Układ słoneczny
UKŁAD SŁONECZNY, zespół ciał niebieskich, poruszających się w przestrzeni wraz ze Słońcem, powiązanych siłami wzajemnych oddziaływań, z których najsilniejsze jest grawitacyjne oddziaływanie Słońca. Ciałem centr., skupiającym prawie całą (99, 87%) masę Układu Słonecznego jest Słońce, obiegane przez 9 planet (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton);7 planet ma krążące wokół nich satelity naturalne. Między orbitami Marsa i Jowisza rozciąga się pas planetoid, z których część, poruszając się po orbitach silnie wydłużonych, zbliża się do Słońca bardziej niż Ziemia. Odrębne grupy ciał Układu Słonecznego tworzą meteoroidy oraz komety, których przynajmniej część może być traktowana jako stały składnik Układu Słonecznego. W przestrzeni międzyplanetarnej jest obserwowany pył w postaci światła zodiakalnego; rejestruje się także istnienie strumieni gazu międzyplanetarnego, płynącego od Słońca w postaci wiatru słonecznego z prędkością kilkuset km/s. Przestrzeń międzyplanetarna jest przeniknięta polem magnet., którego linie sił są wynoszone ze Słońca wraz z materią. Rozmiary Układu Słonecznego, określone średnicą orbity Plutona, wynoszą ok. 12 mld km (80 jednostek astr.), ale wiele komet obiega Słońce po orbitach o półosiach rzędu kilkudziesięciu tys. jednostek astr.; masa Układu Słonecznego wynosi 1, 994*1030 kg (w tym Słońce 1, 991*1030 kg, Jowisz 1, 90*1027 kg). Układ Słoneczny bierze udział w obrocie Galaktyki, obiegając jej jądro w ciągu ok. 200 mln lat, w przybliżeniu po kole o promieniu ok. 10 kpc z prędkością ok. 250 km/s. Układ Słoneczny znajduje się ok. 15pc na pn. od płaszczyzny równika Galaktyki. W stosunku do najbliższych gwiazd Układ Słoneczny porusza się z prędkością ok. 20 km/s w kierunku gwiazdozbioru Herkulesa. Według współcz. teorii, cały Układ Słoneczny powstał równocześnie, z jednego obłoku materii protosłonecznej. Prawdopodobnie, w wyniku wybuchu znajdującej się w jego pobliżu gwiazdy supernowej, został zapoczątkowany proces grawitacyjnego zapadania się obłoku połączony z równoczesnym wzbogacaniem w najcięższe pierwiastki. W miarę kurczenia się obłok przyjął kształt wirującego dysku, w którego środku uformowało się Słońce, a obiegające je cząstki pyłu, w wyniku wzajemnych zderzeń, sklejały się stopniowo ze sobą, tworząc coraz większe twory; wśród nich część stała się zarodkami planetarnymi; wskutek wzajemnych oddziaływań grawitacyjnych zarodki te łączyły się tworząc w ciągu paruset milionów lat planety. Mniejsze twory przetrwały w postaci planetoid, komet i meteoroidów.
POWSTANIE UKŁADU SŁONECZNEGO
Powstawanie gwiazd. Gwiazdy powstają w gigantycznych kompleksach (obłokach) gazowo-pyłowych o masach rzędu 100 tys. mas Słońca i rozmiarach do 50 pc (parsek). Z kompleksów tych wydzielają się obłoki molekularne o temperaturze około 10 K, zbudowane głównie z wodoru (pył stanowi mniej niż 1% masy). Obłoki molekularne pozostają w równowadze z otaczającymi je obłokami mniej gęstego, ale gorętszego gazu. Naruszenie tej równowagi, które może być spowodowane siłami przypływowymi, z jakimi działają na obłoki blisko przechodzące gwiazdy, wybuchem supernowej lub wiatrem gwiezdnym, zapoczątkowuje fragmentację obłoków; fragmenty zapadają się grawitacyjnie (zagęszczają), co prowadzi do powstania gwiazd (tzw. protogwiazd). Zagęszczanie się szybko wirującego lub bardzo masywnego fragmentu prowadzi do powstania gwiazd podwójnych lub krotnych. Wokół pojedynczej gwiazdy powstają też, podczas gwałtownego zapadania się wirującej protogwiazdy o odpowiednim (nie za małym i nie za dużym) momencie pędu, dyski protoplanetarne (spłaszczone mgławice gazowe). Układ Słoneczny powstał z fragmentu obłoku o masie około 1, 1 masy Słońca. Z danych kosmochemicznych wynika, że Słońce jest gwiazdą drugiej lub trzeciej generacji; oznacza to, że zostało utworzone nie z materiału pierwotnego, powstałego podczas Wielkiego Wybuchu (Wielkiego Wybuchu teoria), ale z materiału przetworzonego we wnętrzach poprzednich gwiazd. Pierwiastki ciężkie, stanowiące główny materiał planet, mogły powstać tylko we wnętrzach gwiazd lub w trakcie wybuchu supernowych.
Powstawanie planet. Proces powstawania planet można podzielić na pięć etapów.
1. Powstanie dysku wokół protosłońca Dysk powstawał w trakcie wzrostu fragmentu obłoku o największym zagęszczeniu materii, umieszczonego w środku układu tzw. protosłońca, z jego zewnętrznych, równikowych obszarów. Moment pędu z wnętrza protosłońca przekazywany był na powierzchnię. Uzyskując odpowiedni moment pędu równikowe pierścienie odrywały się od protosłońca tworząc wirujący obłok protoplanetarny. Mechanizm przekazywania momentu pędu był efektywny obecnie Słońce stanowiące ponad 99% całej masy Układu ma moment pędu stanowiący mniej niż 2% jego całego momentu pędu (98% stanowi ruch planet). Gdy temperatura we wnętrzu protogwiazdy osiągnęła 10 mln K, rozpoczęła się jądrowa przemiana wodoru w hel (tzw. spalanie wodoru). Słońce rozbłysło i proces zapadania zatrzymał się. Proces powstawania dysku protoplanetarnego o rozmiarze naszego Układu
Trwał prawdopodobnie około milion lat.
2. Kondensacja pyłu w różnych rejonach dysku Grubość dysku rosła z odległością od Słońca, a temperatura i gęstość malały. Materia stała (pył) z obłoku mogła ulec odparowaniu wewnątrz protosłońca. W dysku zachodził złożony proces ponownej kondensacji pyłu. W obszarze bliskim Słońca (wewnątrz orbity Marsa) temperatura była wysoka i mogły tam kondensować tylko cięższe pierwiastki i związki: tlenki wapnia glinu i tytanu, metaliczne żelazo i nikiel, glinokrzemiany litowców, tlenek żelaza oraz krzemiany magnezowo-żelazowe. Dalej, w zimniejszych rejonach, kondensowały także woda, amoniak i metan. To tłumaczy, dlaczego skład planet zmienia się z odległością od Słońca.
3. Opadanie pyłu w kierunku płaszczyzny centralnej Drobniutkie ziarna pyłu unosiły się w gazie i spotykając ze sobą łączyły się wskutek działania sił elektrostatycznych. W ten sposób utworzyły się większe ziarna materii stałej, których już gaz nie był w stanie unosić. Krążąc razem z dyskiem wokół Słońca ziarna powoli opadały ku płaszczyźnie centralnej zwiększając jednocześnie swoją masę w wyniku łączenia się z innymi ziarnami. Czas opadania był rzędu tysiąca lat. Rozmiary ziaren zwiększyły się z 10-5 cm aż do kilku cm.
4. Tworzenie się planetezymali W centralnej płaszczyźnie dysku powstała gęsta warstwa ziaren materii stałej. Gdy gęstość stała się dostatecznie duża, warstwa przestała być stabilna i uległa rozpadowi na wiele niezależnych fragmentów. Każdy taki fragment (zgęszczenie pyłu i ziaren) wędrował wokół Słońca, wirował wokół swojej osi i utrzymywał się w równowadze dzięki samograwitacji. Napotykając na inne zgęszczenia łączył się z nimi zwiększając swoją masę. Wreszcie masa fragmentu stała się tak duża, że samograwitacja spowodowała jego szybkie zapadanie się i powstanie stałej bryły o rozmiarach rzędu km, tzw. planetezymala. Etap ten trwał około 100 tys. Lat.
5. Łączenie się planetezymali i powstanie planet Planetezymale były dostatecznie duże, aby ich wzajemne oddziaływania grawitacyjne stały się istotne. Największe z nich najszybciej wyłapywały mniejsze ciała i stawały się zarodkami przyszłych planet. Początkowo wzrastały powoli, potem, gdy ich masa zwiększała się, coraz szybciej; gdy większość ciał w ich obszarze oddziaływania uległa wychwyceniu, proces ten ulegał znowu spowolnieniu. W ten sposób powstały planety grupy ziemskiej i jądra planet wielkich. Gaz został wymieciony z Układu podczas fazy T-tauri (okresu intensywnego promieniowania Słońca). Jądra planet wielkich, ze względu na ich większą odległość od Słońca, zdążyły wychwycić część gazu stając się planetami gazowymi. Ten etap powstawania planet był najdłuższy i trwał około 100 mln lat.
Powstanie Układu Słonecznego pytania. Przedstawiony został ogólny schemat powstawania planet wokół pojedynczej gwiazdy. Zastosowanie go do naszego Układu wymaga odpowiedzi na szereg pytań. Oto najważniejsze z nich.
1. Dlaczego w pasie planetoid nie powstała planeta? Prawdopodobnie Jowisz, znajdujący się najbliżej na zewnątrz pasa planetoid, uformował się najszybciej. Oddziaływania grawitacyjne Jowisza spowodowały wzrost prędkości planetezymali w rejonie planetoid. Zderzenia planetezymali zachodziły więc z dużymi prędkościami i nie powodowały ich łączenia, a raczej rozpad. Wiele planetezymali z rejonu planetoid i Marsa zostało ponadto przechwyconych przez Jowisz lub wyrzuconych poza Układ Słoneczny.
2. Jak powstały satelity planet (księżyce)? Księżyce wokół planet wielkich powstały w podobny sposób jak rlanety wokół Słońca, tj. z dysków okołoplanetarnych, utworzonych z rozdrobnionej materii wychwyconej na orbity formujących się planet. Dwa małe księżyce Marsa są planetoidami, które weszły na orbitę tej planety. Najtrudniej jest wyjaśnić powstanie naszego Księżyca. Mógł on powstać w wyniku zderzenia z Ziemią ogromnego planetezymala, spowodowało ono wyrzucenie na orbitę okołoziemską części lekkiej materii płaszcza Ziemi, która skupiła się na orbicie tworząc Księżyc. Teoria ta tłumaczy też fakt, iż Ziemia ma dużą gęstość (większą niż Merkury i Wenus, choć jest dalej od Słońca), a Księżyc małą.
3. Jak powstały komety? Jądra komet stanowią planetezymale lodowe powstałe między Saturnem a Plutonem. Wiele z nich zostało wyrzuconych z naszego Układu w wyniku oddziaływania grawitacyjnego formującego się Uranu i Neptuna. Część z nich na zawsze opuściła Układ Słoneczny, pozostałe krążą wokół Słońca w ogromnej od niego odległości 100 tys. jednostek astronomicznych, tworząc tzw. chmurę Oorta. Wskutek oddziaływań z bliskimi gwiazdami planetezymale lodowe mogą nurkować w nasz Układ Słoneczny stając się kometami.
4. Dlaczego Wenus i Uran wirują wokół swoich osi w przeciwną stronę niż inne planety? Ruch orbitalny i wirowy planet wynika z pierwotnego momentu pędu obłoku protoplanetarnego. Uran prawdopodobnie uległ zderzeniu z wielkim ciałem, co spowodowało duże nachylenie (82) jego osi obrotu do płaszczyzny orbity oraz zmianę kierunku wirowania. Kierunek ruchu wirowego Wenus można tłumaczyć przechwyceniem przez nią satelity, który krążył w przeciwną stronę i zmianą kierunku pod działaniem sił pływowych.
Planetoidy, asteroidy, ciała niebieskie mniejsze od planet, poruszające się po orbitach eliptycznych wokół Słońca, głównie w pasie leżącym pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. Planetoidy zbudowane są ze skał, świecą odbitym światłem słonecznym (przyjmuje się średnie albedo 0, 24). Pierwszą planetoidę, Ceres, odkrył w 1801 J. Piazzi. Obecnie znanych ich jest kilka tysięcy. Najsłynniejsze z nich to planetoidy duże: wspomniana już Ceres (średnica 768 km), Pallas (489 km), Westa (385 km), Juno (193 km) oraz planetoidy okresowo zbliżające się do Ziemi: Ikar, Amor, Eros. Na uwagę zasługują również planetoidy tworzące grupę Trojańczyków - krążą one wokół Słońca w odległości równej odległości Jowisza, spełniając zarazem szczególne rozwiązanie zagadnienia trzech ciał. Przypuszcza się, że w Układzie Słonecznym istnieje w sumie kilkadziesiąt tysięcy planetoid.
Komety, ciała niebieskie należące do Układu Słonecznego, poruszające się po wydłużonych elipsach (komety okresowe lub eliptyczne), czasem nieodróżnialnych od parabol. Istnieje hipoteza, że w dużej odległości od Słońca, lecz ciągle w zasięgu jego oddziaływania grawitacyjnego, znajduje się obłok materii, stanowiący źródło komet (Oorta obłok). Daleko od Słońca kometa jest bryłą pyłowo-lodową o rozmiarach rzędu od jednego do kilkudziesięciu km, po zbliżeniu się do Słońca (na odległość kilku AU) substancje lotne parują lub sublimują z powierzchnią i pojawia się gazowa głowa (o średnicy rzędu kilkudziesięciu tysiecy kilometrów) oraz warkocz komety: odchylony i częściowo porwany przez wiatr Słoneczny obłok rozrzedzonego gazu rozciągający się na odległości wynoszące miliony kilometrów. Gęstość materii w warkoczu komety jest wyższa od otaczającej przestrzeni jedynie o czynnik rzędu kilku tysięcy.
Meteor, seria rosyjskich satelitów meteorologicznych, wchodzących w skład sieci ogólnoświatowej Meteor, stanowiących udoskonalone wersje obiektów wysyłanych pierwotnie w ramach serii Kosmos (Kosmos 122, 144). Satelity Meteora są wprowadzane na orbitę prawie biegunową, zsynchronizowaną z położeniem Słońca na niebie, tak że zwykle pojawiają się nad wybranymi obszarami Ziemi w porze dziennej. Starty kolejnych Meteorów następują w takich okresach, aby płaszczyzny ich orbit były parami prostopadłe do siebie. Dzięki temu układ 2 satelitów umożliwia uzyskiwanie informacji meteorologicznych z danego obszaru Ziemi co 6 godzin, a w ciągu doby - z poł. powierzchni globu.
Pył międzygwiazdowy, składnik materii międzygwiazdowej podobny do pyłu w potocznym znaczeniu tego słowa. Zbiorowisko cząstek (o nieznanym dotychczas składzie chemicznym) o rozmiarach rzędu 0, 0001 mm. Obecność międzygwiazdowego pyłu w jakimś obszarze nieba powoduje osłabienie światła gwiazd i in. obiektów kosmicznych znajdujących się za danym obłokiem międzygwiazdowego pyłu. Powoduje również jego poczerwienienie, ponieważ rozprasza silniej promieniowanie krótkofalowe niż długofalowe, czyli żółte i czerwone.
Gaz międzygwiazdowy, składnik gazowy materii międzygwiazdowej o składzie chemicznym zbliżonym do atmosfery większości gwiazd. 50-70% międzygwiazdowy gaz stanowi wodór, resztę hel i pierwiastki ciężkie, których zawartość szybko spada ze wzrostem masy atomowej. Skład chemiczny poszczególnych obłoków międzygwiazdowego gazu może się znacznie różnić, jednakże głównym jego składnikiem jest z reguły wodór międzygwiazdowy. O obecności w międzygwiazdowym gazie różnych pierwiastków wnioskuje się głównie z obserwacji widm gwiazd (widmo emisyjne) znajdujących się za obłokiem międzygwiazdowego gazu: jego obecność na drodze promieni otrzymywanych od gwiazdy wywołuje powstawanie w widmach gwiazd absorpcyjnych linii międzygwiazdowych, dających się stosunkowo łatwo odróżnić od linii powstających w atmosferze gwiazd. Identyfikując te linie i mierząc ich względne natężenia dochodzi się do jakościowego i ilościowego ustalenia składu chemicznego i stanu fizycznego międzygwiazdowego gazu. Obecność wodoru w międzygwiazdowym gazie wykrywa się innymi metodami. Średnia gęstość międzygwiazdowego gazu w pobliżu płaszczyzny Galaktyki wynosi 10-21 kg/m3, co jest równoważne ok. 1 atomowi na 1 cm3. Jego temperatura waha się do kilkunastu tys. stopni Kelvina.
Księżyce planet, małe planety lub planetoidy związane grawitacyjnie z poszczególnymi planetami Układu Słonecznego. Księżyców nie posiadają Merkury i Wenus. Liczbę (po pauzie) i nazwy (po dwukropku) księżyców pozostałych planet podajemy niżej.
· Ziemia - 1: Księżyc.
· Mars - 2: Phobos i Deimos.
· Jowisz - 16: Io, Europa, Ganimedes, Kallisto, Amalthea, Himalia, Elara, Pasiphae, Sinope, Lysithea, Carme, Ananke, Leda, Thebe, Adrasthea, Metis.
· Saturn - 20 pewnych: Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Titan, Hyperion, Iapetus, Phoebe, Janus, Epimetheus, Dione, Telesto, Calypso, Atlas, Prometheus, Pandora oraz kolejne o tymczasowych kodowych nazwach zawierających rok odkrycia, S, nr kolejny dla danego roku.
· Uran - 15: Ariel, Umbriel, Titania, Oberon, Miranda i 10 kolejnych o nazwach tymczasowych, nadawanych podobnie jak dla księżyców Saturna, literę S zastępuje U.
· Neptun - 2: Tryton i Nereida.
· Pluton - 1: Charon.
Prędkości kosmiczne.
Pierwsza prędkość kosmiczna - to prędkość w kierunku poziomym jaką należy nadać ciału, aby obiegało Ziemię po okręgu o możliwie najmniejszym promieniu (r). Aby taki ruch mógł się odbywać, na satelitę musi działać siła odśrodkowa:
Rolę siły dośrodkowej spełnia siła grawitacyjna (Fg):
W rzeczywistości satelita musi latać na wysokości (h) równej minimum 160 km. nad Ziemią, by nie ulegać hamowaniu w atmosferze.
Pierwsza prędkość kosmiczna jest jednakowa dla wszystkich ciał nie zależy bowiem od masy satelity.
Druga prędkość kosmiczna to prędkość najmniejsza jaką należy nadać ciału wyrzuconemu z Ziemii, aby oddaliło się do nieskończoności.
W nieskończoności prędkość tego ciała będzie równa zeru, ciało wyrzucone zaś z prędkością większą niż druga prędkość kosmiczna nie utraci całkowicie swej prędkości w nieskończoności. Energia mechaniczna ciała wyrzuconego z drugą prędkością kosmiczną będzie w nieskończoności równa zeru.
Zasada zachowania energii:
Druga prędkość kosmiczna jest o pierwiastek z dwóch większa od pierwszej i podobnie jak ona jest niezalezna od masy. Wartość drugiej prędkości kosmicznej (V2) nie zależy od kierunku wyrzucenia ciała, bowiem zasada zachowania energii spełniona jest niezaleznie od toru ciała w polu grawitacyjnym. Tym samym praca wykonana przez siłę pola nie zależy od kształtu drogi.
Keplera prawa, trzy prawa sformułowane przez J. Keplera, opisujące ruch planet w Układzie Słonecznym:
I prawo Keplera: planety poruszają się po orbitach eliptycznych, przy czym Słońce znajduje się w jednym z ognisk elipsy.
II prawo Keplera: dla danej planety stałą wielkością jest jej tzw. prędkość polowa (tj. pole powierzchni figury ograniczonej łukiem elipsy zakreślanym przez planetę w jednostce czasu i odległościami od końców łuku do ogniska).
III prawo Keplera: kwadraty okresów obiegów planet wokół Słońca są proporcjonalne do trzecich potęg ich średnich odległości od Słońca.