§ 4. Нептун – царство холода

4.1. Открытие.

Нептун - восьмая по счёту планета Солнечной системы. Нептун был открыт необычным образом. Было замечено, что Уран движется не совсем так, как ему полагается двигаться под действием притяжения Солнца и известных в то время планет. Тогда заподозрили существование ещё одной массивной планеты и попытались пред вычислить её положение на небе. Эту чрезвычайно сложную задачу независимо друг от друга успешно решили английский астроном Дж.Адамс и француз У. Леверье. Получив данные Леверье, ассистент Берлинской обсерватории И.Галле 23 сентября 1846 г. обнаружил планету. Открытие Нептуна имело величайшее значение прежде всего потому, что оно послужило блестящим подтверждение закона всемирного тяготения, положенного в основу расчётов.

4.2. Общая характеристика. Средняя удалённость Нептуна от Солнца 30,1 а.е., период вращения по орбите - 164 года и 288 дней. Таким образом, с момента открытия Нептун даже не совершил полного оборота по своей орбите. Видимый угловой диаметр Нептуна составляет около 2". При измерении столь малого диаметра угломерными приспособлениями с поверхности Земли относительная ошибка очень велика. Уточнить диаметр Нептуна удалось 7 апреля 1967 г., когда планета в своём движении на фоне звёздного неба заслонила одну из далёких звёзд. По результатам наблюдений с нескольких астрономических обсерваторий экваториальный диаметр Нептуна составляет 50 200 км. Новые сведения о диаметре позволили уточнить величину средней плотности Нептуна: она оказалась равной 2,30 г/см. Такие характеристики типичны для планет-гигантов, состоящих главным образом из водорода и гелия с примесью соединений других химических элементов. В центре Нептуна, согласно расчётам, имеется тяжёлое ядро из силикатов, металлов и других элементов, входящих в состав земной группы. Изучение характера ослабления блеска звезды при её затемнении атмосферой Нептуна дало много дополнительной информации. В частности, был найден средний молекулярный вес надоблачных слоёв атмосферы Нептуна. Он соответствует молекулярному водороду с небольшой примесью метана. Детали на поверхности Нептуна различить очень трудно. Поэтому параметры суточного вращения - положение оси, направление и период вращения - определить из наземных наблюдений очень сложно.

4.3. Спутники Нептуна.

У Нептуна всего два спутника. Первый Тритон, открытый в 1846 году английским астрономом-любителем Уильямом Ласселом. Спутник оказался необычным: он движется в направлении обратном вращению самой планеты. Сейчас установлено, что четыре внешних спутника Юпитера и самый внешний спутник Юпитера Феба являются обратными. Тем не менее Тритон выделяется среди них: его диаметр – 2700 километров, и в нем сосредоточена почти вся масса спутниковой системы Нептуна. Кроме того, он обращается очень близко к Нептуну – на расстоянии всего 355 тысяч километров. Обратные спутники других планет имеют диаметры в пределах от 30 до 220 километров, содержат ничтожную часть массы своих спутниковых систем и удаленны от планет на 13-25 миллионов километров.

Через две недели после открытия самого Нептуна, был открыт второй спутник - Нереида - очень небольшой, диаметром 340 километров. Обладает сильно вытянутой орбитой. Расстояние от спутника до планеты меняется в пределах от 1,5 до 9,6 млн. км. В зависимости от перигея к апогею орбиты. Направление орбитального движения - прямое. Нейрида делает полный оборот вокруг Нептуна за 360 суток когда Тритон делает полный оборот за 6 суток.

4.4. Арки в кольцах Нептуна.

После того как в 1977 году по затмению звезды были обнаружены кольца Урана, аналогичные наблюдения начали проводить для Нептуна. И действительно в середине 80-ых годов ученые открыли кольца, но очень странные: они были неполными. Эти разорванные кольца стали называть дугами или арками. Вещество в них распределено не равномерно: плотность резко падает у концов дуги. Представить себе стабильное скопление частиц в одной части орбиты очень трудно. Ведь периоды обращения независимых частиц хоть немного, но отличаются, так что всё скопление должно постепенно растянуться вдоль орбиты и превратиться в кольцо.

В августе 1989 года Вояджер-2 сфотографировал уникальное образование - три плотные яркие арки, нанизанные на непрерывное узкое и прозрачное пылевое колечко. Внутри арок видна цепь отдельных сгустков на расстоянии нескольких сот километров друг от друга. Исследование арок показывает, что в середине они содержат уплотнение шириной 15 километров, окруженное прозрачным пылевым шлейфом шириной 50 километров.

Сложные расчеты позволили сделать вывод, что арки Нептуна представляют собой цепочки ранее неизвестных науке эллиптических вихрей антициклонического типа, состоящих из твердых частиц. Размеры самых крупных частиц, видимо, достигают нескольких сот метров. Эти уникальные вихри названы эпитонами; они сложным образом взаимодействуют с ближайшим спутником (Галатей), между собой и с непрерывным пылевым кольцом.

Заключение

Передо мной стояло много вопросов: каковы особенности физических свойств планет-гигантов, их основные характеристики, отличие от планет земной группы и найти черты сходства и различия между собой, сколько у них спутников, каково их внутреннее строение и структурные строение особенности колец. Я провел исследовательскую работу: и из всего этого можно сделать следующие выводы: что планеты, относящиеся к гигантам: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все эти планеты имеют большие размеры и массы, низкую среднюю плотность.

Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей. Причем, экваториальные зоны планет-гигантов вращаются быстрее, чем полярные. Результат быстрого вращения — большое сжатие планет-гигантов (полярный радиус меньше экваториального)

Гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господствуют низкие температуры. На Юпитере вообще нет смены времен года, поскольку ось этой планеты почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты. Своеобразно происходит смена времен года и на планете Уран, так как ось этой планеты наклонена к плоскости орбиты под углом 8°.

Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников; у Юпитера их обнаружено к настоящему времени 28, Сатурна — 30, Урана — 17, у Нептуна — 8. Замечательная особенность планет-гигантов — кольца, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Heптуна. Из планет-гигантов лучше других исследованы Юпитер и Сатурн.

Планета Юпитер Сатурн Уран Нептун

Радиус 12 RЗ 10 RЗ 4 RЗ 4 RЗ

Масса 318 mЗ 95 mЗ 15 mЗ 17 mЗ

Плотность 1,3г\смЗ 0,7г\смЗ 1,3г\см З 1,6г\см З

Сутки 10ч. 10 ч. 17 ч. 16 ч.

От солнца 5 а.е. 10 а.е. 19 а.е. 30 а.е.

Год 12 лет 30 лет 84 лет 165 лет

Кольца Да Да да да

Спутники 28 30 17 8

Ось вращения | / — /

Важнейшая особенность строения планет-гигантов заключается в том, что эти планеты не имеют твердых поверхностей. Они состоят в основном из легких элементов — водорода и гелия. Все, что удается рассмотреть на планетах-гигантах происходит в протяженных атмосферах этих планет. На Юпитере даже в небольшие телескопы заметны полосы, вытянутые вдоль экватора. В верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы Юпитера в виде примесей встречаются химические соединения, окрашивающие детали атмосферы в различные цвета. По своему химическому составу планеты-гиганты резко отличаются от планет земной группы. Это отличие связано с процессом образования планетной системы.

На фотографиях, переданных с борта американских АМС отчетливо видно, что газ в атмосферах планет-гигантов участвует в сложном движении, которое сопровождается образованием и распадом вихрей. Наблюдаемое на Юпитере около 300 лет Большое Красное Пятно, превосходящее по своим размерам Землю представляет собой огромный и очень устойчивый вихрь. Устойчивые пятна видны и на снимках остальных планет-гигантов. Вещество, находящееся под облачным слоем планет-гигантов, недоступно непосредственному наблюдению. В недрах оно должно иметь высокую температуру, так как эти планеты излучают энергии больше, чем получают от Солнца. Совокупность сведений о планетах-гигантах дает возможность построить модели внутреннего строения этих небесных тел. На Юпитере газообразный водород, входящий в состав атмосферы, переходит в жидкую, а затем, с увеличением давления по мере погружения в глубину и в твердую (металлическую) фазу. Возможно, что с быстрым вращением проводящего ток вещества, находящегося в центральных областях планет-гигантов, связано существование значительных магнитных полей этих планет. Особенно велико магнитное поле Юпитера. Магнитное поле планеты улавливает летящие от Солнца заряженные частицы, которые образуют вокруг планеты радиационные поясам. Такие пояса из всех планет земной группы есть только у нашей планеты. Радиационный пояс являются источниками радиоволн и причиной полярных сияний в атмосферах планет-гигантов, где кроме того наблюдаются мощные электрические разряды (грозы).

Спутники. Система спутников Юпитера напоминает Солнечную систему в миниатюре. Четыре спутника, открытые Галилеем, называют галилеевыми спутниками. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Самый большой из них — Ганимед — превосходит по размерам Меркурий (но вдвое уступает этой планете по массе). Пролетая вблизи спутников Юпитера (а потом Сатурна), американские автоматические межпланетные станции «Пионер» и «Вояджер» передали на Землю фотографии с изображением их поверхностей, которые напоминают поверхности Луны и планет земной группы. Особенно похож на Луну Ганимед. Кроме кратеров, на Ганимеде много длинных хребтов и полос, образующих своеобразные ветвящиеся пучки.

Кольца. Первыми были открыты кольца Сатурна (XVII в., Галилей, Гюйгенс). С Земли в лучшие телескопы видно несколько колец, разделенных промежутками. Но на фотографиях, переданных с АМС, видно множество колец. Кольца очень широкие: они простираются над облачным слоем планеты на 60 000 км. Каждое состоит из частиц и глыб, движущихся по своим орбитам вокруг Сатурна. Толщина же колец не более 1 км. Поэтому, когда Земля при своем движении вокруг Солнца оказывается в плоскости колец Сатурна кольца перестают быть видимыми. Не исключено, что вещество, из которого состоят кольца, не вошло в состав планет и их больших спутников во время формирования этих небесных тел. В 1977 г. были открыты кольца у Урана, в 1979 г. — у Юпитера, в 1989 г. — у Нептуна. На возможность существования колец у всех планет-гигантов еще в 1960 г. указывал известный астроном С. К. Всехсвятский.

Мне кажется что цели, которые я поставил перед собой - были достигнуты, и более того раскрыты почти полностью. Эта работа плод многомесячных усилий, конечно без учителя физики и астрономии Чухарева В.М у меня ничего не получились, и поэтому я думаю что экзаменационная комиссия оценит мой труд, а также труд моего учителя.