Все космогонические гипотезы можно разделить на несколько групп. Согласно одной из них Солнце и все тела Солнечной системы: планеты, спутники, астероиды, кометы и метеорные тела - образовались из единого газовопылевого, или пылевого облака. Согласно второй Солнце и его семейство имеют различное происхождение, так что Солнце образовалось из одного газовопылевого облака (туманности, глобулы), а остальные небесные тела Солнечной системы - из другого облака, которое было захвачено каким-то, не совсем понятным, образом Солнцем на свою орбиту и разделилось каким-то, еще более непонятным образом на множество самых различных тел (планет, их спутников, астероидов, комет и метеорных тел), имеющих самые различные характеристики: массу, плотность, эксцентриситет, направление обращения по орбите и направление вращения вокруг своей оси, наклонение орбиты к плоскости экватора Солнца (или эклиптики) и наклон плоскости экватора к плоскости своей орбиты.
Девять больших планет обращаются вокруг Солнца по эллипсам (мало отличающимся от окружностей) почти в одной плоскости. В порядке удаления от Солнца - это Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон . Кроме них в Солнечной системе множество малых планет (астероидов), большинство которых движется между орбитами Марса и Юпитера. Пространство между планетами заполнено крайне разреженным газом и космической пылью. Его пронизывают электромагнитные излучения.
Солнце в 109 раз больше Земли по диаметру и примерно в 333 000 раз массивнее Земли . Масса всех планет составляет всего лишь около 0,1% от массы Солнца, поэтому оно силой своего притяжения управляет движением всех членов Солнечной системы.

Конфигурация и условия видимости планет

Конфигурациями планет называют некоторые характернее взаимные расположения планет, Земли и Солнца.
Условия видимости планет с Земли резко различаются для планет внутренних (Венера и Меркурий), орбиты которых лежат внутри земной орбиты, и для планет внешних (все остальные).
Внутренняя планета может оказаться между Землей и Солнцем или за Солнцем. В таких положениях планета невидима, так как теряется в лучах Солнца. Эти положения называются соединениями планеты с Солнцем. В нижнем соединении планета ближе всего к Земле, а в верхнем соединении она от нас дальше всего.

Синодические периоды обращения планет и их связь с сидерическими периодами

Период обращения планет вокруг Солнца по отношению к звездам называется звездным или сидерическим периодом.
Чем ближе планета к Солнцу, тем больше ее линейная и угловая скорости и короче звездный период обращения вокруг Солнца.
Однако из непосредственных наблюдений определяют не сидерический период обращения планеты, а промежуток времени, протекающий между ее двумя последовательными одноименными конфигурациями, например между двумя последовательными соединениями (противостояниями). Этот период называется синодическим периодом обращения. Определив из наблюдений синодические периоды, путем вычислений находят звездные периоды обращения планет.
Синодический период внешней планеты - это промежуток времени, по истечении которого Земля обгоняет планету на 360° при их движении вокруг Солнца.

Законы Кеплера

Заслуга открытия законов движения планет принадлежит выдающемуся немецкому ученому Иоганну Кеплеру (1571 -1630). В начале XVII в. Кеплер, изучая обращение Марса вокруг Солнца, установил три закона движения планет.

Первый закон Кеплера . Каждая планета обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон Кеплера (закон площадей). Радиус-вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывает равные площади.

Третий закон Кеплера . Квадраты звездных периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Среднее расстояние всех планет от Солнца в астрономических единицах можно вычислить, используя третий закон Кеплера. Определив среднее расстояние Земли от Солнца (т. е. значение 1 а.е.) в километрах, можно найти в этих единицах расстояния до всех планет Солнечной системы.Большая полуось земной орбиты принята за астрономическую единицу расстояний (=1 a.e.)
Классическим способом определения расстояний был и остается угломерный геометрический способ. Им определяют расстояния и до далеких звезд, к которым метод радиолокации неприменим. Геометрический способ основан на явлении параллактического смещения .

Параллактическим смещением называется изменение направления на предмет при перемещении наблюдателя .

ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Задача . Противостояния некоторой планеты повторяются через 2 года. Чему равна большая полуось ее орбиты?

Дано	РЕШЕНИЕ Большую полуось орбиты можно определить из третьего закона Кеплера: , а звездный период - из соотношения между сидерическим и синодическим периодами: ,
- ?

Размер и форма Земли

На фотоснимках, сделанных из космоса, Земля выглядит как шар, освещенный Солнцем.
Точный ответ о форме и размере Земли дают градусные измерения , т. е. измерения в километрах длины дуги в 1° в разных местах на поверхности Земли. Градусные измерения показали, что длина 1° дуги меридиана в километрах в полярной области наибольшая (111,7 км), а на экваторе наименьшая (110,6 км). Следовательно, на экваторе кривизна поверхности Земли больше, чем у полюсов, а это говорит о том, что Земля не является шаром. Экваториальный радиус Земли больше полярного на 21,4 км. Поэтому Земля (как и другие планеты) вследствие вращения сжата у полюсов.
Шар, равновеликий нашей планете, имеет радиус, равный 6370 км. Это значение принято считать радиусом Земли.
Угол, под которым со светила виден радиус Земли, перпендикулярный к лучу зрения, называется горизонтальным параллаксом.

Масса и плотность Земли

Закон всемирного тяготения позволяет определить одну из важнейших характеристик небесных тел - массу, в частности массу нашей планеты. Действительно, исходя из закона всемирного тяготения, ускорение свободного падения g=(G*M)/r 2 . Следовательно, если известны значения ускорения свободного падения, гравитационной постоянной и радиуса Земли, то можно определить ее массу.
Подставив в указанную формулу значение g = 9,8 м/с 2 , G =6,67 * 10 -11 Н * м 2 /кг 2 ,

R =6370 км, найдем, что масса Земли М=6 x 10 24 кг. Зная массу и объем Земли, можно вычислить ее среднюю плотность.

В конце XVI в. датский астроном И. Кеплер, изучая движение планет, открыл три закона их движения. На основании этих законов И. Ньютон вывел формулу для закона всемирного тяготения. В дальнейшем, используя законы механики, И. Ньютон решил задачу двух тел - вывел законы, по которым одно тело движется в поле тяготения другого тела. Он получил три обобщенных закона Кеплера.

Первый закон Кеплера

Под действием силы притяжения одно небесное тело движется в поле тяготения другого небесного тела по одному из конических сечений - кругу, эллипсу, параболе или гиперболе .

Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптической орбите (рис. 15.6). Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием , самая далекая - афелием . Линия, соединяющая какую-либо точку эллипса с фокусом, называется радиус-вектором

Отношение расстояния между фокусами к большой оси (к наибольшему диаметру) называется эксцентриситетом е . Эллипс тем сильнее вытянут, чем больше его эксцентриситет. Большая полуось эллипса а - среднее расстояние планеты до Солнца.

По эллиптическим орбитам движутся и кометы и астероиды. У окружности е = 0, у эллипса 0 < е < 1, у параболы е = 1, у гиперболы е > 1.

Движение естественных и искусственных спутников вокруг планет, движение одной звезды вокруг другой в двойной системе также подчиняются этому первому обобщенному закону Кеплера.

Второй закон Кеплера

Каждая планета движется так, что радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади.

Планета проходит путь от точки А до А" и от В до В" за одно и то же время.

Другими словами, планета движется быстрее всего в перигелии, а медленнее всего - когда находится на наибольшем удалении (в афелии). Таким образом, второй закон Кеплера определяет скорость движения планеты. Она тем больше, чем планета ближе к Солнцу. Так, скорость кометы Галлея в перигелии равна 55 км/с, а в афелии 0,9 км/с.

Третий закон Кеплера

Куб большой полуоси орбиты тела, деленный на квадрат периода его обращения и на сумму масс тел, есть величина постоянная.

Если Т - период обращения одного тела вокруг другого тела на среднем расстоянии а то третий обобщенный закон Кеплера записывается как

а 3 /[Т 2 (М 1 + М 2)] = G/4π 2

где М 1 и М 2 - массы притягивающихся двух тел, a G - гравитационная постоянная. Для Солнечной системы масса Солнца массы любой планеты, и тогда

Правая часть уравнения - постоянная для всех тел Солнечной системы, что и утверждает третий закон Кеплера, полученный ученым из наблюдений.

Третий обобщенный закон Кеплера позволяет определять массы планет по движению их спутников, а массы двойных звезд - по элементам их орбит.

Движение планет и других небесных тел вокруг Солнца под действием силы тяготения происходит по трем законам Кеплера. Эти законы позволяют рассчитывать положения планет и определять их массы по движению спутников вокруг них.

Астрономия. 11 класс - Конспекты по учебнику «Физика-11» (Мякишев, Буховцев, Чаругин) - Класс!ная физика

Видимое движение планет Движения Солнца и планет по небесной сфере отображают лишь их видимые, то есть кажущиеся земному наблюдателю движения. При этом любые движения светил по небесной сфере не являются связанными с суточным вращением Земли, поскольку последнее воспроизводится вращением самой небесной сферы.

Петлеобразное движение планет Невооруженным глазом можно увидеть пять планет – Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. По внешнему виду их нелегко отличить от звезд, тем более что они не всегда бывают значительно яркими.

Если проследить за перемещением какой-нибудь планеты, например Марса, ежемесячно отмечая его положение на звездной карте, то может выявиться главная особенность видимого движения планеты: планета описывает на фоне звездного неба петлю.

Конфигурация планет Планеты, орбиты которых расположены внутри земной орбиты, называются нижними, а планеты, орбиты которых расположены вне земной орбиты, верхними. Характерные взаимные расположения планет относительно Солнца и Земли называются конфигурациями планет.

Конфигурации нижних и верхних планет различны. У нижних планет это У верхних планет – соединения (верхнее и квадратуры (восточная нижнее) и элонгации и западная), соединение и (восточная и западная). противостояние. Видимое движение Верхние планеты лучше нижних планет всего видны вблизи напоминает противостояний, когда к колебательные Земле обращено все движения около Солнца. освещенные Солнцем полушарие планеты.

Сидерические и синодические периоды обращения планет. Промежуток времени, в течение которого планета совершает полный оборот вокруг Солнца по орбите, называется сидерическим (или звездным) периодом обращения (Т), а промежуток времени между двумя одинаковыми конфигурациями планеты – синодическим периодом (S).

Еще в стародавние времена ученые мужи начали понимать, что не Солнце вращается вокруг нашей планеты, а все происходит с точностью наоборот. Точку в этом спорном для человечества факте поставил Николай Коперник. Польский астроном создал свою гелиоцентрическую систему, в которой убедительно доказал, что Земля не является центром Вселенной, а все планеты, по его твердому убеждению, вращаются по орбитам вокруг Солнца. Работа польского ученого «О вращении небесных сфер», была издана в немецком Нюрнберге в 1543 году.

Представления о том, как расположены планеты на небосводе первым в своем трактате «Великое математическое построение по астрономии», высказал древнегреческий астроном Птолемей. Он первым предположил, что они совершают свои движения по кругу. Но Птолемей ошибочно считал, что все планеты, а также Луна и Солнце движутся вокруг Земли. До работы Коперника его трактат считался общепринятым как в арабском, так и западном мире.

От Браге до Кеплера

После смерти Коперника его труды продолжил датчанин Тихо Браге. Астроном, являющийся весьма состоятельным человеком, оборудовал принадлежащий ему остров, внушительными бронзовыми кругами, на которые наносил результаты наблюдения за небесными телами. Результаты, полученные Браге, помогли в исследовании математику Иоганну Кеплеру. Движение планет Солнечной системы именно немец систематизировал и вывел три своих знаменитых закона.

От Кеплера до Ньютона

Кеплер впервые доказал, что все 6 известных к тому времени планет двигаются вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсам. Англичанин Исаак Ньютон, открыв закон всемирного тяготения, существенно продвинул представления человечества об эллиптических орбитах небесных тел. Его объяснения, что приливы и отливы на Земле происходят под влиянием Луны, оказались убедительными для научного мира.

Вокруг Солнца

Сравнительные размеры крупнейших спутников Солнечной системы и планет Земной группы.

Срок, за который планеты совершают полный оборот вокруг Солнца, естественно различный. У Меркурия, самой ближней к звезде, он составляет 88 земных суток. Наша Земля проходит цикл за 365 дней и 6 часов. Самая крупная в Солнечной системе планета Юпитер завершает свой оборот за 11,9 земных лет. Ну а у Плутона, — наиболее удаленной от Солнца планеты оборот и вовсе составляет 247,7 года.

Следует также учесть, что все планеты в нашей Солнечной системе движутся, не вокруг светила, а вокруг так называемого центра масс. Каждая при этом, вращаясь вокруг своей оси, слегка раскачиваются (подобно юле). К тому же и сама ось может ненамного смещаться.

Местоположение орбиты, орбитальное движение, а также период вращения вокруг оси и её наклон − важные характеристики, которые в некоторых случаях могут полностью определять условия на поверхности планеты. В данной статье я проведу обзор указанных выше характеристик применимо к планетам Солнечной системы и опишу отличительные особенности планет, обусловленные их движением и расположением.

Меркурий

Ближайшая к Солнцу планета является, пожалуй, самой особенной в рамках темы, рассматриваемой в этой статье. А обусловлена эта исключительность Меркурия сразу несколькими причинами. Во-первых – орбита Меркурия самая вытянутая среди всех планет Солнечной системы (эксцентриситет составляет 0,205). Во-вторых − у планеты самый маленький наклон оси к плоскости своей орбиты (всего несколько сотых градуса). В-третьих – соотношение между периодами осевого вращения и орбитального обращения составляет 2/3.

Из-за сильной вытянутости орбиты, разница в расстоянии от Меркурия до Солнца в разных точках орбиты может составлять более чем до полутора раз – от 46 млн. км в перигелии, до 70 млн в афелии. Во столько же раз меняется орбитальная скорость планеты – от 39 км/с в афелии и до 59 км/с в перигелии. В результате такого движения, всего за 88 земных суток (один меркурианский год) угловой размер Солнца при наблюдении с поверхности Меркурия меняется от 104-х угловых минут (что в 3 раза больше, чем на Земле) в перигелии, до 68-ми угловых минут (в 2 раза больше, чем на Земле) в афелии. После чего начинается сближение с Солнцем, и оно снова увеличивается в диаметре до 104-х минут при приближении к перигелию. А разница в орбитальной скорости сказывается на скорости видимого перемещения Солнца на фоне звёзд. Значительно быстрее в перигелии, чем в афелии.

Особенности планеты

Существует и ещё одна особенность видимого движения Солнца на небе Меркурия. В ней, помимо его орбитального движения, замешано ещё и очень медленное осевое вращение (один оборот вокруг оси относительно звёзд занимает почти 59 земных суток). Суть в том, что на небольшом участке орбиты вблизи перигелия угловая скорость орбитального движения планеты больше, чем угловая скорость осевого вращения. В результате этого Солнце, перемещаясь с востока на запад за счёт осевого вращения, начинает замедлять свой ход, останавливается и некоторое время двигается с запада на восток. Поскольку в это время направление и скорость орбитального движения являются преобладающими факторами. При удалении от перигелия видимое движение Солнца относительно горизонта снова становится зависимым от осевого вращения планеты и продолжается с востока на запад.

Соотношение 2/3 периодов обращения вокруг оси и вокруг Солнца приводит к тому, что солнечные сутки на Меркурии длятся 176 земных суток (по 88 суток день и ночь). Т.е. в течение одного меркурианского года, Солнце находится над горизонтом и столько же под ним. Вследствие чего, на 2-х долготах в течение солнечных суток можно наблюдать тройной восход Солнца.

Как это происходит

Солнце сначала медленно выползает из-за горизонта, двигаясь с востока на запад. Затем Меркурий проходит перигелий, и Солнце начинает двигаться на восток, опускаясь обратно за горизонт. После прохождения перигелия Солнце снова двигается с востока на запад относительно горизонта, теперь уже взойдя окончательно, и при этом будет быстро уменьшаться в размерах. Когда Солнце будет близко к точке зенита, Меркурий пройдёт афелий и Солнце начнёт склоняться к западу, увеличиваясь в размерах. Затем, в момент когда Солнце уже практически зайдёт за западный горизонт, Меркурий по орбите снова подойдёт к перигелию, и Солнце взойдёт обратно из-за западного горизонта. По прохождении перигелия Солнце сядет за горизонт окончательно. После чего взойдёт на востоке только через меркурианский год (88 суток) и весь цикл движений повторится. На остальных долготах Меркурий будет проходить перигелий в тот момент, когда Солнце будет уже не у горизонта. И, следовательно, тройного восхода за счёт обратного движения в этих местах происходить не будет.

Разница температур

Из-за медленного вращения и в крайней степени разреженной атмосферы, поверхность Меркурия с солнечной стороны очень сильно нагревается. Особенно это касается так называемых «горячих долгот» (меридианы, на которых Солнце находится в зените при прохождении планетой перигелия). В таких местах температура поверхности может достичь 430 °C. При этом вблизи полярных регионов, из-за незначительно наклона оси планеты, есть места, куда вообще не попадают солнечные лучи. Там температура держится в районе -200 °C.

Подводя итог по Меркурию, видим, что результатом сочетания его отличительного орбитального движения, медленного вращения, уникального соотношения периодов вращения вокруг оси и обращения вокруг Солнца, а также малого наклона оси − является весьма необычное движение Солнца по небу, причём с заметным изменением размеров и самые большие температурные перепады в Солнечной системе.

Венера

В противоположность орбите Меркурия, орбита Венеры наоборот наиболее круглая среди орбит всех остальных планет. В её случае разница в расстоянии до Солнца в перигелии и афелии различается всего на 1,5 млн. км (107,5 млн. км и 109 млн. км соответственно). Но ещё интересней тот факт, что планета обладает ретроградным вращением вокруг оси, так что если бы можно было увидеть Солнце с поверхности Венеры, то в течение дня оно бы всё время двигалось с запада на восток. Причём двигалось бы очень медленно, поскольку скорость осевого вращения Венеры ещё меньше, чем у Меркурия и относительно звёзд, планета завершает оборот за 243 земных суток, что больше, чем длительность года (оборот вокруг Солнца занимает 225 земных суток).

Сочетание периодов орбитального движения и осевого вращения делает продолжительность солнечных суток равной приблизительно 117 земным суткам. Сам по себе наклон оси к плоскости орбиты невелик и составляет 2,7 градуса. Однако с учётом того, что планета вращается ретроградно, она оказывается фактически полностью перевёрнута. В этом случае величина наклона оси к плоскости орбиты составляет 177,3 градуса. Впрочем, на условия на поверхности планеты все указанные выше параметры практически не влияют. Плотная атмосфера очень хорошо удерживает тепло, за счёт чего температура почти не меняется. И неважно в какое время суток, и на какой широте при этом находиться.

Земля

Земная орбита весьма близка по форме к круговой, хотя её эксцентриситет чуть больше, чем у орбиты Венеры. Но разница в расстоянии до Солнца, которая составляет 5 млн. км в перигелии и афелии (147,1 млн. км и 152,1 млн. км до Солнца соответственно), не оказывает существенного влияния на климат. Наклон оси к плоскости орбиты в 23 градуса благоприятен, поскольку обеспечивает привычную для нас смену времён года. Это не допускает столь суровых условий в полярных регионах, которые могли бы быть при нулевом наклоне как у Меркурия. Ведь атмосфера Земли не столь хорошо задерживает тепло, как атмосфера Венеры. Относительно высокая скорость осевого вращения тоже благоприятна. Это не позволяет поверхности сильно нагреться в течение дня и остыть в течение ночи. В противном случае при периодах вращения как у Меркурия и тем более Венеры, температурные перепады на Земле были бы схожими с теми, что на Луне.

Марс

Марс обладает почти такими же периодом обращения вокруг оси и её наклоном к плоскости орбиты, как и Земля. Так что смена времён года происходит по схожему принципу, вот только сезоны длятся почти вдвое дольше, чем на Земле. Ведь на оборот вокруг Солнца требуется опять же почти вдвое большее время. Но есть тут и существенное отличие − орбита Марса имеет довольно заметный эксцентриситет. За счёт чего расстояние до Солнца меняется от 206,5 млн. км до 249,2 млн. км, а этого уже достаточно, чтобы заметно повлиять на климат планеты. Вследствие этого, лето в южном полушарии жарче, чем в северном, однако при этом и зима холоднее, чем в северном.

Планеты–гиганты

У планет-гигантов довольно небольшие эксцентриситеты орбит (от 0,011 у Нептуна, до 0,057 у Сатурна), однако расположены гиганты очень далеко. Следовательно, орбиты длинные, а планеты оборачиваются по ним весьма неторопливо. Юпитеру для полного оборота необходимо 12 земных лет; Сатурну – 29,5; Урану − 84, а Нептуну − 165. Для всех гигантов характерна высокая, по сравнению с планетами земной группы, скорость осевого вращения − 10 часов у Юпитера; 10,5 у Сатурна; 16 у Нептуна и 17 у Урана, за счёт этого планеты заметно сплюснуты у полюсов.

Сильнее всего сплюснут Сатурн, его экваториальный и полярный радиус различаются на 6 тыс. км. Наклоны осей у гигантов различны: совсем небольшой наклон у Юпитера (3 градуса); у Сатурна и Нептуна наклоны составляют 27 и 28 градусов соответственно, что близко к земному и марсианскому, соответственно там есть смена времён года, только в зависимости от удаления от Солнца, различается и длительность сезонов; выбивается в этом плане Уран – его ось, кольца и орбиты всех спутников наклонены на 98 градусов к плоскости орбиты планеты, так что в процессе оборота вокруг Солнца Уран поочерёдно обращён к Солнцу то одним полюсом, то другим.

Несмотря на разнообразие приведённых выше орбитальных и физических характеристик планет-гигантов, условия в их атмосферах в большей степени определяются процессами в недрах, которые в настоящий момент ещё толком не изучены.

В. Грибков