≈ ρ. Тогда:
Следовательно
Если
расстояние D известно, то r = Dρ, где величина ρ выражена в радианах.

Пример решения задачи

Природа  тел Солнечной системы

Изучение планет проводится как с
помощью наземных астрономических инструментов, установленных в обсерваториях,
так и с помощью космических аппаратов.

Планета Земля

     Многочисленные
фотографии Земли, полученные с борта космических аппаратов, дают возможность
увидеть три основные оболочки земного шара: атмосферу и ее облака, гидросферу и
литосферу с ее природными покровами. Атмосферой обладает большинство планет
Солнечной системы, твердая оболочка характерна для планет земной группы, спутников
планет и астероидов. Гидросфера же Земли — уникальное явление в Солнечной
системе, никакая другая из известных планет ею не располагает. Ведь для
существования воды в жидком виде нужны определенные условия: температура и
давление. Вода является весьма распространенным химическим соединением во
Вселенной, но на других небесных телах мы встречаемся с водой главным образом в
ее твердой фазе, известной и на Земле в виде снега, инея и льда. Толщина коры
очень невелика: от 10 км под океанами до 80 км под горными хребтами. Ядро имеет
радиус вдвое меньше радиуса планеты, а между ядром и корой располагается
промежуточный слой — мантия Земли, состоящая из веществ, более плотных, чем в
коре.

Газовая оболочка — атмосфера,
окружающая Землю, содержит 78% азота, 21% кислорода и ничтожное количество
других газов.
     Нижний слой атмосферы называется тропосферой,
которая простирается до высоты 10-12 км (в средних широтах). В ней с
увеличением высоты температура падает. Выше — в стратосфере она остается почти
постоянной, порядка -40 °С. С высоты около 25 км температура земной атмосферы
медленно растет вследствие поглощения ультрафиолетового излучения Солнца.
     Атмосфера отражает или поглощает большую часть
излучения, приходящего к Земле из космического пространства. Например, она не
пропускает рентгеновское излучение Солнца. Атмосфера предохраняет нас и от
непрерывной бомбардировки микрометеоритами, и от разрушающего действия
космических лучей — потоков ‘быстро летящих частиц (в основном протонов и ядер
атомов гелия).

Атмосфера играет важнейшую роль
в тепловом балансе Земли. Видимое солнечное излучение может проходить через нее
почти без ослабления. Оно поглощается земной поверхностью, которая при этом
нагревается и излучает инфракрасные лучи. Магнитное поле Земли достаточно
велико (около 5 x 10-5 Тл). С удалением от Земли индукция магнитного поля
ослабевает.

Луна

Происхождение Луны окончательно
еще не установлено. Наиболее разработаны три разные гипотезы. В конце XIX в.
Дж. Дарвин выдвинул гипотезу, согласно которой Луна и Земля первоначально
составляли одну общую расплавленную массу, скорость вращения которой
увеличивалась по мере ее остывания и сжатия; в результате эта масса разорвалась
на две части: большую — Землю и меньшую — Луну. Эта гипотеза объясняет малую
плотность Луны, образованной из внешних слоев первоначальной массы. Однако она
встречает серьезные возражения с точки зрения механизма подобного процесса;
кроме того, между породами земной оболочки и лунными породами есть существенные
геохимические различия. 
     ЛУНА — единственный естественный спутник Земли и
ближайшее к нам небесное тело; среднее расстояние до Луны — 384000
километров. 
     Луна движется вокруг Земли со средней скоростью
1,02 км/с по приблизительно эллиптической орбите в том же направлении, в
котором движется подавляющее большинство других тел Солнечной системы, то есть
против часовой стрелки, если смотреть на орбиту Луны со стороны Северного
полюса мира. Большая полуось орбиты Луны, равная среднему расстоянию между центрами
Земли и Луны, составляет 384 400 км (приблизительно 60 земных радиусов). Период
обращения Луны вокруг Земли, так называемый сидерический (звездный) месяц равен
27,32166 суток. Форма Луны очень близка к шару с радиусом 1737 км, что равно
0,2724 экваториального радиуса Земли. Масса Луны точнее всего определяется из
наблюдений её искусственных спутников. Она в 81 раз меньше массы Земли. Средняя
плотность Луны равна 3,34 г/см3 (0,61 средней плотности Земли). Ускорение
силы тяжести на поверхности Луны в 6 раз меньше, чем на Земле.

Рельеф лунной поверхности

     Рельеф
лунной поверхности был в основном выяснен в результате многолетних
телескопических наблюдений. «Лунные моря», занимающие около 40 %
видимой поверхности Луны, представляют собой равнинные низменности,
пересеченные трещинами и невысокими извилистыми валами. Многие моря окружены
концентрическими кольцевыми хребтами. Остальная, более светлая поверхность
покрыта многочисленными кратерами, кольцевидными хребтами, бороздами и так
далее. Кратеры менее 15-20 километров имеют простую чашевидную форму, более
крупные кратеры (диаметром до 200 километров) состоят из округлого вала с
крутыми внутренними склонами, имеют сравнительно плоское дно, более
углубленное, чем окружающая местность, часто с центральной горкой. 
     Кратеры на лунной поверхности имеют различный
относительный возраст: от древних, едва различимых, сильно переработанных
образований до очень четких в очертаниях молодых кратеров, иногда окруженных
светлыми «лучами». Из-за отсутствия атмосферы и гидросферы
значительная часть этих кратеров сохранилась до наших дней. Сейчас метеориты
выпадают на Луну гораздо реже; вулканизм также в основном прекратился,
поскольку Луна израсходовала много тепловой энергии, а радиоактивные элементы
были вынесены во внешние слои Луны.

     Самый
верхний слой Луны представлен корой, толщина которой, определенная только в
районах котловин, составляет 60 км. Весьма вероятно, что на обширных
материковых площадях обратной стороны кора приблизительно в 1,5 раза мощнее.
Кора сложена изверженными кристаллическими горными породами — базальтами. Под
корой расположена мантия, в которой, подобно земной, можно выделить верхнюю,
среднюю и нижнюю. Толщина верхней мантии около 250 км, а средней примерно 500
км, и ее граница с нижней мантией расположена на глубине около 1000 км. В самом
центре, по-видимому, находится небольшое жидкое ядро радиусом менее 350
километров. Ядро может быть железо-сульфидным либо железным; в последнем случае
оно должно быть меньше, что лучше согласуется с оценками распределения
плотности по глубине. Его масса, вероятно, не превышает 2 % от массы всей Луны.
Температура в ядре зависит от его состава и, видимо, заключена в пределах 1300
— 1900 К.

Планеты земной группы

     Планеты
земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс отличаются от планет-гигантов
меньшими размерами, меньшей массой, большей плотностью, более медленным
вращением, гораздо более разреженными атмосферами, малым числом спутников или
их отсутствием.

Меркурий

     Это
ближайшая к Солнцу планета, немногим больше Луны, но средняя плотность ее почти
такая же, как и у Земли. Радиолокационные наблюдения обнаружили крайне
медленное вращение Меркурия. Звездные сутки его, т.е. период вращения вокруг
оси относительно звезд, равны 58,65 наших суток. Солнечные сутки на этой
планете (т. е. промежуток времени между последовательными полуднями) составляют
около 176 земных суток. Они равны двум меркурианским годам, так как один оборот
вокруг Солнца Меркурий делает за 88 земных суток.
     Атмосфера на Меркурии практически отсутствует.
Поэтому дневное полушарие его сильно накаляется. В подсолнечной точке на
Меркурии была измерена температура более 400°С. При такой температуре плавится
свинец, олово и даже цинк Поверхность Меркурия усеяна кратерами так, что на фотографиях
ее трудно отличить от поверхности Луны.

Венера

     Венера
имеет такой же размер, как Земля, а ее масса более 80% земной массы.
Расположенная ближе к Солнцу, чем наша планета, Венера получает от него в два с
лишним раза больше света и тепла, чем Земля.
     Венера подходит к Земле ближе, чем какая-либо
другая планета. Но плотная, облачная атмосфера не позволяет непосредственно
видеть ее поверхность. Снимки, сделанные с помощью радара, демонстрируют очень
большое разнообразие кратеров, вулканов и гор. Температура поверхности
достаточно высока, чтобы расплавить свинец, а когда-то на этой планете,
возможно, имелись обширные океаны. Венера имеет почти круговую орбиту, которую
она обходит за 225 земных суток на расстоянии 108,2 млн км от Солнца. Поворот вокруг
оси Венера совершает за 243 земных дня — максимальное время среди всех планет.
Вокруг своей оси Венера вращается в обратную сторону, то есть в направлении,
противоположном движению по орбите. По своим размерам Венера лишь немного
меньше Земли, и масса у нее почти такая же. По этим причинам Венеру иногда
называют близнецом или сестрой Земли. Однако поверхность и атмосфера этих двух
планет совершенно различны. На Земле есть реки, озера, океаны и атмосфера,
которой мы дышим. Венера — обжигающе горячая планета с плотной атмосферой,
которая была бы губительной для человека.

Марс

     Марс
вдвое меньше Земли по диаметру. Его орбита имеет значительный эксцентриситет,
поэтому, когда Марс находится в противостоянии вблизи перигелия, он сияет на
небе, уступая по яркости только Венере. Такие противостояния называются
великими и повторяются через 15 и 17 лет.
     Год Марса почти вдвое длиннее земного, есть там и
смена времен года, так как ось суточного вращения Марса наклонена к плоскости
его орбиты, почти как земная.
     Оказалось, что атмосфера планеты очень разрежена
и ее давление примерно в 100 раз меньше земного. В основном, она состоит из
углекислого газа, кислорода и водяных паров в ней крайне мало.
     Условия на Марсе суровые. Суточные температурные
изменения на Марсе достигают 80-100°С.
     Изредка на Марсе происходят мощные пылевые бури,
иногда длящиеся месяцами, поднимающие в атмосферу колоссальнейшие количества
мельчайших пылинок. Таким образом, подтверждается существование там песчаных
пустынь, определивших собой оранжевый цвет Марса в целом. Судя по пылевым
бурям, на Марсе могут быть сильные ветры, дующие со скоростями в десятки метров
в секунду.
     Марс, подобно Луне и Меркурию, усеян кратерами.
Форма марсианских кратеров свидетельствует о явлениях выветривания и
выравнивания его поверхности. На Марсе обнаружено несколько гигантских,
по-видимому, давно потухших вулканов. Высота самого большого из них составляет
27 км. Магнитное поле Марса значительно слабее земного.

Планеты — гиганты

     Солнечная
система — это спаянная силами взаимного притяжения система небесных тел. В нее
входят: центральное тело Солнце, 9 больших планет с их спутниками (которых
сейчас известно уже более 60), несколько тысяч малых планет, или астероидов
(открыто свыше 5 тысяч, 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 юпитерской группы, или планеты гиганты: Юпитер,
Сатурн, Уран, Нептун. Между орбитами Марса и Юпитера расположен пояс малых
планет — астероидов. Около 2 тыс. из них хорошо изучены, вычислены их орбиты,
установлены размеры, а самим астероидам присвоены имена. За поясом астероидов начинается
царство планет — гигантов. Их четыре: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самая
большая из них Юпитер. По объему он в 1300 раз превосходит Землю. Планеты —
гиганты обладают и весьма значительными массами. Масса Юпитера равна 318 земным
массам, Сатурн -95. Все планеты этой группы быстро вращаются вокруг своих осей.
Сутки на Нептуне длятся 15 ч. 48 мин. На Юпитере — 9 ч. 50 мин. Химический
состав гигантов, в основном, водородно-гелиевой основы. Средняя плотность их
вещества весьма невелика. Судя по всему, у планет — гигантов нет твердой
поверхности. Вокруг планет-гигантов движется большое число спутников.

 Только у Меркурия и Венеры отсутствуют спутники. Крупные
спутники (такие, как Луна у Земли или Титан у Сатурна) имеют шарообразную
форму, а мелкие (как Фобос и Деймос у Марса) — неправильную форму, свойственную
большинству астероидов.

Таблица 1. Сравнительная характеристика
Планет

Юпитер

     Юпитер
окружен мощной атмосферой, состоящей главным образом из водорода. Гелий
составляет по объему около 11% газовой оболочки планеты. Масса Юпитера в 318
раз больше, чем масса Земли. Движется по орбите со скоростью 13 км/с, полный
оборот совершает вокруг Солнца за 12 земных лет. Очень быстро вращается вокруг
своей оси. Сутки у него 9 ч. 50 мин. Юпитер обладает сильным магнитным полем.
Это приводит к возникновению сияний в атмосфере планеты.

Сатурн

     Самая
красивая планета. Полный оборот вокруг Солнца совершает за 30 земных лет. В
атмосфере обнаружено Красное пятно. Среди планет Сатурн выделяется необычным
видом: имеет образования — кольца, опоясывающие его центральное ядро. Согласно
теоретическим расчетам, основанным на астрономических наблюдениях и данным,
полученных с помощью космических аппаратов, внутреннее строение имеет немало
общего со строением Юпитера. В самом центре — жидкое ядро, окруженное внешним
ядром из CH4, NHЗ и H2O. А внешнее ядро окружено поясом металлического
водорода.

Уран

     Уран
был открыт английским ученым Гершелем в 1781 г. Год на Уране длится 84 земных
года, сутки почти равны земным. В отличие от других планет Уран как бы лежит на
боку. Ось его вращения расположена в плоскости орбиты. Уран состоит из водорода
и гелия. Но так как средняя плотность несколько выше, чем плотность Юпитера и
Сатурна, можно предположить, что в составе планеты содержаться повышенное
количество гелия, либо ядро из тяжелых металлов.В 1977 г. у Урана были открыты
кольца.

Нептун

     Самой
дальней из планет-гигантов является Нептун. Год длится 165 земных лет. Средняя
плотность вещества у Нептуна еще выше, чем у Урана, видимо, у него существует
ядро из силикатов, металлов и др. неметаллов, которые входят в состав планет
земной группы. 

Особенности строения планет-гигантов

     Важнейшая
особенность строения заключается в том, что эти планеты не имеют твердых
поверхностей. Такое представление хорошо согласуется с малыми и средними
плотностями, их химическим составом (они состоят в основном из легких элементов
— водорода и гелия), быстрым зональным вращением, и некоторыми другими данными.

Астероиды

     Малые
планеты, или астероиды, в основном, обращаются между орбитами Марса и Юпитер, и
невооруженным глазом невидимы. Первая малая планета была открыта в 1801 г., и
по традиции ее назвали одним из имен греко-римской мифологии — Церерой.
Вскоре были найдены и другие малые планеты, названные Паллада, Веста и
Юнона. В настоящее время известно более 3000 астероидов. На протяжении
миллиардов лет астероиды время от времени сталкиваются друг с другом. 
     Самый яркий астероид — Веста не бывает ярче 6-й
звездной величины. Самый крупный астероид — Церера. Его диаметр около 800 км.
Самые мелкие из известных астероидов имеют диаметры лишь около километра.
Конечно, у астероидов нет атмосферы. На небе малые планеты выглядят как звезды,
отчего их и назвали астероидами, что в переводе с древнегреческого означает
«звездоподобные». Орбиты некоторых астероидов имеют необычайно
большие эксцентриситеты. Вследствие этого в перигелии они подходят к Солнцу
ближе Марса и Земли, а Икар — ближе, чем Меркурий. В 1968 г. Икар приблизился к
Земле на расстояние менее 10 млн километров, но его ничтожное притяжение
никакого влияния на Землю не имело.

Болиды и метеориты

     Болидом
называется довольно редкое явление — летящий по небу огненный шар. Это явление
вызывается вторжением в плотные слои атмосферы крупных твердых частиц,
называемых метеорными телами. Двигаясь в атмосфере, частица нагревается
вследствие торможения, и вокруг нее образуется обширная светящаяся оболочка,
состоящая из горячих газов. Болиды часто имеют заметный угловой диаметр и
бывают видны даже днем. 
     Метеорное тело, имеющее небольшие размеры иногда
целиком испаряется в атмосфере Земли. В большинстве случаев его масса за время
полета сильно уменьшается, и до Земли долетают лишь остатки, обычно успевающие
остыть, когда космическая скорость уже погашена сопротивлением воздуха. 
     Известны три вида метеоритов: каменные, железные
и железно-каменные. Иногда метеориты находят через много лет после их падения.
Особенно много найдено железных метеоритов.

Кометы

     Находясь
в пространстве вдали от Солнца, кометы имеют вид очень слабых, размытых,
светлых пятен, в центре которых находится ядро. Очень яркими и
«хвостатыми» становятся лишь те кометы, которые проходят сравнительно
близко от Солнца. Вид кометы с Земли зависит также и от расстояния до нее,
углового расстояния от Солнца, света Луны и т. п. Комета Галлея относится к
числу периодических комет. Теперь известно много
короткопериодических комет с периодами обращения от трех (комета Энке)
до десяти лет. Их афелии лежат около орбиты Юпитера. Приближение Комет к Земле
и их будущий видимый путь по небу вычисляют заранее с большой точностью. Наряду
с этим есть кометы, двигающиеся по очень вытянутым орбитам с большими периодами
обращения. Мы принимаем их орбиты за параболы, хотя в действительности они,
по-видимому, являются очень вытянутыми эллипсами, но различить эти кривые, зная
лишь малый отрезок пути комет вблизи Земли и Солнца, нелегко. Большинство комет
не имеют хвоста и видны лишь в телескоп.

На других планетах и их
спутниках также обнаружены кратеры метеоритного происхождения. Крупные
метеориты могут образовать кратеры диаметром в несколько десятков километров.
Вокруг Солнца обращаются две группы больших планет: планеты земной группы,
похожие на Землю, и планеты-гиганты, похожие на Юпитер. Между орбитами Марса и
Юпитера расположен пояс астероидов. Кометы движутся вокруг Солнца по очень
вытянутым орбитам, при движении вблизи Солнца у кометы образуется хвост.

Солнечная система как комплекс тел,
имеющих общее происхождение. Земля и Луна — двойная планета

Согласно наиболее разработанной
гипотезе, Солнечная система сформировалась в результате длительной эволюции
огромного холодного газопылевого облака. Подобные идеи высказывались учеными
еще в XVII в. В 40-х
гг. XX в. эти идеи легли
в основу гипотезы об образовании Земли и других планет из холодных твердых
допланетных тел — планетезималей, выдвинутой академиком Отто
Юльевичем Шмидтом.

В дальнейшем она получила
развитие в работах его учеников в России, а также зарубежных ученых.

В пользу этой гипотезы
свидетельствуют многие научные данные. Так, в последние годы вокруг нескольких
звезд были обнаружены газопылевые облака, из вещества которых могут
образовываться планеты. Исследования далекого прошлого Земли говорят о том, что
наша планета никогда не была полностью расплавленной. Метеоритная
«бомбардировка» планет по сути дела является продолжением того процесса,
который в прошлом привел к их образованию. В настоящее время, когда в
межпланетном пространстве метеоритного вещества остается все меньше и меньше,
этот процесс идет значительно менее интенсивно, чем на начальных стадиях
формирования планет.

Возраст наиболее древних пород,
которые обнаружены в составе метеоритов, составляет примерно 4,5 млрд лет.
Породы такой же древности обнаружены в доставленных на Землю образцах лунного
грунта. Расчеты возраста Солнца дали близкую величину — 5 млрд лет. На основании
этих данных принято считать, что все тела, которые в настоящее время составляют
Солнечную систему, образовались примерно 4,5 — 5 млрд лет тому назад. Облако,
из которого они образовались, представляло собой смесь частиц, которые
относились к трем компонентам: скальному, ледяному и летучему. Именно
из этих трех компонентов в различных соотношениях и состоят все тела Солнечной
системы.

В течение нескольких миллиардов
лет само облако и входящее в его состав вещество значительно изменялись.
Разумеется, далеко не все детали процессов, которые произошли за это время,
поддаются точным расчетам, тем не менее современная наука позволила составить
общую картину формирования Солнечной системы.

Вначале сжатие облака
гравитационными силами привело к образованию центрального горячего ядра —
будущего Солнца. Оно захватило себе основную часть массы облака — примерно 90%.
Тяготение образовавшегося Солнца воздействовало на форму оставшейся части
облака: оно становилось все более и более плоским диском. Частицы этого диска,
обращаясь вокруг Солнца по самым различным орбитам, сталкивались между собой. В
результате одних столкновений частицы разрушались, а при других объединялись в
более крупные. Возникали зародыши будущих планет и других тел. Считается, что
число таких допланетных тел достигало многих миллионов. Но в конце концов
эволюция облака привела к тому, что основная масса вещества оказалась
сосредоточенной в немногих крупных телах — больших планетах (рис. 4.1).

Однако прежде, чем эти
допланетные тела образовались и стали расти, произошло перераспределение
вещества внутри облака, его дифференциация, и химический состав частиц в
различных его частях стал неодинаковым. Под влиянием сильного нагрева из
окрестностей Солнца улетучивались газы (в основном это самые распространенные
во Вселенной — водород и гелий) и оставались лишь твердые тугоплавкие частицы.
Из этого вещества впоследствии сформировались Земля, ее спутник — Луна, а также
другие планеты земной группы.

Вдали от Солнца летучие
вещества намерзали на твердые частицы, относительное содержание водорода и
гелия оказалось повышенным. Объем периферийных частей облака был больше, а
стало быть больше и масса вещества, из которого образовались далекие от Солнца
планеты.

В ходе формирования планет и
позднее на протяжении миллиардов лет в их недрах и на поверхности происходили
процессы плавления, кристаллизации, окисления и другие физико-химические
процессы. Это привело к существенному изменению первоначального состава и
строения вещества, из которого образованы все ныне существующие тела Солнечной
системы.

Однако не все вещество
протопланетного облака вошло в состав планет и их спутников. Многие его сгустки
остались как внутри планетной системы в виде астероидов и еще более мелких тел,
так и за ее пределами в виде ядер комет.

Согласно современным
представлениям, образование протопланетного облака связано с процессом
формирования звезд.

Вопросы

1. Каков возраст планет Солнечной системы? 
2. Какие процессы происходили в ходе формирования планет?

Из моря информации, в котором мы тонем, кроме саморазрушенья есть еще один выход. Эксперты с достаточно широким кругозором могут создавать обновляемые конспекты или сводки, в которых кратко суммируются основные факты из той или иной области. Представляем попытку Сергея Попова сделать такой свод важнейшей информации по астрофизике.

С. Попов. Фото И. Яровой

Вопреки расхожему мнению, школьное преподавание астрономии не было на высоте и в СССР. Официально предмет стоял в программе, но в реальности астрономия преподавалась далеко не во всех школах. Часто, даже если уроки проводились, учителя использовали их для дополнительных занятий по своим профильным предметам (в основном физике). И уж совсем в единичных случаях преподавание было достаточно качественным, чтобы успеть сформировать у школьников адекватную картину мира. Кроме того, астрофизика является одной из самых бурно развивающихся наук на протяжении последних десятилетий, т.е. знания по астрофизике, которые взрослые получили в школе 30-40 лет назад, существенно устарели. Добавим, что теперь астрономии в школах почти совсем нет. В итоге в массе своей люди имеют довольно смутное представление о том, как устроен мир в масштабе, большем, чем орбиты планет Солнечной системы.

Спиральная галактика NGC 4414

Скопление галактик в созвездии волосы вероники

Планета у звезды Фомальгаут

В такой ситуации, мне кажется, было бы разумно сделать «Очень краткий курс астрономии». То есть выделить ключевые факты, формирующие основы современной астрономической картины мира. Разумеется, разные специалисты могут выбрать слегка различающиеся наборы основных понятий и явлений. Но это и хорошо, если будет существовать несколько хороших версий. Важно, чтобы всё можно было бы изложить за одну лекцию или уместить в одну небольшую статью. А дальше те, кому интересно, смогут расширить и углубить познания.

Я поставил перед собой задачу сделать набор важнейших понятий и фактов по астрофизике, который уместился бы на одну стандартную страницу А4 (примерно 3000 знаков с пробелами). При этом, разумеется, предполагается, что человек знает, что Земля крутится вокруг Солнца, понимает, почему происходят затмения и смена времен года. То есть совсем «детские» факты в список не входят.

Область звездообразования NGC 3603

Планетарная туманность NGC 6543

Остаток сверхновой Кассиопея А

Практика показала, что всё, что попало в список, можно изложить примерно за часовую лекцию (или за пару уроков в школе с учетом ответов на вопросы). Безусловно, за час-полтора нельзя сформировать устойчивую картину устройства мира. Однако первый шаг надо сделать, и здесь должен помочь такой «этюд крупными мазками», в котором схвачены все основные моменты, раскрывающие базовые свойства строения Вселенной.

Все изображения получены космическим телескопом «Хаббл» и взяты с сайтов http://heritage.stsci.edu и http://hubble.nasa.gov

1. Солнце – рядовая звезда (одна из примерно 200-400 миллиардов) на окраине нашей Галактики – системы из звезд и их остатков, межзвездного газа, пыли и темного вещества. Расстояния между звездами в Галактике обычно составляет несколько световых лет.

2. Солнечная система простирается за орбиту Плутона и заканчивается там, где гравитационное влияние Солнца сравнивается с влиянием близких звезд.

3. Звезды продолжают образовываться в наши дни из межзвездного газа и пыли. В течение своей жизни и по ее окончании звезды сбрасывают часть своего вещества, обогащенного синтезированными элементами, в межзвездное пространство. Так в наши дни изменяется химический состав вселенной.

4. Солнце эволюционирует. Его возраст менее 5 миллиардов лет. Примерно через 5 миллиардов лет закончится водород в его ядре. Солнце превратится в красного гиганта, а затем — в белый карлик. Массивные звезды в конце жизни взрываются, оставляя нейтронную звезду или черную дыру.

5. Наша Галактика – одна из многих подобных систем. В видимой части вселенной около 100 миллиардов крупных галактик. Они окружены небольшими спутниками. Размер галактики около 100 000 световых лет. До ближайшей крупной галактики около 2.5 миллионов световых лет.

6. Планеты существуют не только вокруг Солнца, но и вокруг других звезд, их называют экзопланеты. Планетные системы не похожи друг на друга. Сейчас мы знаем более 1000 экзопланет. По всей видимости, многие звезды имеет планеты, но лишь малая часть может быть пригодна для жизни.

7. Мир, как мы его знаем, имеет конечный возраст – чуть менее 14 миллиардов лет. Вначале материя была в очень плотном и горячем состоянии. Частиц обычного вещества (протоны, нейтроны, электроны) не существовало. Вселенная расширяется, эволюционирует. В ходе расширения из плотного горячего состояния вселенная остывала и становилась менее плотной, появились обычные частицы. Затем возникли звезды, галактики.

8. Из-за конечности скорости света и конечного возраста наблюдаемой вселенной нам доступна для наблюдений лишь конечная область пространства, но на этой границе физический мир не заканчивается. На больших расстояниях из-за конечности скорости света мы видим объекты такими, какими они были в далеком прошлом.

9. Большинство химических элементов, с которыми мы сталкиваемся в жизни (и из которых состоим), возникли в звездах в течение их жизни в результате термоядерных реакций, или на последних стадиях жизни массивных звезд – во взрывах сверхновых. До образования звезд обычное вещество в основном существовало в виде водорода (самый распространенный элемент) и гелия.

10. Обычное вещество вносит вклад в полную плотность вселенной лишь порядка несколько процентов. Около четверти плотности вселенной связано с темным веществом. Оно состоит из частиц, слабо взаимодействующих друг с другом и с обычным веществом. Мы пока наблюдаем лишь гравитационное действие темного вещества. Около 70 процентов плотности вселенной связано с темной энергией. Из-за нее расширение вселенной идет все быстрее. Природа темной энергии неясна.

Источник

См. также: Этюды о Вселенной

Ко всем урокам по астрономии в 10, 11 классах конспекты

Астрономия. 11 класс — Конспекты по учебнику «Физика-11» (Мякишев, Буховцев, Чаругин)

Подробности

Обновлено 21.07.2018 12:22

Просмотров: 1006

Здесь представлены конспекты по учебнику «Физика. 11 класс» — базовый и профил. уровни, авторы Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин.

Солнечная система

• § 116. Видимые движения небесных тел ………. смотреть
• § 117. Законы движения планет ………. смотреть
• § 118. Система Земля—Луна ………. смотреть
• § 119. Физическая природа планет и малых тел солнечной системы ………. смотреть

Солнце и звезды

• § 120. Солнце ………. смотреть
• § 121. Основные характеристики звезд ………. смотреть
• § 122. § 123. Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности.
  Эволюция звезд ………. смотреть

Строение Вселенной

• § 124. Млечный Путь — наша Галактика ………. смотреть
• § 125. Галактики ………. смотреть
• § 126. Строение и эволюция Вселенной ………. смотреть

Кратко о солнечной системе и строении Вселенной ………. смотреть

Знаете ли вы?

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

По теме: методические разработки, презентации и конспекты