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 centralnym skupiającą prawie całą (99,87%) masę układy 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 gazu międzyplanetarnego, płynącego od Słońca w postaci wiatru słonecznego z prędkością kilkuset km/s. Przestrzeń międzyplanetarna jest przeniknięta polem magnetycznym, którego linie sił są wynoszone ze Słońca wraz z materią. Rozmiary układu słonecznego, określone średnicą orbity Plutona, wynoszą około 12 mld km (80 jednostek astronomicznych), ale wiele komet obiega Słońce po orbitach o półosiach rzędu kilkudziesięciu tys. jednostek astronomicznych, masa układu słonecznego wynosi 1,994 * 1030 kg . Układ słoneczny bierze udział w obrocie Galaktyki, obiegając jej jądro w ciągu ok. 20 mln lat, w przybliżeniu po kole o promieniu ok. 10 kpc z prędkością ok. 250 km/s . Układ słoneczny znajduje się ok. 15 kpc na północ od płaszczyzny równika Galaktyki. W stosunku do najbliższych gwiazd układu słonecznego porusza się z prędkością ok. 20 km/s w kierunku gwiazdozbioru Heraklesa.
Według współczesnej 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 wzbogaceniem w najcięższe pierwiastki. W miarę kurczenia się obłok przyjął kształt wirującego dysku, z 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.


Pochodzenie Układu Słonecznego – pierwszą naturalną koncepcję pochodzenia Układu Słonecznego podał Kant, zgodnie z nią Słońce i planety uformowały się z pierwotnej materii składającej się z drobnych brył, które zderzały się i wzajemnie na siebie oddziaływały. W 1796 P.S. Laplace sugerował, że planety powstały z materii oderwanej od coraz szybciej obracającego się stygnącego Słońca na skutek działania sił bezwładności, na
początku XX w pojawiły się modele katastroficzne, wg których układ planetarny powstał przy bliskich przejściach innej gwiazdy. Modele te były krytykowane głównie ze względu na małe prawdopodobieństwo zderzenia gwiazd nie mogące wyjaśnić powszechności układów planetarnych.
Do koncepcji zbliżonej do idei Kanta powrócił w 1944 Schmidt, opracował on model, wg którego tworzą się one dzięki zlepianiu się małych ciał stałych. Uznawaną obecnie teorię Układu Słonecznego podali astronomowie amerykańscy E. Schatzman i S.S. Huang (1970), zgodnie z nią Słońce i planety powstawały jednocześnie z pierwotnego, rotującego obłoku materii, nieznacznie szybciej powstała centralna gwiazda, która wyrzucając z siebie materię przekazywała otaczającej ją materii moment pędu (w procesie tym niezaniedbywalną rolę pełni pole magnetyczne Słońca) ,przez co zapobiegała opadnięciu otoczki na gwiazdę.


SŁOŃCE
Centralna gwiazda Układu słonecznego. Żółty karzeł I populacji (gwiazdy), należący do ciągu głównego na diagramie Hertzsprunga-Russela – typu widmowego G2V, jasności wizualnej –26,78m, jasności absolutnej +4,79m. Masa 1,9891 >< 1030 kg (333000 mas Ziemi), średnia gęstość: 1,410 g/cm3 , średnica: 1,3920><106 km(109 średnic Ziemi), obserwowana z Ziemi średnica kątowa: średnio 31',9877. Odległość Słońca od Ziemi zmienia się od 147,1 (w styczniu) do 152,1 mln km (w czerwcu), średnio równa jest 149,6 mln km (astronomiczna jednostka). Ze Słońca na Ziemię światło biegnie 499s. Paralaksa równikowa Słońca wynosi 8”,794148. Obraca się ono wokół osi nachylonej pod kątem 8245', przy tym prędkość obrotowa (wyrażona w stopniach na dobę) dla danej szerokości heliograficznej φ spełnia równanie: ω=14,38-2,7 sin2 φ. Dostępna obserwacji część Słońca nosi nazwę atmosfery Słońca – najniższą jaj warstwą jest fotosfera o ziarnistej strukturze, zbudowana z tzw. granul (aktywność Słońca, flokule, plamy słoneczne), ponad nią znajduje się chromosfera i korona słoneczna. Słońce składa się głównie z wodoru i helu (odpowiednio ok. 76% i 24% pierwiastki cięższe stanowią mniej niż 0,1%). Temperatura efektywna jego fotosfery (określana na podstawie prawa Stefana-Boltzmanna) wynosi 5780b K. Temperatura w jądrze sięga 19 mln K. Średnio Słońce wypromieniowuje energię 3,826><1026 J/s (oznacza to stratę masy 5 mln lat t na s), oświetlenie w odległości od Słońca równej 1 AU wynosi 136000 Ix (ponad atmosferą ziemską), rozkład widma ma maksimum dla barwy żółto-zielonej (długość fali ok. 460 nm). Energię Słońce wytwarza cykl zachodzących w jego jądrze reakcji termojądrowych, zwany cyklem protonowym , pewien udział ma też cykl węglowo-azotowy (cykl CNO). Transport energii z jądra do fotosfery następuje głównie poprzez fotony, transport konwektywny ma miejsce w zewnętrznej warstwie Słońca, stanowiącej ok. 14% promienia.


MERKURY
Pierwsza wg oddalenia od słońca planeta Układu Słonecznego, znana w starożytności. Elementy orbity: półoś wielka 57,91 mln km, mimośród 0,206 . Nachylenie płaszczyzny orbity względem ekliptyki 70’15”. Okres obiegu wokół Słońca 87,969 dni. Obrót linii apsyd orbity Merkurego o 0”,4 rocznie stanowi potwierdzenie ogólnej teorii względności. Merkury jest najmniejszą planetą Układu Słonecznego, jego średnica wynosi 4840 km. Masa wynosi przypuszczalnie 0,05 masy Ziemi. Na półkuli zwróconej do Słońca średnia temperatura wynosi ok.. 600K, na półkuli odwróconej do Słońca ok. 100K.Merkury ma atmosferę bardzo rozrzedzoną. Na 1 cm2 powierzchni Merkurego jest co najwyżej 0,3% tej ilości gazu, jaka się znajduje na 1 cm2 powierzchni Ziemi. Stwierdzono obecność w atmosferze dwutlenku węgla i wodoru. Na całej powierzchni Merkurego widoczne są jasne i ciemne plamy. Pod względem właściwości fizycznych Merkury jest podobny do Księżyca. Nie ma satelitów.



WENUS
Druga od słońca planeta Układu Słonecznego, znana od starożytności. Średnia odległość od Słońca 108,2 mln km, orbita prawie kołowa (mimośród 0,0068), okres obiegu 224,70 dnia, okres obrotu wokół własnej osi 243,16 dnia, obrót w kierunku przeciwnym niż reszta planet (złożenie obu ruchów powoduje, że dzień na Wenus trwa 116,8 doby ziemskiej), oś obrotu leżąca praktycznie w płaszczyźnie orbity, o nachyleniu 2 (wynika z tego brak pór roku). Średnica 12104 km, masa 0,82 masy Ziemi, przyspieszenie grawitacyjne 8,85 m/s2. Oglądana z Ziemi ma widoczne fazy (odkryte przez Galileusza w 1609), jasność zmienia się od – 3,1m do – 4,4m, średnica kątowa zmienia się od 10” do 64”, odległość kątowa od Słońca nie przekracza 48. Wenus nie posiada pola magnetycznego ma atmosferę gazową (odkrytą w 1761 przez M. Łomonosowa), składająca się w 97% z dwutlenku węgla i 3% azotu, ze śladową ilością tlenu i kwasu siarkowego. Temperatura przy gruncie ok.740 K ciśnienie 90 atmosfer. Analiza zawartości deuteru wskazuje na obecność w przeszłości wody. Pod wieloma względami Wenus jest bliźniaczą planetą Ziemi, posiada złożoną budowę geologiczną i bogatą rzeźbę terenu. Obserwowana rano określana jest Gwiazdą Polarną lub Jutrzenką, wieczorem – Gwiazda Wieczorną.



ZIEMIA
Trzecia planeta Układu Słonecznego o masie 5,9742 * 1024 kg, przeciętnej średnicy równikowej 12756,28 km, średnicy biegunowej 12713,50 km (spłaszczenie 0,0033536). Kształt Ziemi opisuje tzw. geoida, bryła zbliżona do elipsoidy trójosiowej (różnica długości skrajnych średnic równikowych wynosi 420 m, maksymalne odstępstwa geoidy od elipsoidy trójosiowej nie przekraczają 100 m, obszarami najbardziej zagłębionymi są okołorównikowe części Oceanu Indyjskiego, najbardziej wzniesione względem elipsoidy są północne obszary Oceanu Atlantyckiego i okolice Nowej Gwinei). Średnia gęstość Ziemi: 5,515 g/cm3, przyspieszenie grawitacyjne na równiku (na poziomie morza): 9,7805 m/s2. Ziemi porusza się po eliptycznej orbicie wokółsłonecznej (przeciętna odległość 149,6 mln km, mimośród 0,00167, minimalna odległość 147 mln km na początku stycznia, maksymalna 152 mln km na początku lipca) ze średnią prędkością 29,8 km/s, obiega Słońce w ciągu 365,2564 dni. Obraca się wokół własnej osi z okresem 23 godz. 56 min. 22,10 s (tzw. doba gwiazdowa. Doba słoneczna równa 24 godz. Jest dłuższa od gwiazdowej na skutek złożenia ruchów obrotowego i orbitalnego). Następstwem obrotu Ziemi jest noc i dzień. Oś obrotu Ziemi nachylona jest pod kątem 6633' względem płaszczyzny orbity, czego rezultat stanowi zjawisko pór roku. Długość doby nie jest stała, wydłuża się o ok. 2 ms na stulecie, głownie na skutek dyssypacji energii związanej z pływami oceanicznymi, obserwuje się ponadto krótkookresowe cykliczne zmiany jej długości (rzędu 1 ms), związane z porami roku (powoduje je wymiana momentu pędu z atmosferą, zaleganie powłok śnieżnych itd.). Kierunek osi Ziemi podlega precesji (precesja osi Ziemi). Powierzchnie Ziemi, wynosząca 510 mln km2, pokryta jest w większości wodą, lądy zajmują jedynie 149 mln km2 , tj. 29%. Cechą wyróżniająca Ziemię jest występowanie na niej życia (Gai hipoteza). Posiada ona względnie gruba atmosferę gazową i magnetosferę (magnetyzm ziemską). Ma jednego satelitę naturalnego (Księżyc, planeta podwójna0, a od 1957 również satelity sztuczne. Wewnętrzna budowa Ziemi poznawana jest głównie poprzez analizę rozchodzenia się fal sejsmicznych. Ma ona metaliczne jądro o złożonej strukturze, odpowiadające za właściwości magnetyczne globu (jądro Ziemi) zbudowanym z krzemianów. Względnie cienka (tj. gruba na 30–50 km), najbardziej zewnętrzna część globu nosi miano skorupy ziemskiej. Wiek Ziemi wynosi ok. 4,5 mln lat. Badaniem Ziemi zajmuje się geofizyka.



MARS
Czwarta wg oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego, znana w starożytności. Elementy orbity: półoś wielka 227,9 mln km, mimośród 0,09338, nachylenie płaszczyzny orbity względem ekliptyki 150'59". Okres obiegu wokół Słońca 686,738 dni. Okres obrotu 24h 37m22s,7. Promień równikowy planety 340 km, spłaszczenie 0,0091, masa 6,423*1023 kg . Albedo 0,16. Nachylenie równika do płaszczyzny orbity wynosi 2512', co sprawia że na Marsie występują pory roku podobne do ziemskich. Maksymalna jasność wizualna –2m,7. Mars jest wówczas najjaśniejszym – po Słońcu, Księżycu i Wenus – obiektem na niebie. Zwykle jednak ustępuje jasnością Jowiszowi. Na powierzchni Marsa obserwuje się bardzo wiele kraterów, w większości prawdopodobnie pochodzenia meteorytowego. Powierzchnia Marsa nie jest jednolita. Widoczne są na niej miejsca ciemne zwane morzami, oraz jaśniejsze -lądy. Zarówno jedne, jak i drugie są obszarami stałej powierzchni planety o odmiennych właściwościach odbijającymi promienie słoneczne. Nazwy lądów i mórz na Marsie wzięto z mitologii. Atmosfera Marsa jest znacznie bardziej rozrzedzona niż ziemska. Ciśnienie u jej podstawy jest rzędu 10 milibarów. Składa się głównie z dwutlenku węgla, w mniejszych ilościach zawiera tlenek węgla i parę wodną, a także azot, argon i inne gazy. Na Marsie obserwowane są częsta zawieje pyłowe, świadczące o silnych wiatrach w atmosferze oraz o tym, że przynajmniej część powierzchni Marsa jest pokryta pyłem. Temperatura na powierzchni Marsa ulega silnym wahaniom, zarówno w okresie roku marsjańskiego jak i doby temperatura rośnie od ok. 180 K o wschodzie Słońca do ok. 300 K w godzinę po południu. Amplituda wahań rocznych w okolicach biegunów wynosi ok. 70 K. Charakterystycznymi szczegółami tarczy Marsa są tworzące się na przemian wokół biegunów (w czasie zimy) tzw. czapy polarne. Są to prawdopodobnie obszary pokryte szronem zamarzniętego dwutlenku węgla. Nie wykryto mierzalnego pola magnetycznego ani pasów radiacji wokół planety. Mars ma 2 satelity – Phobos i Deimos. W 1877 Schiaparelii zauważył na powierzchni Marsa ciemne linie, nazwane kanałami. Wielu astronomów na przełomie XIX i XX w. uważało, iż kanały na Marsie są wynikiem świadomej działalności istot rozumnych. Obecnie wiadomo, iż wrażenie kanałów jest wynikiem złudzenia optycznego – podświadomego łączenia wielu niedużych, ciemniejszych plamek na tarczy Marsa w regularne linie. Warunki fizyczne panujące na Marsie są spośród wszystkich planet najbardziej zbliżone do ziemskich. Dlatego właśnie tam poszukiwano przejawów życia. Nie należy wykluczać możliwości istnienia tam prostych form życia. Trzeba jednak podkreślić znaczenie mniej sprzyjającego rozwojowi życia zespołu warunków, do którego należą: duże dobowe wahania temperatury powietrza, brak zbiorników wodnych, brak tlenu który nie przepuszcza (jak ozon) nadfioletowego promieniowania Słońca, brak pól magnetycznych, a tym samym brak osłony przed korpuskalnym promieniowaniem płynącym w wietrze słonecznym oraz przed promieniowaniem kosmicznym.



JOWISZ
Największa planeta Układu Słonecznego, piąta wg oddalenia od Słońca, znana w starożytności. Elementy orbity: półoś wielka 778,4 mln km, mimośród 0,04812, nachylenie płaszczyzny orbity względem ekliptyki 118'21". Okres obiegu wokół Słońca 11 lat 315 dni. Promień równikowy planety 714000 km, spłaszczenie 0,061, masa 1,90*1027 kg . Albedo 0,41. Obrót planety niejednorodny: szybszy na równiku (okres 9h51m), co świadczy o tym, iż widoczna jest jedynie atmosfera planety. Nachylenia równika do płaszczyzny orbity 31'. Temperatura strony zwróconej ku Słońcu ok. 140-150K. Maksymalna jasność wizualna –2m,4. Jowisz jest wówczas najjaśniejszym (po Słońcu, Księżycu i Wenus) obiektem na niebie. Jowisz ma rozległą nieprzezroczystą atmosferę, złożoną przede wszystkim z wodoru dwuatomowego, helu, metalu i amoniaku. W atmosferze Jowisza widoczne są przez teleskopy ciemne smugi i plamy, układające się równolegle do równika, zmieniające swój kształt. Charakterystyczna dla Jowisza jest duża tzw. czerwona plama w okolicach równika. Jowisz ma 12 satelitów, z których tylko pięć najwcześniej odkrytych ma nazwy (wg oddalenia od planety: Amalthea, lo, Europa, Ganimedez, Callisto). Na powierzchni nie których są widoczne przez teleskopy ciemne plamy. Niektóre mają atmosfery. Odkrycie w 1610 przez Galileusza i niezależnie przez G. Mariusa pierwszych czterech satelitów Jowisza miało doniosłe znaczenie dla rozwoju teorii heliocentrycznej: ich ruch wokół Jowisza stanowił model ruchu planet wokół Słońca. W 1676 na podstawie obserwacji zaćmień satelitów Jowisza, O. Rmer po raz pierwszy wyznaczył prędkość światła.


SATURN
Szósta w kolejności od Słońca planeta Układu Słonecznego, druga pod względem wielkości, ostatnia ze znanych już w starożytności. Widoczna jako obiekt o jasności od –0,4m do +1,5m i żółtawej barwie. Ma co najmniej 20 księżyców: Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Titan, Hyperion, lapetus, Phoebe, Janus, Epimetheus, Dione, Telesto, Calypso, Atlas, Prometheus, Pandora oraz kolejne o tymczasowych kodowych nazwach zawierających rok odkrycia, S, nr kolejny dla danego roku. Otacza go odkryty przez Ch. Huygensa układ kilkuset współpłaszczyznowych pierścieni o złożonej strukturze, których średnica zewnętrzna wynosi ok. 280000 km, a grubość ok. 5 km – pierwsze elementy struktury pierścieni (tzw. przerwy Cassiniego) dostrzegł G.D. Cassini. Średnia odległość Saturna od Słońca: 1427 mln km . Orbita o mimośrodzie 0,0556 nachylona jest pod kątem 229' względem płaszczyzny orbity Ziemi. Średnia gęstość: 0,687 g/cm³. Przyspieszenie grawitacyjne: 9,31 m/s². Średnica równikowa: 120540 km . Krótki (10 godz. 39 min) okres obrotu wokół osi powoduje duże spłaszczenie globu wynoszące 10%. Oś obrotu nachylona pod kątem 65 do płaszczyzny ekliptyki. Budowa Saturna przypomina budowę Jowisza i Urana: najprawdopodobniej stale jądro otoczone jest przez rozległą atmosferę zbudowaną z wodoru, helu, metanu i amoniaku. Temperatura górnych warstw atmosfery: ok. 110 K. Saturn posiada słabe pole magnetyczne.



URAN
Siódma planeta Układu Słonecznego, odkryta przypadkowo 13 marca 1781 przez W. Herschla. Widoczna jako obiekt o jasności od 5,4 m do 6,0 m i zielonkawoniebieskim kolorze. Ma 7 księżyców i pierścień, stanowiący w rzeczywistości układ 10 pierścieni. Średnia odległość Uranu od Słońca wynosi 2869 mln km, orbita wyraźnie eliptyczna (mimośród 0,0473), okres obiegu 84,01 lat . Masa Uranu równa jest 14,54 masy Ziemi, średnia gęstość 1,160 g/cm3, przyspieszenie grawitacyjne 8,46 m/s2, średnica równikowa planety 52900 km . stosunkowo krótki (10 godz. 49 min) okres obrotu wokół osi (ruch jest wsteczny) powoduje względnie duże spłaszczenia globu wynoszące 7%, oś obrotu nachylona jest pod kątem 848' do płaszczyzny orbity. Budowa Uranu przypomina budowę Jowisza i Saturna. Ma jądro zawierające 24% masy, 65% masy stanowi otaczający je płaszcz z zestalonych: amoniaku, metalu i wody, a 11% - rozległa atmosfera. Temperatura dolnych warstw atmosfery 85-200 K, ciśnienie osiąga 10000 atmosfer. Uran posiada pole magnetyczne.
NEPTUN
Ósma wg oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego. Elementy orbity: półoś wielka 4,52 * 109 km, mimośród 0,004, nachylenie płaszczyzny orbity względem ekliptyki 146'20". Okres obiegu wokół Słońca 164,78 lat. Okres obrotu 15h40m. Promień równikowy planety 24300 km, nachylenie równika względem ekliptyki ok. 29, masa 1,031*1026 kg . Albedo 0,52. Temperatura półsfery zwróconej ku Słońcu ok. -165C (ok. 110 K). Neptun jest widoczny przez teleskop jako maleńka tarcza, o jasności wizualnej ok. 8m,0. Pod względem właściwości fizycznych jest podobny do Urana. W atmosferze Neptuna stwierdzono obecność głównie metanu. Neptun został odkryty 1846 przez J.G. Gallego na podstawie obliczeń U.J.J. Leverriera 9analogoczne obliczenia wykonał też J.C. Adams), opartych na analizie perturbacji Urana. Neptun ma dwie satelity: Trytona i Nereidę.



PLUTON
Dziewiąta planeta Układu Słonecznego odkryta w 1930 (Loweel Observatory) przez amerykańskiego astronoma C. Tombaugha na podstawie przewidywań (niedokładnie spełnionych) amerykańskich astronomów P. Lowella i W.H. Pickeringa (1858-1938). Jasność obserwowana Plutona wynosi od 16,2m do 14,3m. Jest on oddalony od Słońca średnio o 39,539 jednostek astronomicznych (5914 mln km), jego orbita największe z planet nachylenie względem płaszczyzny ekliptyki (1708') i jest silnie ekscentryczna (mimośród równy 0,2534. Peryhelium leży wewnątrz orbity Neptuna). Okres obiegu wokół Słońca: 248,54 lat zwrotnikowych, okres obrotu wokół własnej osi: 6,387 dnia (kierunek obrotu odwrotny niż większości planet). Średnica równa jest 2320 km (tj. ok. 2/3 średnicy księżyca), masa Plutona stanowi 0,00258 masy Ziemi, średnia gęstość:1,97 g/cm3. Przyspieszenie grawitacyjne: 0,65m/s2. Temperatura powierzchni: ok. 45 K. Powierzchnię tworzy najprawdopodobniej gruba na ok. 50 km warstwa zestalonego metanu. W 1978 amerykański astronom J. Christy odkrył księżyc Plutona: Charon (średnica ok. 600 km, średnia odległość od planety: 16,9 tys. km, okres obiegu równy z okresowi obrotu Plutona wokół własnej osi, powierzchnia pokryta lodem wodnym).