Układ słoneczny

SŁOŃCE, najbliższa Ziemi gwiazda, centralne ciało Układu Słonecznego, główne źródło energii docierającej do Ziemi i najjaśniejszy obiekt na niebie. Słońce jest niedużą gwiazdą o jasności absolutnej 4m,84 (jasność obserwowana -26m,7 *wielkość gwiazdowa). Masa Słońca wynosi 1,9911030 kg (332 958 mas Ziemi), promień 696 tys. km (1,8 razy większy od średniej odległości Ziemia–Księżyc), średnia gęstość 1,41 g/cm3, przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni 274 m/s2, temperatura fotosfery około 6000 K, temperatura centrum około 16 mln K; moc promieniowania słonecznego jest równa 3,8261026 J/s; obrót Słońca dookoła osi jest niejednorodny: najszybszy na równiku (okres 25 dni), najwolniejszy przy biegunach (ponad 31 dni); średnia odległość Ziemi od Słońca wynosi około 149 600 000 km. Słońce znajduje się w odległości około 8 kpc (*parsek) od centrum Galaktyki, w pobliżu płaszczyzny Drogi Mlecznej; w stosunku do gwiazd otaczających Słońce porusza się z prędkością około 20 km/s w kierunku gwiazdozbioru Herkulesa. Słońce jest ciałem gazowym o kształcie prawie kulistym. Składa się w przeważającej części z wodoru (72,7% masy) i helu (26,2% masy); wykryto też na nim obecność tlenu (0,7%), węgla (0,3%) i azotu (0,1%) a także magnezu, krzemu, siarki, żelaza, wapnia, niklu, sodu, glinu i in. oraz niektórych prostych cząsteczek, np. CN, OH, CH, NH.

Źródłem energii promieniowanej przez Słońce są reakcje termojądrowej przemiany wodoru w hel, zachodzące w jego wnętrzu, zwłaszcza przemiany tzw. cyklu proton-proton. W wyniku tego cyklu reakcji 4 protony (jądra wodoru) łączą się w cząstkę (jądro helu), przy czym wydziela się energia w ilości 4,2710–12J na jedną przemianę. Warunkiem koniecznym zachodzenia tych reakcji jest temperatura kilkunastu mln K panująca w jądrze Słońca (gęstość materii osiąga tam wartość rzędu 100 g/cm3). Produkowana w jądrze Słońca energia jest przenoszona w postaci promieniowania ku jego powierzchni, ulegając w kolejnych warstwach Słońca absorpcji i ponownej emisji. W górnych warstwach wnętrza Słońca dominującym mechanizmem transportu energii jest konwekcja termiczna.

Na zewnętrzną warstwę Słońca, która stanowi jego atmosferę, składają się: fotosfera, będąca najgłębszą jej warstwą (widoczną gołym okiem), chromosfera, będąca warstwą przejściową, oraz korona słoneczna. W fotosferze temperatura maleje z wysokością od około 6000 K do około 4500 K, gęstość materii spada od około 510–7 g/cm3 do 410-10 g/cm3. Na powierzchni fotosfery obserwuje się występowanie tzw. granul, tj. obszarów (o rozmiarach około 1000 km) jaśniejszych (o temperaturze około 100 K wyższej od otaczającej je fotosfery), będących wynikiem zachodzących pod fotosferą ruchów turbulentnych materii. Począwszy od dolnej warstwy chromosfery temperatura rośnie z wysokością, by po przejściu przez warstwę przejściową osiągnąć w dolnej części korony wartość rzędu 1 mln K (wzrost ten tłumaczy się dodatkowym grzaniem atmosfery Słońca w wyniku chaotycznych ruchów podfotosferycznej warstwy konwektywnej). Z korony odbywa się ustawiczny wypływ materii, która w postaci wiatru słonecznego (strumień całkowicie zjonizowanej wodorowo-helowej plazmy poruszającej się z prędkością około 300-800 km/s) przenika przestrzeń międzyplantarną; wypływ materii z korony powoduje spowalnianie rotacji Słońca. W atmosferze Słońca obserwuje się wiele zjawisk o zmieniającym się okresowo (średnio z okresem około 11,4 lat) natężeniu. Całokształt tych zjawisk, na które składa się m.in. występowanie w fotosferze plam słonecznych i pochodni, a w chromosferze rozbłysków i protuberancji, oraz zmiany kształtu i wielkości korony, nosi nazwę słonecznej aktywności. Jej przyczyną są zmiany zachodzące w polu magnetycznym Słońca.

Na Ziemię dociera znikoma część całkowitej energii promieniowania słonecznego, ale i tak na powierzchnię 1 m2 ustawioną prostopadle do promieni pada około 1370 J/s (tzw. stała słoneczna). Niewielka część energii traconej przez Słońce przypada na strumień wiatru słonecznego oraz promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie i strumienie cząstek. Ilość traconej w ten sposób energii zależy od aktywności Słońca związanej z ilością plam słonecznych.

Aktywność słoneczna jest źródłem wielu zjawisk zachodzących w górnych warstwach atmosfery Ziemi, jak zakłócenia pola geomagnetycznego, stanu jonosfery, występowanie zórz polarnych itp.; mają one wpływ na łączność radiową na Ziemi. Przypuszcza się, że Słońce po powstaniu było znacznie bardziej aktywne niż obecnie, a jego obrót odbywał się około 10 razy szybciej.

MERKURY, astr. najbliższa Słońca, przedostatnia co do wielkości planeta Układu Słonecznego; najdokładniejsze dane o tej planecie uzyskano dzięki sondzie kosmicznej Mariner.

WENUS, astr. druga, wg oddalenia od Słońca, planeta Układu Słonecznego; widoczna nad horyzontem przed wschodem Słońca, popularnie zwana Gwiazdą Poranną (Jutrzenka), zaś po zachodzie Słońca – Gwiazdą Wieczorną; znana już w starożytności; była badana przez sondy kosmiczne: Pioneer, Wenus, Magellan.

MARS, astr. czwarta wg oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego; najlepiej zbadana; ma 2 naturalne satelity (Phobos, Deimos), atmosferę (rzadszą od ziemskiej); liczne kratery (brzeg jednego z nich – Olympic Mons, jest najwyższą górą w Układzie Słonecznym – 26 km); temperatura powierzchni waha się od ok. –90C do ok. +30C; 27 XI 1971 lądownik próbnika kosmicznego Mars 2 jako pierwszy osiągnął powierzchnię Marsa; zob. też Mariner, Viking.

JOWISZ, astr. największa, piąta wg oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego; ma 16 naturalnych satelitów (Metis, Andrastea, Amalthea, Thebe, Io, Europa, Ganimedes, Callisto, Leda, Himalia, Lisithea, Elara, Ananke, Carme, Pasiphea, Sinope) oraz 3 pierścienie; najdokładniejsze dane o Jowiszu uzyskano dzięki sondom kosmicznym Pioneer 10 i 11 oraz Voyager 1 i 2.

JOWISZ, astr. największa, piąta wg oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego; ma 16 naturalnych satelitów (Metis, Andrastea, Amalthea, Thebe, Io, Europa, Ganimedes, Callisto, Leda, Himalia, Lisithea, Elara, Ananke, Carme, Pasiphea, Sinope) oraz 3 pierścienie; najdokładniejsze dane o Jowiszu uzyskano dzięki sondom kosmicznym Pioneer 10 i 11 oraz Voyager 1 i 2.

SATURN, astr. szósta wg oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego; ma 18 naturalnych satelitów (Pan, Atlas, Prometeusz, Pandora, Epimetheus, Janus, Mimas, Enceladus, Tethys, Telesto, Calypso, Dione, Helena, Rhea, Tytan, Hyperion, Iapetus, Phoebe) i rozciągający się od ok. 67 tys. km do ok. 480 tys. km od środka planety układ 7 pierścieni, składających się z brył i drobnych okruchów; badany przez sondy kosmiczne Pioneer i Voyager.

NEPTUN, astr. ósma wg oddalenia od Słońca planeta Słonecznego Układu; ma 8 naturalnych satelitów (Najada, Talassa, Despoina, Galatea, Larissa, Proteus, Tryton, Nereida) i 4 pierścienie; odkryty 1846; niewidoczny gołym okiem; badany przez sondę kosmiczną Voyager 2.

PLUTON, astr. najdalsza, wg oddalenia od Słońca, i najmniejsza ze znanych planeta w Układzie Słonecznym; odkryty 1930; ma jednego satelitę naturalnego – Charona.

PLANETY, ciała niebieskie o średnicach większych niż 1000 km, obiegające gwiazdę i nie mające własnych źródeł energii promienistej, widoczne dzięki oświetleniu ich promieniowaniem gwiazdy. Obecnie jest znanych 9 planet należących do Układu Słonecznego: Merkury, Wenus – planety dolne, Ziemia Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton – planety górne. Niektóre planety mają układy satelitów (księżyców); liczba znanych satelitów poszczególnych planet wynosi od 1 (Ziemia, Pluton) do 20 (Saturn). Nie odkryto dotychczas satelitów Merkurego i Wenus. Masy Planet są wyznaczane na podstawie pomiarów ich oddziaływań dynamicznych na pozostałe ciała Układu Słonecznego. Do wyznaczania masy planet mających satelity stosuje się prawa Keplera. Masy planet nie mających satelitów są obliczane na podstawie perturbacji, jakie te planety wywołują w ruchu pozostałych planet, komet i planetoid. W Układzie Słonecznym planetą o największej masie (319 razy większej od masy Ziemi, 71% masy wszystkich planet) jest Jowisz, planetą o najmniejszej masie (około 500 razy mniejszej od masy Ziemi) – Pluton. Łączna masa planet jest równa 1/741 masy Słońca, tj. 2,691027 kg.

Planety są bryłami o kształcie zbliżonym do elipsoidy obrotowej o niewielkim spłaszczeniu, ich średnice wynoszą wynoszą od około 2300 km (Pluton) 142 800 km (Jowisz). U większości planet wykryto atmosfery, które stanowią otoczki gazowe utrzymujące się przy powierzchni planet dzięki dzięki przyciąganiu grawitacyjnemu. Zaledwie nikłe ślady atmosfery stwierdzono na Merkurym, bardzo rzadką atmosferę ma Mars. Grube atmosfery, nie przepuszczające promieniowania optycznego, mają: Wenus, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun. W widmach promieniowania Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna występują wyraźne pasma absorpcyjne metanu, co świadczy o dużej zawartości tego związku w ich atmosferach. W atmosferach Wenus i Marsa istnieje znacznie większa ilość dwutlenku węgla niż w atmosferze Ziemi. Ziemia, Jowisz, Saturn, Uran i Neptun mają magnetosfery.
Nazwą planety obejmowano w starożytności ciała zmieniające swe położenie względem gwiazd (a więc także Słońce i Księżyc). Obecnie niekiedy małymi planetami nazywa się planetoidy, a sztucznymi planetami – obiekty wprowadzone przez człowieka na orbitę okołoziemską.

SŁONECZNY UKŁAD, zespół ciał niebieskich poruszających się w przestrzeni wraz ze Słońcem, powiązanych siłami wzajemnych oddziaływań, z których najsilniejsze jest grawitacyjne oddziaływanie Słońca. Ciałem centralnym, skupiającym prawie całą (99,85%) masę Układu Słonecznego, jest Słońce, obiegane przez 9 planet (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton); wokół 7 planet krążą naturalne satelity (ponad 60). 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. Wśród ciał Układu Słonecznego są także meteoroidy i komety; obecna jest też materia międzyplanetarna w postaci gazu, plazmy i pyłu kosmicznego; pył obserwowany jest w postaci światła zodiakalnego; strumienie plazmy płyną od Słońca w postaci wiatru słonecznego z prędkością około 300-800 km/s. Przestrzeń międzyplanetarna jest przeniknięta polem magnetycznym, którego linie sił są wynoszone ze Słońca wraz z materią. Masa Układu Słonecznego wynosi 1,994 1030kg; jego rozmiary, określone średnicą orbity Plutona, wynoszą około 12 mld km (80 jednostek astronomicznych), wiele jednak komet obiega Słońce po orbitach o półosiach rzędu kilkudziesięciu tysięcy jednostek astronomicznych. Przez planety tradycyjnie rozumie się większe ciała obiegające bezpośrednio Słońce. Satelity (księżyce), poruszające się wokół planety, razem z nią obiegają Słońce. W przypadku niewielkiej różnicy mas satelity i planety (przypadek Pluton-Charon) często mówimy o planecie podwójnej. Największą planetą jest Jowisz o masie równej 0,0001 masy Słońca. Dolna granica wielkości planet jest umowna. Pluton o średnicy około 2340 km uważany jest za planetę, zaś mniejsza Ceres (średnica 914 km) jest nazywana planetoidą (używa się także terminów: asteroida i planetka). Podobne pod względem masy do planetoid są komety. Jeszcze mniejsze ciała nazywamy meteoroidami, mikrometeoroidami i najmniejsze - pyłem kosmicznym. Na ogół ciało o rozmiarach poniżej 1 m nazywamy meteoroidem, zaś powyżej 100 m - planetoidą.

Wszystkie ciała Układu Słonecznego poruszają się wokół wspólnego środka masy (położonego blisko środka Słońca), który z kolei porusza się wokół środka masy Galaktyki, obiegając jej jądro w ciągu około 200 mln lat, w przybliżeniu po kole o promieniu około 10 kpc (*parsek), z prędkością około 250 km/s. Układ Słoneczny znajduje się około 15 kpc na północ od płaszczyzny równika Galaktyki. W stosunku do najbliższych gwiazd Układ Słoneczny porusza się z prędkością około 20 km/s w kierunku gwiazdozbioru Herkulesa.
Według współczesnych teorii, Słońce i planety powstały 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 jego wzbogacaniem w najcięższe pierwiastki. W miarę kurczenia się obłoku, w jego centralnej części uformowało się Słońce otoczone wirującym gazowo-pyłowym dyskiem. Cząstki pyłu, w wyniku wzajemnych zderzeń, łączyły się stopniowo ze sobą, tworząc coraz większe twory; część z nich 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.

Słońce jest niedużą gwiazdą zaliczaną do klasy G2V. W jego wnętrzu zachodzi proces syntezy jąder (*reakcja termojądrowa). Ponieważ procesy termojądrowe wymagają ogromnych ciśnień i temperatur, mogą zachodzić jedynie w dużych ciałach niebieskich. W środku Słońca temperatura wynosi około 16 milionów K, a gęstość 1,6105 kg/m3. Temperatura powierzchni (tzw. fotosfery) Słońca jest równa około 6000 K. Całkowita energia promieniowania słonecznego wynosi 3,91026 J/s; na Ziemię dociera znikoma część tej energii, ale i tak na powierzchnię 1 m2, ustawioną prostopadle do promieni pada około 1370 J/s (tzw. stała słoneczna). Niewielka część energii traconej przez Słońce przypada na strumień wiatru słonecznego (strumień całkowicie zjonizowanej wodorowo-helowej plazmy poruszającej się z prędkością około 300-800 km/s) oraz promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie i strumienie cząstek elementarnych. Ilość traconej w ten sposób energii zależy od aktywności Słońca związanej z ilością tzw. plam słonecznych.
Ruchy ciał Układu Słonecznego

Orbity. Wszystkie ciała niebieskie przyciągają się wzajemnie zgodnie z prawem powszechnego ciążenia odkrytym przez Newtona. Głównym efektem przyciągania jest ruch ciał Układu Słonecznego wokół wspólnego środka masy po torach nazywanych orbitami. Ponieważ przeważająca część masy skupiona jest w Słońcu, środek masy Układu Słonecznego znajduje się blisko środka Słońca. Punkt orbity najbliższy Słońca nazywamy peryhelium, najdalszy - aphelium (dla satelitów Ziemi odpowiednio: perygeum i apogeum, ogólnie - perycentrum i apocentrum). Biorąc pod uwagę orbity planet, dzielimy je na planety wewnętrzne (krążące blisko Słońca), oraz planety zewnętrzne. Planetami wewnętrznymi są: Merkury, Wenus, Ziemia i Mars. Pozostałe planety to planety zewnętrzne. Planety krążące wewnątrz orbity Ziemi nazywane są też planetami dolnymi (Merkury i Wenus), zaś planety o orbitach na zewnątrz orbity ziemskiej – planetami górnymi.

Prawa Keplera. Przy rozpatrywaniu ruchu danej planety często można pominąć przyciąganie innych planet. Planety spełniają w tym przypadku 3 prawa odkryte przez J. Keplera. I prawo: orbita każdej planety jest elipsą, w której ognisku znajduje się Słońce; II prawo: prędkość polowa planety jest stała; oznacza to, że promień wodzący planety (odcinek łączący planetę ze Słońcem) zakreśla jednakowe pola w równych odstępach czasu; III prawo: stosunek sześcianów wielkich półosi a orbit planet do kwadratów okresu T obiegu planet wokół Słońca (a3/T2) jest jednakowy dla wszystkich planet.Aby w pełni opisać ruch planety po orbicie keplerowskiej potrzebne jest 6 wielkości (tzw. parametry orbity). Orbity satelitów obiegających planety także spełniają prawa Keplera.