§ 86. Солнечная система

Определения и обозначения

Солнечная система — Солнце и все тела, связанные с ним гравитацией: планеты, спутники, астероиды, кометы и другие объекты. Её основная часть расположена в области, где доминирует притяжение Солнца. Это определение помогает рассматривать систему как единое небесное образование, а не как случайный набор тел.

Астрономическая единица (а.е.) — среднее расстояние от Земли до Солнца, примерно 149,6 млн км. Ею удобно измерять расстояния внутри Солнечной системы, потому что километровые значения для орбит получаются очень большими. Например, среднее расстояние Юпитера выражают как 5,2 а.е.

Планета — небесное тело, обращающееся вокруг Солнца, имеющее почти сферическую форму и очистившее окрестность своей орбиты. Последнее условие означает, что тело стало главным объектом в своей орбитальной области. Поэтому к планетам относят восемь крупных тел, а не все сферические объекты около Солнца.

Карликовая планета — почти сферическое тело, обращающееся вокруг Солнца, которое не очистило окрестность своей орбиты. Она не является спутником другой планеты, но уступает планете по способности гравитационно господствовать в своей области. Это понятие позволяет отдельно описывать, например, Плутон и Цереру.

Как это устроено

Солнечная система возникла из вращавшегося газопылевого облака. Под действием гравитации вещество сжималось: в центре сформировалось Солнце, а остаток вещества объединился в планеты и малые тела. Вращение облака стало причиной того, что большинство объектов движется примерно в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики.

Солнце стало центральным телом потому, что его масса намного больше массы всех планет вместе взятых. Поэтому его притяжение определяет форму орбит и удерживает планеты в системе. Собственное движение Солнца вокруг общего центра масс обычно мало по сравнению с движением планет, хотя строго неподвижным центром оно не является.

Планета не падает прямо на Солнце из-за сочетания притяжения и движения по инерции. Сила тяготения непрерывно меняет направление скорости, а не просто останавливает планету. Поэтому тело всё время отклоняется к Солнцу и одновременно продвигается вперёд, описывая орбиту, близкую к эллипсу.

Внутренние планеты сформировались близко к молодому Солнцу, где было слишком тепло для устойчивого существования лёгких газов и большого количества льдов. Поэтому они небольшие, плотные и состоят главным образом из каменных пород и металлов. Дальше от Солнца температура была ниже, поэтому внешние планеты смогли накопить много водорода, гелия и ледяных веществ, став гигантами.

Астероиды — преимущественно каменные или металлические тела, особенно многочисленные в поясе между Марсом и Юпитером. Кометы содержат много льда и обычно приходят из далёких областей: пояса Койпера и облака Оорта. При приближении к Солнцу кометный лёд испаряется, вокруг ядра возникает кома, а под действием излучения и солнечного ветра формируется хвост.

Основные характеристики планет Солнечной системы

В таблице расстояние указано в астрономических единицах, а период обращения — время полного оборота вокруг Солнца. Группа показывает, относится ли планета к каменным или к планетам-гигантам. Число спутников и сведения о кольцах могут уточняться по мере новых наблюдений.

Разбор задач

1. Перевод астрономической единицы

Условие: определить среднее расстояние от Земли до Солнца в километрах, если оно равно 1 а.е. По определению 1 а.е. ≈ 149,6 млн км. Нужно только заменить обозначение единицы её числовым значением.

1. Записываем: 1 а.е. ≈ 149,6 млн км.
2. Переводим миллионы в обычную запись: 149,6 млн км = 149 600 000 км.
3. Сохраняем разумную точность, поскольку а.е. — среднее расстояние, а не постоянный радиус орбиты.

Ответ: среднее расстояние от Земли до Солнца примерно равно 149,6 млн км.

2. Сравнение орбитальных скоростей

Условие: сравнить линейные скорости Земли и Марса, если известны радиусы их орбит RЗ и RМ и периоды обращения TЗ и TМ. Для почти кругового движения длина орбиты равна 2πR. Поэтому скорость можно найти как v = 2πR/T.

1. Записываем скорости: vЗ = 2πRЗ/TЗ и vМ = 2πRМ/TМ.
2. Делим первое выражение на второе: vЗ/vМ = RЗTМ/(RМTЗ).
3. Подставляем известные радиусы и периоды, после чего сравниваем полученное отношение с единицей.

Ответ: отношение скоростей определяется формулой vЗ/vМ = RЗTМ/(RМTЗ); при обычных орбитальных данных Земля движется быстрее Марса.

3. Период обращения по расстоянию

Условие: определить период обращения планеты по её среднему расстоянию R от Солнца. Для планет Солнечной системы третий закон Кеплера связывает период T и большую полуось орбиты R. Если расстояние дано в а.е., а период — в годах, удобно сравнить планету с Землёй.

1. Записываем закон: T²/R³ = TЗ²/RЗ³.
2. Берём квадратный корень и выражаем неизвестный период: T = TЗ√(R³/RЗ³).
3. При TЗ = 1 год и RЗ = 1 а.е. получаем простую форму: T = √R³ лет.
4. Подставляем R и проверяем единицы: результат должен быть выражен в годах.

Ответ: период находят по формуле T = TЗ√(R³/RЗ³); для единиц «годы» и «а.е.» — по формуле T = √R³.

Типичные ошибки

Астрономическую единицу считают единицей времени. Ошибка возникает из-за слова «единица» и привычки связывать астрономические величины с годами. Проверка проста: а.е. измеряет расстояние и переводится в километры.

Любую планету называют спутником Солнца. Спутник в строгом смысле обращается вокруг планеты, тогда как планета обращается вокруг Солнца. Проверьте, вокруг какого тела описывается орбита объекта.

Астероид смешивается с кометой. Астероиды в основном каменные или металлические, а кометы богаты льдами и при нагревании могут образовывать кому и хвост. Если в описании есть испарение льда около Солнца, речь идёт о комете.

Орбиты считают строго круговыми и лежащими в одной плоскости. Такое приближение удобно для расчётов, но реальные орбиты близки к эллиптическим и немного наклонены друг к другу. Проверяйте, требуется ли идеализированная модель или точное описание движения.

Связь с другими темами

Для понимания Солнечной системы нужны закон всемирного тяготения, движение по окружности, скорость и период обращения. Эти понятия объясняют, почему тела удерживаются на орбитах и как сравнивать их движение.

Законы Кеплера позволяют связывать форму орбиты, расстояние до Солнца и период обращения. Поэтому сведения о планетах превращаются в расчётную модель, а не остаются только описанием.

Дальше эти знания пригодятся при изучении звёзд, галактик, космических полётов и методов астрономических наблюдений. Те же идеи помогают исследовать орбиты искусственных аппаратов и других небесных тел.

Что запомнить

• Солнечная система включает Солнце, планеты, их спутники и малые тела.
• Солнце содержит почти всю массу Солнечной системы и определяет движение планет.
• Планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, близким к эллиптическим.
• Внутренние планеты — каменные, внешние — планеты-гиганты.
• Астрономическая единица примерно равна среднему расстоянию от Земли до Солнца.
• Астероиды преимущественно сосредоточены в поясе между Марсом и Юпитером.
• Период обращения планеты связан с размером её орбиты третьим законом Кеплера.