Орленок В.В. Основы геофизики

Подождите немного. Документ загружается.

, (I.22)

то выражение для момента импульса планеты примет вид:

Lmr=

. (I.23)

Из последней формулы следует, что при сжатии вращающихся сис-

тем, т. е. при уменьшении

r и постоянстве т, угловая скорость вра-

щения

ω неизбежно возрастает.

В табл. I.1 приведены орбитальные параметры планет. Хорошо

видно, как по мере возрастания радиуса орбиты (гелиоцентрического

расстояния) уменьшается период обращения и, следовательно, ско-

рость движения планет.

При движении планеты вокруг Солнца сила притяжения последне-

го уравнивается центростремительной силой, приложенной к планете:

= . (I.24)

Отсюда легко найти среднюю орбитальную скорость движения плане-

ты, которая совпадает с круговой скоростью:

, (I.25)

где

r = a – расстояние от Солнца;

Т – период обращения планеты вокруг светила.

В качестве примера найдем среднюю орбитальную скорость вра-

щения Земли, положив в формулу (I.25)

Т = 365,2564·86400 с =

31,56

·10

с, а = 149,6·10

км, получим V = 29,78 км/с.

В табл. I.2 приведены параметры всех известных на сегодня спут-

ников планет. Обращаем внимание на наиболее крупные из них. Луна

– спутник Земли, Ио, Европа, Ганимед и Каллисто – спутники Юпите-

ра, Титан – спутник Сатурна, Тритон – спутник Нептуна. Это самый

крупный спутник в Солнечной системе. Диаметр Тритона 6000 км. Три

последние планеты имеют также своеобразные кольца, исследование

которых с американской межпланетной станции «Вояджер-2» показа-

ло, что они состоят из темного материала, частицы которого имеют

размеры порядка метра и более. Не исключено, что это каменные об-

ломки разрушившихся небольших спутников или продукты выбросов

мощных вулканических взрывов.

Таблица I.2

Орбитальные параметры спутников планет

Название Орбитальный

радиус, км

Радиус, 10

м Масса,

кг

Плотность,

кг/м

Спутник Земли

Луна 384,4 1738

734,9 (±0,7)

3,34

Спутники Марса

Фобос 9,378

13,5⋅10,7⋅9,6 1,26(±0,1)⋅10

-4

2,2(±0,5)

Деймос 23,459

7,5⋅6,0⋅5,5 1,8(±0,15)⋅10

-5

1,7(±0,5)

Спутники Юпитера

Метис (Мети-

да)

127,96

?⋅20⋅20

- -

Адрастея 128,98

12,5⋅10⋅7,5

- -

Амальтея 181,3

135⋅82⋅75

- -

Теба (Фива) 221,9

?⋅55⋅45

- -

Ио 421,6 1815

894±2

3,57

Европа 670,9 1569

480±2

2,97

Ганимед 1070 2631

1482,3±0,5

1,94

Каллисто 1883 2400

1076,6±0,5

1,86

Леда 11094 8 - -

Гималия 11480 90 - -

Лиситея 11720 20 - -

Элара 11737 40 - -

Ананке 21200 15 - -

Карме 22600 22 - -

Пасифае 23500 35 - -

Синопе 23700 20 - -

Спутники Сатурна

Атлас (Атлант) 136,64

19⋅?⋅14

- -

Прометей 139,35

70⋅50⋅37

- -

Пандора 141,70

55⋅43⋅33

- -

Эпиметей 151,422

70⋅58⋅50

- -

Янус 151,472 - - -

Мимас 185,52 197

0,38±0,01

1,24

Энцелад 238,02 251

0,8±0,3

1,24

Тефия (Тетис) 294,66 524

7,6±0,9

1,26

Телесто 294,66

?⋅12⋅11

- -

Калипсо 294,66

15⋅13⋅8

- -

Диона 377,40 559

10,5±0,3

1,44

Елена (Хелен) 377,40

18⋅?⋅15

- -

Окончание табл. I.2

Название Орбитальный

радиус, км

Радиус, 10

м Масса,

кг

Плотность,

кг/м

Рея 527,04 764

24,9±1,5

1,33

Титан 1221,85 2575

1345,7±0,3

1,881

Гиперион 1481,1

175⋅120⋅100

- -

Япет 3561,3 718

18,8±1,2

1,21

Феба 12952

115⋅110⋅105

- -

Спутники Урана

Корделия 49,75

∼25

- -

Афелия 53,77

∼25

- -

Бианка 59,16

∼25

- -

Крессида 61,77

∼30

- -

Дездемона 62,65

∼30

- -

Джульетта 64,63

∼40

- -

Порция 66,10

∼40

- -

Розалинда 69,93

∼30

- -

Беллинда 75,25

∼30

- -

Пак 86,00 85 - -

Миранда 129,8 242 0,71

1,26±0,39

Ариэль 191,2 580 14,4

1,65±0,30

Умбриэль 266,0 595 11,8

1,44±0,28

Титания 435,8 800 34,3

1,59±0,09

Обертон 582,6 775 28,7

1,50±0,10

Спутники Нептуна

Тритон 354,3 1750

1300±250

(5)

Нереида 5515

∼200

- -

Спутник Плутона

Харон 19,1

∼500

- (0,8)

Примечание: В скобках – неточные данные, знак вопроса – нет данных.

§3. Солнце. Основные характеристики

Солнце относится к классу небольших звезд, достаточно далеко

проэволюционировавших в своем развитии. Возникло оно около

5 млрд. лет назад и в настоящее время имеет массу

~2,10

г, радиус –

696000 км, среднюю плотность вещества – 1,41 г/см

, ускорение силы

тяжести на поверхности – 274 м/с

Видимый бело-желтый диск Солнца – это его фотосфера, предста-

вляющая горячую плазменную атмосферу звезды с температурой по-

верхности 6000 К (напомним, что

К – термодинамическая температура

Кельвина. Нормальная температура 0°С = 273 К. Величина -273,16°С

называется абсолютным нулем температуры).

В Солнце сосредоточено более 99%

всей массы Солнечной систе-

мы. Угловая скорость вращения Солнца, наблюдаемая по фотосфере,

убывает по мере удаления от экватора. Период вращения на экваторе

равен 25 суткам, вблизи полюсов – 30 суткам. Линейная скорость вра-

щения на экваторе близка 2 км/с, т. е. много медленнее скорости вра-

щения Земли и других планет, но происходит в том же направлении.

Все это подтверждает предположение, что мы наблюдаем вращение

плазменной атмосферы и что внутреннее твердое тело звезды может

вращаться с иной скоростью. Напомним, что плазмой называется газ,

значительная часть атомов которого находится в ионизированном со-

стоянии.

Солнце является мощным источником тепловой, электромагнит-

ной и гравитационной энергии. Эта энергия равномерно рассеивается в

космическое пространство и на долю Земли и планет приходится лишь

малая ее часть.

В оптическом диапазоне спектра Земля, например, получает

1,96 кал/см

·мин, или 1,37·10

Вт/м

. Эта величина называется солнеч-

ной постоянной. Она меняется в зависимости от гелиоцентрического

расстояния и сильно меняется от планеты к планете.

Полная светимость Солнца определяется из выражения:

LFa

226

4 3 85 10==⋅

, Вт, (I.30)

где

a = 149,6·10

м; 4

– площадь поверхности сферы радиусом в

1 а. е.

Каждый квадратный метр звезды излучает энергии в секунду

63 10

==⋅

Вт/м

, (I.31)

т. е. в 10000 раз больше, чем получает вся Земля за одну минуту.

Спектр излучения Солнца лежит в широком диапазоне частот и

длин волн (рис. 4) – от радиоизлучения (метровые волны) до гамма-

излучения (длина волны

менее 10

-12

м). Как видно из рисунка, мак-

симум энергии излучения приходится на оптическую и инфракрасную

части спектра. Крайнюю левую часть спектра занимают волны жестко-

го ультрафиолетового и рентгеновского излучения, крайнюю правую –

радиоизлучения.

Рис. 4. Спектр излучения Солнца

Поскольку интенсивность излучения зависит только от изменения

температуры с глубиной, то по наблюдениям интенсивности выходя-

щего от звезды излучения можно составить представление об измене-

нии температуры в ее недрах. Максимальная температура Солнца –

6150 К – наблюдается в зеленой части спектра (

= 5000

А ). Напом-

ним, что 1 Ангстрем = 10

-10

м. В красном (

= 6400 – 7600

А ) и фиоле-

товом (

= 3900 – 4500

А ) частях спектра температура близка 5800 К.

В ультрафиолетовом диапазоне (

= 1000

А ) температура уменьшается

до 4500 К, а в радиодиапазоне на

= 1 м возрастает до 10

К.

Столь различные температуры не могут исходить только из одной

фотосферы, ибо физические условия на ней довольно однородны. В

целом на долю светового излучения Солнца приходится 81% энергии,

на долю теплового – около 18%, а на долю ультрафиолетового – менее

1%. Чтобы лучше понять природу такого распределения энергии излу-

чения, которое, как мы увидим, играет огромную роль в жизни Земли,

рассмотрим основные черты строения внешних оболочек Солнца.

Внутреннее строение и энергетику его мы будем изучать в других гла-

вах.

Атмосфера Солнца состоит из трех главных уровней – фотосферы,

хромосферы и короны (рис. 5). На каждом из этих уровней идут раз-

личные физические процессы.

Рис. 5. Внутреннее строение Солнца

Фотосфера представляет собой нижний наиболее активный свето-

проводящий слой атмосферы. Это граница прозрачности звездного

вещества, видимого нами в виде бело-желтого диска Солнца.

На фотографиях поверхность фотосферы покрыта гранулами. Это

неустойчивые образования размером от 700 до 1400 км, которые не-

прерывно появляются и распадаются, создавая впечатление кипящей

поверхности. Фотосфера излучает энергию в оптическом и инфракрас-

ном диапазонах. Потери энергии непрерывно пополняются притоком

ее из более глубоких слоев. Этот процесс поддерживает стационар-

ность излучения и осуществляется за счет процессов поглощения и пе-

реизлучения. Перенос энергии происходит также конвективным путем

с помощью гранул, представляющих собой своеобразные конвектив-

ные ячейки. Горячее вещество выносится из недр на поверхность, где

оно охлаждается и вновь погружается. В промежутках между гранула-

ми наблюдается выброс вещества – спикулы и факелы. Толщина фото-

сферы около 500 км.

Следующий слой солнечной атмосферы – хромосфера – простира-

ется на расстоянии 15000 – 20000 км и имеет ярко-красный цвет. Она

наблюдается при солнечном затмении в виде алого кольца вокруг чер-

ного диска Солнца. Температура хромосферы порядка 20000 К.

В хромосфере хорошо видны выбросы горячей плазмы – спикулы

(протуберанцы). Высота выбросов достигает 12 тыс. км, а поперечные

размеры – 1000 км.

Над хромосферой располагается корона, размеры которой колеб-

лются в зависимости от активности Солнца. Внутренняя корона про-

стирается на 300 – 500 тыс. км и имеет колоссальную температуру – в

1 млн. градусов Кельвина. Она состоит из ионизированных светящихся

газов. Внешняя корона представляет собой туманное свечение солнеч-

ного света на пылевых частицах, концентрирующихся вокруг Солнца

на расстоянии до 80 млн. км. Поэтому эта часть короны имеет светло-

желтый оттенок. По мере удаления от хромосферы температура коро-

ны понижается, на орбите Земли составляет 200000 К. Периферия ко-

роны состоит из разреженных электронных облаков, выбрасываемых

Солнцем, которые, будучи вмороженными в его магнитное поле, дви-

жутся с большими скоростями, достигающими 30 км/с.

Следует сказать, что в ре-

зультате осевого вращения Солн-

це продуцирует мощное магнит-

ное поле, силовые линии которо-

го «приклеиваются» к высоко-

проводящей плазме короны и

вытягиваются в виде спирали да-

леко в межпланетное простран-

ство (рис. 6). В ходе солнечной

активности структура секторного

магнитного поля может менять

свою форму и даже число секто-

ров.

Возвращаясь к энергетике

солнечного излучения, мы те-

перь можем сказать, что основ-

ная доля оптического и инфракрасного излучения исходит из фотосфе-

ры, имеющей температуру около 5800 К. Низкотемпературное излуче-

Рис. 6. Магнитное поле Солнца

ние – 4500 К – соответствует нижним слоям хромосферы. Радиоизлу-

чение и рентгеновское излучение исходят из короны, имеющей в ниж-

ней своей части температуру 10

К. Хромосфера и корона прозрачны

для оптического и инфракрасного излучения фотосферы. Что же в та-

ком случае питает их энергией и создает столь высокую температуру?

Мы видели, что в фотосфере наряду с лучистым переносом энер-

гии происходит и конвективное перемешивание вещества, фиксируе-

мое в виде многочисленных гранул и спикул, а также мощных проту-

беранцевых выбросов плазмы. Это механическое движение огромных

масс вещества на поверхности гигантской звезды должно приводить к

мощным акустическим колебаниям окружающей атмосферы (вспомни-

те шум кипящей воды в чайнике). Иными словами, поверхность звезды

буквально сотрясается от оглушительного рева, звук которого со

сверхзвуковыми скоростями распространяется через хромосферу во

все стороны от Солнца. Однако по мере распространения в солнечную

корону, где плотность вещества быстро убывает, обычные звуковые

волны превращаются в ударные. Как известно из физики плазмы, в

ударных волнах энергия механического движения быстро переходит в

тепловую. Поэтому небольшая по массе и сильно разреженная корона

нагревается до столь высоких температур.

Другой важной характеристикой Солнца является его периодиче-

ская активность, проявляющаяся в появлении на фотосфере темных

пятен, в хромосфере и короне – вспышек, факелов, протуберанцев. Ус-

тановлена 11-летняя периодичность явления солнечной активности.

Наиболее ярким показателем солнечной активности является измене-

ние числа темных пятен и их размеров на диске Солнца. Температура

их на 1500 К ниже температуры окружающей фотосферы, диаметр

достигает 2 – 50 тыс. км. В рельефе поверхности пятна фиксируются в

виде впадин глубиной 700 – 1000 км. Важной характеристикой пятна

является его магнитное поле, напряженность которого достигает ги-

гантской величины – 4

·10

А/м. Для сравнения укажем, что напряжен-

ность магнитного поля Земли в районе полюсов всего 70 А/м.

Время жизни пятен – от нескольких часов до нескольких месяцев.

Обычно уровень солнечной активности характеризуется числом Воль-

фа

fgW

10 , (I.32)

где

g – число групп пятен; f – общее число всех пятен, видимых на

диске Солнца.

Солнечная активность оказывает большое влияние на климат, по-

году, жизнь биосферы Земли. Причины солнечной активности до сих

пор являются предметом дискуссий. Есть по крайней мере две группы

гипотез – эндогенные, объясняющие периодичность активности внут-

ризвездными процессами, и экзогенные, связывающие ее с приливным

взаимодействием с планетой-гигантом Юпитером.

С эндогенными гипотезами пока еще много неясного, хотя успехи

изучения физики звезд, как мы увидим, весьма впечатляющи.

Экзогенные причины цикличности солнечной активности привле-

кают внимание сходством периодов обращения Юпитера вокруг

Солнца (11,86 года) и средней длительностью солнечного цикла

(11,13 года). Обнаруживается связь между изменением гелиоцентриче-

ского расстояния Юпитера с числом пятен на Солнце. Величина юпи-

терианского прилива на Солнце составляет всего 1 мм. Однако иссле-

дования показали, что здесь важно не изменение скорости приливного

смещения центра Солнца (первая производная), а толчок (третья про-

изводная). Вклад планет в толчок возрастает на порядок величин.

§4. Движение Солнца по эклиптике

Вследствие вращения планет, и в частности Земли, вокруг Солнца

создаются различные условия освещенности и обогрева ее поверхно-

сти на различных участках орбиты. Это вызывает смену времен года,

что обусловлено тремя причинами – на-

клоном земной оси к плоскости земной

орбиты, неизменностью положения оси в

пространстве и обращением Земли во-

круг Солнца. Наблюдателю на Земле ка-

жется, что светило имеет собственное

движение по небесной сфере. На самом

деле это движение обусловлено обраще-

нием Земли.

Видимое годовое движение Солнца

относительно звезд происходит по боль-

шому кругу небесной сферы, называе-

мому эклиптикой (эклипсис – по-гречес-

ки затмение). Плоскость эклиптики на-

клонена к плоскости небесного экватора

под углом 23

°27' (рис. 7). Когда Солнце

проходит точки пересечения эклиптики с

небесным экватором, то на Земле день

Рис. 7. Плоскость эклиптики

на небесной сфере: ПП

– по-

люсы эклиптики; РР

– полю-

сы мира; λ – эклиптическая

долгота; β – эклиптическая

широта; ЕЕ

– плоскость эк-

липтики; QQ

– небесный эк-

ватор; М – светило