Планеты солнечной системы: земная группа и газовые гиганты

Внутреннее и внешнее строение Меркурия

Для всех планет земной группы характерной особенностью является твердая поверхность.

Это объясняется схожестью внутреннего строения этих планет. В плане геологии Меркурий имеет три классических слоя:

• меркурианская кора, толщина которой варьируется в диапазоне 100-300 км;
• мантия, толщина которой составляет 600 км;
• железно-никелевое ядро диаметром 3500-3600 км.

Кора Меркурия представляет собой подобие рыбной чешуи, где слои пород, образованные в результате геологической активности планеты в ранние периоды, наслаивались друг на друга. Эти наслоения образовали своеобразные выпуклости, являющиеся особенностями рельефа. Быстрое остывание поверхностного слоя привело к тому, что кора начала сжиматься подобно шагреневой коже, теряя свою прочность. В дальнейшем, с окончанием геологической активности планеты, меркурианская кора подверглась сильному внешнему воздействию.

Достаточно тонкой по сравнению с толщиной коры, выглядит мантия, всего 600 км. Такая незначительная толщина меркурианской мантии говорит в пользу теории, согласно которой часть планетарного вещества Меркурия была потеряна в результате столкновения планеты с крупным небесным телом.

Долгое время астрономы и ученые о поверхности планеты имели скудные представления, основанные на данных визуальных наблюдений. Только в 1974 году с помощью американского космического зонда «Маринер-10» человечеству впервые представилась возможности с близкого расстояния увидеть поверхность солнечного соседа. Из полученных снимков удалось выяснить, как выглядит поверхность планеты Меркурий. Судя по снимкам, которые были получены благодаря «Маринеру-10», первая планета от Солнца покрыта кратерами. Самый большой кратер «Калорис» имеет диаметр 1550 км. Участки между кратерами покрыты меркурианскими равнинами и скалистыми образованиями. В отсутствие эрозии поверхность Меркурия сохранилась практически такой же, какой она была на заре формирования Солнечной системы. Этому способствовало раннее прекращение активной тектонической деятельности на планете. Изменения в меркурианском рельефе происходили только в результате падения метеоритов.

Что касается климатических условий на планете Меркурий, то это суровый и жестокий мир. Несмотря на то, что под воздействием близкого светила планета нагревается до 4500 С, тепло не удерживается на меркурианской поверхности. На теневой стороне планетного диска, температура опускается до отметки -1700С. Причина таких резких температурных колебаний – крайне разреженная атмосфера планеты. По физическим параметрам и по своей плотности меркурианская атмосфера напоминает вакуум, однако даже в такой обстановке воздушная прослойка планеты состоит кислорода (42%), натрия и водорода (29% и 22% соответственно). Только 6% приходится на гелий. Менее 1% приходится на водяные пары, диоксид углерода, азот и инертные газы.

Особенности планеты

Пожалуй, самой интересной особенностью этой маленькой планеты, является тот факт, что именно на Меркурии происходят самые большие температурные колебания: поскольку Меркурий ближе всех к Солнцу, то днем его поверхность прогревается до 450 С. Но с другой стороны, Меркурий не имеет собственной атмосферы и не может удержать тепло, как следствие, ночью температура опускается до минус 170 С, здесь самая большая разница температур в нашей Солнечной системе.

Своими размерами Меркурий лишь немного больше, чем наша Луна. Поверхность его также подобно лунной, изрешечена кратерами, следами мелких астероидов и метеоритов.

Интересный факт: примерно 4 миллиарда лет назад огромный астероид врезался в Меркурий, силу этого удара можно сравнить со взрывом триллиона мегатонных бомб. От этого удара на поверхности Меркурия остался гигантский кратер, величиной примерно как современный штат Техас, астрономы назвали его кратер Бассейнс Калорис.

Также весьма интересный является тот факт, что на Меркурии есть самый настоящий лед, который скрывается в глубине тамошних кратеров. Лед мог быть принесен на Меркурий кометами и метеоритами или даже образоваться из водяного пара, который вырывается из недр планеты.

Еще одной интересной особенностью этой планеты, является уменьшение ее размеров. Само уменьшение как полагают ученые вызвано постепенным охлаждением планеты, которое происходит миллионы лет. Вследствие охлаждения происходит сминание его поверхности и образование лопастевидных скал.

Плотность Меркурия является высокой, выше только у нашей Земли, в центре планеты находится огромное расплавленное ядро, составляющее 75% диаметра всей планеты.

С помощью отправленного НАСА к поверхности Меркурия исследовательского зонда Маринер-10 было сделано удивительное открытие – на Меркурии существует магнитное поле. Это было тем более удивительно, так как согласно астрофизическим данным этой планеты: скорости вращения и наличия расплавленного ядра, магнитного поля там быть не должно. Несмотря на то, что сила магнитного поля Меркурия составляет лишь 1% от силы магнитного поля Земли, оно сверхактивно – магнитное поле солнечного ветра периодически попадает в поле Меркурия и от взаимодействия с ним возникают сильные магнитные торнадо, порой достигающие и поверхности планеты.

Скорость планеты Меркурий, по которой он вращается вокруг Солнца, составляет 180 000 км в час. Орбита Меркурия овальной формы и сильно вытянута эпилептически, вследствие чего он, то приближается к Солнцу на 47 миллионов километров, то отдаляется на 70 миллионов километров. Если бы мы могли наблюдать Солнце с поверхности Меркурия, то оттуда оно выглядело бы в три раза больше, чем с Земли.

Один год на Меркурии равен 88 земным суткам.

Размер, масса и орбита планеты Меркурий

При радиусе в 2440 км и массе 3.3022 х 10 23 кг Меркурий считается самой маленькой планетой в Солнечной системе
. По размеру достигает всего 0.38 земного. Также уступает по параметрам некоторым спутникам, но по плотности стоит на втором месте после Земли – 5.427 г/см 3 . На нижнем фото указано сравнение размеров Меркурия и Земли.

Это обладатель самой эксцентричной орбиты. Удаленность Меркурия от Солнца может колебаться от 46 миллионов км (перигелий) до 70 миллионов км (афелий). От этого могут меняться и ближайшие планеты. Средняя орбитальная скорость равна – 47322 км/с, поэтому на прохождения орбитального пути уходит 87.969 дней. Ниже представлена табличка характеристик планеты Меркурий.

Скорость оборота оси составляет 10.892 км/ч, поэтому сутки на Меркурии длятся 58.646 дней. Это говорит о том, что планета находится в резонансе 3:2 (3 осевых вращения на 2 орбитальных).

Эксцентричность и замедленность вращения приводят к тому, что планета тратит 176 дней на то, чтобы вернуться в изначальную точку. Так что один день на планете вдвое длиннее года. Также это обладатель наиболее низкого осевого наклона – 0.027 градусов.

Исследования Меркурия

В перспективе Меркурий признан пригодным для колонизации. Однако, учитывая то, сколько понадобится лететь до Меркурия, чтобы доставить туда земную экспедицию, в ближайшие два десятилетия этого не произойдет. Основными препятствиями для пилотируемых полетов являются: высокий уровень радиации, значительный перепад температур на поверхности планеты, необходимость доставки большого количества ресурсов с Земли. Средств надежной длительной защиты космонавтов от воздействия негативных факторов пока еще не создано, поэтому изучение Меркурия проходит дистанционно.

Первый полет – миссия Маринер

Американская межпланетная станция покинула мыс Канаверал 3 ноября 1973 года. Основным объектом исследований была планета Меркурий, но более трети своего ресурса она потратила на облет и фотографирование атмосферы нашей ближайшей соседки, подойдя к ней почти «вплотную» (5770 км).

Во время полета скорость космического зонда была непостоянной. Покинув орбиту Луны, аппарат «Маринер-10» разогнался до 38 600 км/ч. Автоматической исследовательской станции весом 500 кг понадобилось почти три месяца, чтобы достичь Венеры. Используя ее притяжение, зонд произвел гравитационный маневр, изменяющий траекторию полета. Это позволило сбросить излишнюю скорость (до 16 000 км/ч). Иначе, продолжая лететь так быстро, аппарат мог пролететь мимо цели из-за гигантского гравитационного воздействия Солнца.

Исследовательский аппарат вышел на гелиоцентрическую орбиту в начале 1974 года. За 11,5 месяцев он произвел три сближения с Меркурием. Минимальное расстояние составило 327 км.  Исчерпав ресурс топлива для коррекции в 1975 году, зонд перестал отвечать на сигналы центра управления и продолжил движение в качестве искусственного спутника на гелиостационарной орбите.

Второй полет – миссия Мессенджер

Автоматическая межпланетная станция стартовала с Земли 3 августа 2004 года. Она весила 1,1 тонну, снабжалась поворотными солнечными батареями, защитным экраном, одним ходовым и 16 маневровыми ракетными двигателями. Вес топлива, необходимого для полета составил более 600 кг (свыше 50% общего).

Чтобы покрыть расстояние от нашей планеты до точки назначения станции потребовалось 7 лет. Станции пришлось выполнить 6 гравитационных маневров для торможения с синхронизацией орбиты. Большой вес автомата потребовал большей начальной скорости для преодоления земного притяжения. На околоземной орбите она составила 30 км/с, около места назначения – 5,4 км/с. Совершив три пролета на высоте 200 км, станция вышла на статичную орбиту и почти год передавала в ЦУП четкие изображения.

Выработав топливо к декабрю 2014 года, «Мессенджер» потерял возможность корректировать орбиту и стал постепенно падать на меркурианскую поверхность. Миссия зонда завершилась ударом о грунт Меркурия возле кратера Яначек 30 апреля 2015 г.

Третий полет – миссия BepiColombo

Астрономы возлагают большие надежды на запущенный 20 октября 2018 г перелетный модуль, доставляющий по стопам прошлых экспедиций два автономных прибора для исследования магнитосферы; структуры, состава поверхности; окружающего пространства малой планеты.

Орбитальному космическому аппарату предстоит около 7 лет лететь от Земли до Меркурия. Его выход на орбиту ожидается в 2025 году.

Аномалия перигелия Меркурия

Что же все-таки происходит, почему перигелий стремится быть «впереди планеты всей»? Попробуем разобраться с данной аномалией. Из накопленных знаний астрономии и физики должно быть ясно, что если перигелий небесного тела смещается вперед по ходу вращения, то это означает, что возрастает скорость его движения по орбите. Вопрос: почему она возрастает? Поскольку астрономы 19-20 века астероидов и планету вблизи Солнца не обнаружили, то причина одна – возрастает сила притяжения между Солнцем и Меркурием. Следуя логике моих исследований – возрастает энергия гравитирующих небесных тел, т.е., если перейти к математической формуле, то возрастает энергетический коэффициент G_E (гравитационная постоянная) . И в этом повинно Солнце, с его незначительным увеличением температуры и протуберанцы. Солнце эволюционно растет в объеме . Такую тенденцию подтверждает планета Земля, на которой имеет место медленное эволюционное расширение за счет накопления энергии . Гравитационное поле Земли не идет ни в какое сравнение с гравитацией Солнца. На Солнце, в силу его огромной массы, эти процессы происходят медленно и из-за огромного расстояния до Земли, на солнечной постоянной практически не отражаются. Выразился не точно, безусловно, солнечная постоянная изменяется, но в расчетах мы используем ее усредненное значение. Поэтому, искусственно сглаживая флуктуации, мы как бы не замечаем активные фазы Солнца, но Меркурий этого позволить не может. Этого не могут позволить и другие планеты, т.к. они все также прецессируют своими перигелиями, но более медленными темпами.

Меркурий вращается по орбите почти в три раза ближе к Светилу, чем Земля, и даже самое незначительное увеличение температуры (энергии), увеличивает гравитацию Солнца. Орбита Меркурия находится на среднем расстоянии около 58 млн. км.

Во время солнечной активности некоторые протуберанцы могут достигать поверхности Меркурия. От такого обжигающего действия дневное полушарие планеты нагревается гораздо сильнее. Кроме протуберанцев на планету воздействует солнечный ветер, создаваемый непрерывно пульсирующей короной. Поскольку на Меркурии атмосферы практически нет, то любые вспышки на Солнце, сопровождающиеся «порывами» солнечного ветра, отражаются в виде получения дополнительной энергии. Сила притяжения между планетой и Солнцем постепенно возрастает. Солнце сокращает радиус орбиты Меркурия и его перигелий прецессирует по ходу движения планеты. Фактически возрастает кинетическая энергия в соответствии со вторым законом Ньютона F=m∙a= mv2/R и увеличивается скорость вращения.

Здесь следует обратить внимание еще на один параметр Меркурия, на сильно вытянутую орбиту (эксцентриситет 0,205). В перигелии Меркурий находится в 45,9 млн

км от Солнца, в афелии –  69,7 млн. км.

Собственно говоря, благодаря такому большому эксцентриситету Леверье и удалось обнаружить аномальное смещение перигелия. В принципе у всех планет перигелий прецессирует, но его заметить весьма сложно у планет, близкой к круговой орбите. Меркурий в перигелии более чем в полтора раза ближе к Солнцу, чем в афелии. По данному параметру Меркурий абсолютный лидер среди всех планет.

Почему так вытянута орбита Меркурия? Мои аргументы сводятся к следующему. В периоды высокой активности Солнце буквально накачивает энергией планету, в результате сила взаимного притяжения возрастает, заставляя планету немного приблизиться к Солнцу и увеличить скорость. У планеты увеличивается кинетическая энергия, за счет которой Меркурий в афелии уходит несколько дальше от Светила, а в перигелии приближается, происходит увеличение эксцентриситета. Но Меркурий – это все-таки массивная планета и она, в силу своей огромной инерционности, не может резко поменять параметры своей орбиты, поэтому ее перигелий прецессирует медленно. Если бы на месте Меркурия находился астероид или один из спутников Марса, то удлинение и сжатие эллипса мы могли бы заметить гораздо быстрее, порядка 11 летнего солнечного цикла.

Такое действие сравнимо с маятниковыми часами, если Вы приложите дополнительную силу, приводящую механизм в движение, то маятник качнется с большей амплитудой.

Вращение

По орбите Меркурий движения со средней скоростью 48 км/с. В связи с этим, год здесь длится порядка 88 дней. Однако скорость вращения вокруг своей оси составляет 10,892 км/ч. Вследствие этого сутки на Меркурии длятся чуть менее 59 земных дней.

Вращается первая планета не по стандартной орбите. Ученые установили, что Меркурий со временем постепенно смещается относительно Солнца. Данный эффект известен как прецессия.

Интересный факт: смещение орбиты Меркурия по отношению Солнца было одной из неразрешимых загадок, с которой столкнулись астрономы в 19-м веке. Чтобы объяснить данный эффект, ученые даже выдвинули предположение о том, что здесь располагается неизвестная планета, расположенная ближе к звезде.

Прецессия была объяснена ближе к 20-м годам XX века. К тому моменту Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности, которая позволяла понять, почему орбита Меркурия со временем смещается. Позднее данное предположение удалось подтвердить во время солнечного затмения.

Измерения показали, что спин-орбитальный резонанс Меркурия (количество оборотов, которое совершает планета на орбите) составляет 3:2. Из-за такой особенности возникает необычный эффект, который невозможно наблюдать на Земле. Если бы человек находился на поверхности Меркурия, то смог бы увидеть, как Солнце поднимается до максимальной точки на небосводе, затем по той же траектории опускается к горизонту.

Исследование планеты Меркурий

До момента первого полета беспилотных аппаратов мы многого не знали о морфологических характеристиках. Первым к Меркурию отправился Маринер в 1974-1975 гг. Он трижды приблизился и сделал ряд масштабных фото.

Но аппарат обладал длительным орбитальным периодом, поэтому при каждом приближении подходил к одной и той же стороне. Так что карта составляла лишь 45% всей площади.

При первом сближении удалось зафиксировать магнитное поле. Последующие подходы показали, что оно сильно напоминает земное, отклоняющее звездные ветры.

В 1975 году у аппарата кончилось топливо, и мы потеряли связь. Однако Маринер-10 и сейчас может вращаться вокруг Солнца и наведываться к Меркурию.

Вторым посланником стал MESSENGER. Он должен был разобраться в плотности, магнитном поле, геологии, структуре ядра и атмосферных особенностях. Для этого установили специальные камеры, гарантирующие высшее разрешение, а спектрометры отмечали составляющие элементы.

MESSENGER стартовал в 2004 году и выполнил три пролета с 2008 года, компенсировав упущенную Маринером-10 территорию. В 2011 году он перешел на эллиптическую планетарную орбиту и начал снимать поверхность.

После этого стартовала следующая годичная миссия. Последний маневр пришелся на 24 апреля 2015 года. После этого закончилось топливо, и 30 апреля спутник разбился об поверхность.

В 2016 году ЕКА и JAXA объединились для создания BepiColombo, который должен добраться к планете в 2024 году. У него есть два зонда, которые будут изучать магнитосферу, а также поверхность во всех длинах волн.

Расширенное изображение Меркурия, созданное на основе снимков камер MESSENGER

Меркурий – интересная планета, раздираемая крайностями и противоречиями. Обладает расплавленной поверхностью и льдом, нет атмосферы, зато присутствует магнитосфера. Мы надеемся, что будущие технологии позволят узнать больше интригующих подробностей. Обязательно рассмотрите, как выглядит современная карта поверхности Меркурия в высоком разрешении.

Интересные факты о Меркурии:

• От Меркурия до Солнца около 58 млн.км.
• Для достижения орбиты Меркурия «Месенджер» преодолел 79 млн. км и был вынужден 15 раз облететь Солнце, чтобы синхронизироваться с планетой.
• Когда Меркурий находится в максимальной близости к Солнцу, он имеет размер в 3 раза больший, чем мы его видим с Земли.
• Благодаря меньшей гравитации, на Меркурии человек был бы способен прыгнуть в 2,6 раз выше, чем на нашей планете.
• Космический корабль долетает с Земли до Меркурия за 6 лет.
• Радиосигнал Меркурия до Земли и обратно вернется за 5 минут.
• По своим размерам маленькая планета проигрывает даже некоторым спутникам планет-гигантов, например, Титану и Ганимеду.
• Ядро Меркурия соизмеримо с размером Луны.
• Вблизи двух полюсов планеты находятся области, на которые никогда не попадают лучи Солнца.
• Предполагается, что слой льда на Меркурии достигает 2 м.
• Только на Меркурии можно наблюдать, как в течение одних суток Солнце дважды всходит (либо заходит).
• Наибольший меркурианский кратер в диаметре равен 716 км, исследователи его назвали Рембрандт.
• Самый большой уступ под названием Дискавери имеет длину 350 км, а его высота – 3 км.
• На уровне 1 м под внешней оболочкой Меркурия отсутствуют колебания температуры. Здесь она постоянно находится на отметке +75°C.
• Планета имеет каметоподобный хвост, длина которого превышает 2,5 млн. км.
• Если бы Земля была пустая внутри, в нее поместилось бы 20 Меркуриев