Следующий раздел: 3. Наша самая ближняя звезда Выше по контексту: Проект Краткая Энциклопедия Астрономия и Предыдущий раздел: 1. Астрономия история   Алфавитный индекс

Разделы

2. Земля и другие планеты


2.1 Почему в году 365 дней

Вопрос: Почему в году 365 дней?

Ответ: Чтобы найти число дней в году надо период обращения Земли вокруг Солнца поделить на период обращения Земли вокруг собственной оси. Поскольку мы ведем наблюдения с Земли, участвующей в нескольких неравномерных вращениях, то экспериментально определить периоды обращений непросто, больше того, они будут непостоянными.

Подробнее в книге: П.И.Бакулин, Э.В.Кононович, В.И.Мороз "Курс общей астрономии", М., Наука, 1983.

На сегодняшний день продолжительность звездного года равна 365,256 средних солнечных суток. Длительность года меняется из-за влияния на Землю других планет солнечной системы. Точные расчеты показывают, что эксцентриситет орбиты Земли меняется непериодически, но с характерным временем, равным ста тысячам лет.

Подробнее в книге: А.В.Бялко "Наша планета - Земля", Библиотечка "Квант" выпуск 29, М., Наука, 1989, стр.37-40.

Длительность суток непостоянна. Она систематически растет (т.н. вековые изменения) из-за торможения приливами на 0,0023 с в 100 лет. В то же время существуют скачкообразные изменения на тысячные доли секунды за время в несколько месяцев. Достоверно их причина не установлена. Также присутствуют сезонные изменения из-за перераспределения воздушных и водных масс Земли на $ \approx 0,001$ с за год.

Подробнее в книге: П.И.Бакулин, Э.В.Кононович, В.И.Мороз ``Курс общей астрономии'', М., Наука, 1983, параграф 75.

Таким образом, число дней в году непостоянно. Например, 380 млн. лет назад в году было около 400 дней. Этот результат получен после исследования годичных и суточных колец роста ископаемых кораллов.


Литература: А.С.Монин ``Популярная история Земли'', М., Наука, 1980, стр.193-197.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


2.2 ``Окольцованные'' планеты

Вопрос: Сколько планет в солнечной системе имеют кольца? Как и почему они образовались? Какое значение они имеют для планет?

Ответ: Открытые в XVII в. кольца Сатурна постоянно будоражили воображение исследователей своей уникальной формой. Кольца Сатурна исследовали такие блестящие астрономы, механики и математики, как Г. Галилей, X. Гюйгенс, Ж. Д. Кассини, П. С. де Лаплас, Дж. К. Максвелл, А. Пуанкаре. Кант был первым, кто предсказал существование тонкой структуры колец Сатурна. Пользуясь своей моделью протопланетного облака, он представлял себе кольцо в виде плоского диска из сталкивающихся частиц, вращающихся дифференциально вокруг планеты по закону Кеплера. Именно дифференциальное вращение, согласно Канту, является причиной расслоения диска на серию тонких колечек. Позднее П. С. де Лаплас доказал неустойчивость твердого широкого кольца. В середине прошлого века многие астрономы (Вика в Риме, Бонд в США, Струве в России, Доуес и Лассель в Англии) обнаружили всего десять колечек вокруг Сатурна. Выдающийся вклад в исследование устойчивости колец Сатурна внес в это же время Дж. К. Максвелл, получивший премию Адамса за труд, в котором он показал, что такие узкие кольца также неустойчивы и будут падать на планету. И хотя вывод Maксвелла о падении гипотетического сплошного ледового кольца на планету был неправильным (такое кольцо гораздо раньше должно развалиться на куски), следствие из него -- о метеорном строении колец Сатурна -- оказалось верным. Так, к концу XIX в. гипотеза метеорного строения колец Сатурна, высказанная впервые Ж. Д. Кассини, получила теоретическое, а в 1893 г. -- н наблюдательное подтверждение в работах Дж. Килера и А.А. Белопольского, измеривших скорости дифференциального вращения колец.

В течение XX в., шло постепенное накопление новых данных о планетных кольцах: получены оценки размеров и концентрации частиц в кольцах Сатурна, спектральным анализом установлено, что кольца -- ледяные, открыто загадочное явление азимутальной переменности яркости колец Сатурна. Размеренный темп научной деятельности сменился бурным подъемом всеобщего интереса к планетным кольцам в конце семидесятых годов, когда 10 марта 1977 г. несколькими исследовательскими группами независимо были открыты узкие и далеко отстоящие друг от друга угольночерные кольца Урана. Открытие было сделано совершенно случайно, когда, готовя аппаратуру для исследования параметров атмосферы Урана методом покрытия звезды и заранее настроив приборы, исследователи обнаружили короткие затмения при подходе звезды к планете и при ее удалении. Наилучшие снимки получились с помощью телескопа летающей Койперовской обсерватории.

Через два года -- 4 марта 1979 г. американский межпланетный аппарат ``Вояджер-1'' обнаружил прозрачные каменные кольца и вокруг Юпитера . В начале 80-х годов кольца Сатурна исследовались наиболее интенсивно. В их окрестности работала серия американских космических аппаратов: "Пионер-11" (октябрь 1979 г.), "Вояджер-1" (ноябрь 1980 г.), "Вояджер-2" (август 1981 г.). В январе 1986 г. "Вояджер-2" исследовал кольца Урана. В августе 1989 г. этот аппарат встретился с Нептуном, вокруг которого несколько лет назад методом покрытия звезды были обнаружены незамкнутые кольца (или "дуги"). "Вояджер-2" уточнил земные наблюдения: ``дуги'' оказались более плотными частями замкнутых колец.

На сегодняшний день из удаленных планет только у Полутона не обнаружены кольца. Как ни странно, эпоха ``великих географических открытий'' в Солнечной системе еще далека от завершения: совсем недавно были открыты новые спутники Урана, а с помощью ``Телескопа Хаббла'' удалось получить четкую фотографию Плутона.

Фактически, за последние годы был открыт и изучен новый класс объектов Солнечной системы. Планетные кольца оказались обязательным элементом и закономерным явлением в спутниковых системах планет-гигантов, естественно, что обилие экспериментального материала не могло не вызвать интенсивного развития теоретических моделей. Это не просто интерес к новым астрономическим объектам. Все большее распространение получает мнение, что планетные кольца -- ключ к пониманию космогонии всей Солнечной системы. Ведь кольца на сегодняшний день являются единственными, доступными для детального изучения, представителями дифференциально вращающихся дисков неупругих частиц. Исследование таких дисковых систем имеет принципиальную важность для космогонии, так как на протостадии это самый распространенный тип динамической системы (протопланетное облако, протоспутниковые диски, протокольца планет). К этому же классу объектов нужно отнести и протопланетные облака вокруг других звезд, аккреционные диски в системах двойных звезд, галактические и протогалактические диски. Таким образом, планетные кольца предоставляют уникальную возможность получить важнейшую информацию о коллективных и других процeccax, протекавших на стадии образования планет и Солнечной системы.

Перечислим основные проблемы физики планетных колец:

Почему существуют планетные кольца? Классические модели формирования колец предполагали, что кольца -- это область приливного разрушения крупных тел. Но после полетов ``Вояджеров'' стало ясно, что для разрушения частиц наблюдаемых размеров $ \le 10$ м) приливные силы слишком слабы. Вопрос о причинах существования колец оказался прямо связан с механическими характеристиками типичной частицы.

Что вызвало расслоение колец Сатурна? Наблюдаемая иерархическая структура колец Сатурна составлена по принципу ``матрешки'': широкие $ \sim 1000$ км кольца состоят из системы более узких $ \sim 100$ км колец и т.д. Распространенное мнение, что расслоение колец Сатурна связано только с неустойчивостью отрицательной диффузии, противоречит наблюдениям -- данная неустойчивость может вызывать образование только самых узких (в сотни метров) колечек в достаточно плотных частях диска.

Как образовались и почему не разрушаются кольца Урана? Наиболее популярна гипотеза о том, что узкие, эллиптические кольца Урана сформировались и сохраняют стабильность, благодаря двум спутникам-"пастухам" по краям каждого кольца. Однако "Вояджер-2" в 1986 г. не обнаружил между кольцами Урана столь необходимых для этой гипотезы спутников-"пастухов". При этом данные "Вояджера-2" подтвердили альтернативную гипотезу о резонансной природе колец Урана. В настоящее время в физике планетных колец существует большое число моделей и гипотез, часто взаимоисключающих друг друга. Поэтому представить единую картину происхождения и динамики планетных колец довольно трудно. Например, ряд исследователей устойчивости планетных колец исходит из модели гладкой и весьма упругой ледяной частицы, не затрагивая при этом проблемы существования колец. Космогонисты в свою очередь рассматривают в качестве типичной частицы колец чрезвычайно эфемерное образование (в 10 тысяч раз менее прочное, чем скопление самого пушистого земного снега), не задумываясь о том, как будет ``работать'' такая непрочная частица в других теоретических моделях.

Для того, чтобы дать физически цельную картину планетных колец, критически исследуя и альтернативные решения ряда проблем, приходится обращаться к самым различным методам и областям науки: к небесной механике и физике льда и снега, к теории удара и кинетической теории газов, к теории неустойчивостей и физике плазмы.


Литература: Н.Н.Горьковатый, А.М.Фридман ``Самоорганизация в кольцах планет'', журнал ``Природа'', 1991, N1, стр.56-68., Д.Н.Кузи, Л.У.Эспозито ``Кольца Урана'', журнал ``В мире науки'', 1987, N9, стр.26-33, Горьковатый, А.М.Фридман ``Физика планетных колец'', журнал ``Успехи физических наук'', 1990, N2, стр.169-238.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


2.3 Другие солнечные системы

Вопрос: Сколько солнечных систем существует во Вселенной?

Ответ: На настоящий момент по различным источникам открыто 17 планетных систем вне Солнечной системы. Первая планета открыта в 1989 г. у звезды HD114762 на расстоянии примерно 94 световых года от Земли. Вторая планетная система (две планеты) открыта в 1991 г. у звезды PSR 1257+12, находящейся на расстоянии примерно 1600 световых лет от Земли. В 1994 г. в этой системе обнаружена третья планета. Возможно существование и четвертой планеты. Начиная с 1994 г. планетные системы открывались регулярно: 1994 г. -- у звезды HD114762; 1995 г. -- у звезды 51 Pegasi; 1996 г. -- 7 планетных систем; 1997 г. - одна; 1998 г. -- 5 новых планетных систем.

Большинство обнаруженных планетных систем имеет по одной планете, как правило, массивной. Возможно, в будущем в этих системах будут дополнительно обнаружены более мелкие планеты.

28 мая 1998 г. с помощью орбитального телескопа Хаббл сделан снимок первой планеты вне Солнечной системы, находящейся на расстоянии примерно 450 световых лет от Земли и принадлежащей первой звезде двойной звездной системы Taurus Molecular Ring.


Источник: http://www.astronautica.com/main.htm

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


2.4 Замедление вращения Земли

Вопрос: Правда ли, что Земля замедляет свой ход? С чем это связано?

Ответ: Под действием притяжения Луны на Земле возникают приливные горбы. Известно, что приливные горбы не находятся точно на прямой Земля-Луна. Из-за асимметрии притяжения приливных горбов к Луне возникает малый момент сил, замедляющий земное вращение.


Литература: А.В.Бялко ``Наша планета -- Земля'', Библиотечка ``Кванта'' N29, 1989, стр.75, Д.В.Сивухин ``Общий курс физики'', т.1, Наука, 1989, параграф 69.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


2.5 Двойник Земли

Вопрос: Правда ли, что у планеты Земля есть двойник и его не видно, потому что он находится в противофазе?

Ответ: Задача определения движения 4 и более тел под действием сил тяготения (а именно таковой является Солнечная система) в общем случае до сих пор не решена. Если в системе 3 тела, то есть несколько частных случаев, для которых есть точное решение. Впервые они были найдены Лагранжем в 1772 г. Суть его работы сводится к тому, что если заданы массы тел и положение 2 тел на плоскости, то существует 5 точек, в которых может быть расположено третье тело, и система при этом будет устойчива. Таким образом: если три тела расположены на одной прямой, то они обращаются, оставаясь на ней вокруг общего центра масс. Если три тела расположены в вершинах равностороннего треугольника, то они обращаются вокруг общего центра масс так, что треугольник остается все время равносторонним.

Если бы в нашей Солнечной системе было всего три тела: Солнце, Земля и двойник Земли в противофазе, то в соответствии с решением Лагранжа система была бы устойчивой. Но поскольку в Солнечной системе небесных тел значительно больше трех, то несимметричные возмущения планетных орбит неизбежно приведут к нарушениям конфигурации системы и нарушению устойчивости планетных орбит.

Как мы сейчас понимаем, двойника Земли, находящегося в противофазе, быть не может (хотя сообщения о существовании двойника Земли периодически появляются в ``бульварной'' прессе).

Но, тем не менее, во всех 5 точках Лагранжа , посчитанных для системы ``Земля-Солнце и третье тело'', обнаружены скопление пыли и газа.


Литература: П.И.Бакулин, Э.В.Кононович, В.И.Мороз ``Курс общей астрономии'', М., 1977, Ч.Альвен, Г.Аррениус ``Эволюция Солнечной системы'', М., 1979, А.Д.Брюно ``Ограниченная задача трех тел'', М., 1990.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


2.6 Вращение Земли вокруг своей оси

Вопрос: Почему Земля вращается вокруг своей оси, а не беспорядочно?

Ответ: Земля вращается по инерции. Если бы Земля имела форму шара, однородного или состоящего из сферических слоев равной плотности, и являлась бы абсолютно твердым телом, то направление оси и период ее вращения не менялись бы. Поскольку Земля сплюснута с полюсов, и ее ось вращения не перпендикулярна к плоскости движения Земли вокруг Солнца, то со стороны Солнца и Луны на Землю действует пара сил, приводящая к прецессии и нутации земной оси. В результате прецессии земная ось, оставаясь все время наклоненной к плоскости движения Земли под углом около 66 градусов 34 минуты, медленно описывает вокруг оси эклиптики конус с периодом около 26000 лет. В результате нутации ось вращения Земли совершает различные мелкие колебания около своего среднего положения. Самое главное нутационное колебание имеет период в 18,6 года. Строго говоря, на Землю действуют и остальные планеты, изменяя положение в пространстве плоскости земной орбиты, что смещает точку весеннего равноденствия к востоку на 0,114 секунды в год.

Прецессию и нутацию можно наблюдать на примере вращения обыкновенного волчка или шестеренки от часов.


Литература: Д.В.Сивухин ``Общий курс физики'', т.1, М., Наука, 1989, параграф 50, П.И.Бакулин, Э.В.Кононович, В.И.Мороз ``Курс общей астрономии'', М., Наука, 1983, параграф 72.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru



E.M.Baldin@inp.nsk.su
23 Января 2000