Тема 18. Состав и происхождение Солнечной системы.

ИИСС «Планетарий»
Урок 18. Структура, размеры, особенности и происхождение
Солнечной системы
Тема. Структура, размеры, особенности и происхождение Солнечной системы.
Цели урока.
Учащиеся должны знать:
1. Строение и состав Солнечной системы.
2. Возраст Солнечной системы.
3. Размеры Солнечной системы.
4. Отличительные особенности Солнечной системы.
5. Основные гипотезы происхождения Солнечной системы.
Основные понятия. Солнечная система, большие планеты, карликовые планеты, астероиды, пояс Койпера, облако Орта, кометы, астероиды, метеориты
Демонстрационный материал. ИИСС «Планетарий»: Иллюстрации. Модели.
Самостоятельная деятельность учащихся. Выполнение тестовых заданий, подготовка
сообщений, систематизация материала в таблицу.
Мировоззренческий аспект урока. Развивать навыки логического мышления учащихся и
научного подхода к изучению мира.
Использование новых информационных технологий. Работа с моделями.
План урока.
Формы исполь- Время,
Приемы и метоКраткое содержание урока
зования
мин
ды
планетария
1. Изучение нового материала
14
Объяснение
учителя.
 Состав Солнечной системы
Иллюстрации,
модели
 Возраст
 Размеры Солнечной системы
 Особенности Солнечной системы
Иллюстрации,
20
Доклады
уча2. Происхождение Солнечной системы
модели
щихся, беседа
3. Выполнение тестовых заданий
10
4. Домашнее задание
1
Запись на доске
учителя
Подготовка к уроку
Домашнее задание учащимся: найти материал о гипотезах происхождения Солнечной системы и кратко изложить её суть на листе формата А4 (чтобы можно было затем сшить в
альбом).
Гипотеза Бюффона.
Небулярная гипотеза Канта.
Космогоническая гипотеза Лапласа.
Гипотеза О. Ю. Шмидта
Гипотеза Вайцзеркера.
Гипотезы В. Г. Фесенкова.
Гипотеза Хойла.
Гипотеза Койпера.
Гипотеза Мак-Кри.
Гипотезы Камерона и Шацмана.
Гипотеза образования звезд из сверхплотного вещества Амбарцумяна.
Конспект урока.
1
ИИСС «Планетарий»
Солнечной системой называется совокупность небесных тел, движущихся вокруг Солнца, которое является динамическим центром этой системы.
Состав Солнечной системы
Солнечная система состоит из Солнца и планетной системы, включающей в себя все естественные космические объекты, обращающиеся вокруг Солнца: планеты и их спутники,
карликовые планеты и их спутники, а также малые тела: астероиды, метеороиды, кометы,
космическую пыль.
1.
Солнце.
Солнце - динамический центр этой системы. Центр Солнца описывает сложную кривую
вокруг центра масс Солнечной системы. В 1990 г — центр масс почти совпадает с центром Солнца. 1980–1986 г — центр масс находится за пределами Солнечного диска.
2.
8 больших планет со своими спутниками и кольцами.
В августе 2006 года было уточнено определение «большая планета».
Планета – это небесное тело, которое:
 обращается вокруг Солнца,
 достаточно велика и массивна, чтобы принять шарообразную форму
 очищает окрестности своей орбиты (т. е. рядом с планетой нет других сравнимых с
ней тел).
С 2006 года в Солнечной системе всего 8 больших планет: Меркурий, Венера, Земля,
Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.
3. Карликовые планеты.
В августе 2006 года был введен новый астрономический термин – «карликовые
планеты». К карликовым планетам отнесли Плутон, Седну, Эриду (Эрис, Ксена) и Цереру.
Карликовая планета – небесное тело, которое:
 обращается вокруг Солнца,
 достаточно велика и массивна, чтобы принять шарообразную форму
 не очищает окрестности своей орбиты
 не является спутником (планеты).
По данному определению к карликовым планетам отнесли и астероид Цереру.
4. Малые планеты – астероиды. Ныне принято считать астероидами все тела, размеры которых не менее 1 км. Общее число
астероидов около 30–50 тысяч. Считается, что число астероидов размером
более 200 км порядка тридцати. Астероидов размером от 80 км до 200 км –
порядка тысячи. Астероиды, подчиняясь влиянию Солнца и планет, движутся по самым разнообразным траекториям. Главным дирижером их движения
служит гигантский Юпитер. Большинство малых планет удалены от Солнца,
в среднем, на 2,2–3,6 а. е., то есть находятся между орбитами Марса и Юпитера, и полностью подчинены влиянию
этого гиганта. Среди астероидов есть
группы, которые движутся по орбите
Юпитера вокруг Солнца, как его свита.
Группа Греки опережает Юпитер на
60°. Группа Троянцы отстает от Юпитера на 60°. К 2004 году стали известны
орбиты около 1640 троянцев.
2
ИИСС «Планетарий»
4.
Кометы. Согласно гипотезе известного американского исследователя Фреда Уипла,
кометное ядро представляет собой ледяную глыбу, состоящую из смеси замерзшей воды и
замороженных газов с вкраплениями тугоплавких каменистых и металлических частиц,
метеорного вещества. При сближении с Солнцем комета принимает эффектный вид,
нагреваясь под действием солнечного тепла так, что газ и пыль улетают с поверхности,
образуя яркий хвост. Кометы открывают ежегодно. В среднем их открывается около 20 в
год. Доступно наблюдениям порядка 50 комет, а за всю историю человечества наблюдалось около двух тысяч появлений комет.
В 1950 году голландский космогонист Ян Оорт, проанализировав распределение
орбит известных тогда комет, обнаружил, что большие полуоси их первичных орбит
группируются к области, удаленной на расстояния более 200 000 а. е. Оорт предположил,
что Солнечная система окружена гигантским облаком кометных тел (по его оценке насчитывающим до 1011 тел), находящихся на расстояниях от 20 000 до 200 000 а. е.
В 1951 году Койпер высказал гипотезу о существовании наряду с облаком Оорта
еще одного резервуара комет. Первый объект пояса Койпера, расположенный на расстоянии 41 а е., был открыт в 1992 году. В настоящее время открыто более 400 подобных объектов, размеры которых превышают 200 км, находящихся далеко за орбитой Нептуна и
Плутона. По современным оценкам, в поясе Койпера до 35 000 объектов размерами свыше
100 км, а общая численность тел, по расчетам специалистов, оценивается в несколько
миллиардов. Следовательно, пояс Койпера имеет полную массу, в сотни раз большую, чем
пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера.
5.
В межпланетном пространстве движется множество твердых камней и частиц самых различные размеров — метеорное вещество. Столкновения мелких астероидов, разрушение комет вносит вклад в образование межпланетной пыли внутри Солнечной системы. Концентрация межпланетного вещества на некотором расстоянии от Земли (то есть
исключая околоземную составляющую) около 10–22 г/см3, что в 100–1000 раз выше плотности газопылевых межзвездных облаков. Общее количество пылевого вещества внутри
орбиты Земли оценивается в 1018 кг, то есть примерно равно массе одного астероида.
3
ИИСС «Планетарий»
Возраст Солнечной системы
Согласно одной из последних оценок, возраст Солнца составляет 4,49 миллиарда
лет. Другие оценки времени существования Солнечной системы дают значения от 4,6 до 5
миллиардов лет. Самые древние горные породы Земли, которые, однако, являются вторичными образованиями, существуют около 3,9 миллиарда лет. Эти значения определены
по накоплению в минералах продуктов распада радиоактивных элементов.
Радиометрический возраст наиболее древнего вещества Солнечной системы, из которого состоят падающие на Землю метеориты, достигает в среднем 4,6 млрд. лет. Примерно тот же возраст имеют и наиболее древние породы Луны, доставленные на Землю
космическими аппаратами и экспедициями.
В течение периода, равного 4/5 предположительного времени существования Солнечной системы, на Земле существуют одноклеточные живые организмы. История многоклеточных занимает примерно 1/7 часть истории Земли. Существование человека – Homo
sapiens – укладывается в 1/10000 часть времени, прошедшего с момента образования планет. И всего лишь около 1/1000000 этого времени занимает вся история астрономических
наблюдений и осмысливания их результатов.
Размеры Солнечной системы
Вопрос о том, где именно заканчивается Солнечная система и начинается межзвёздное пространство, неоднозначен, поскольку связан с областями влияния двух различных явлений: солнечного ветра и солнечного тяготения. Сначала солнечный ветер
тормозится со сверхзвуковых скоростей, становится более плотным, тёплым и турбулентным. Момент этого перехода называется границей ударной волны (termination shock) и
находится на расстоянии около 95 а. е. от Солнца. (По данным, полученным с космической станции «Вояджер-1», он пересёк эту границу в декабре 2004 года.)
Ещё приблизительно через 40 а. е. солнечный ветер сталкивается с межзвёздным
веществом и окончательно останавливается. Эта граница, отделяющая межзвёздную среду
от вещества Солнечной системы, называется гелиопаузой. По форме она похожа на пузырь, вытянутый в противоположную движению Солнца сторону. Область пространства,
ограниченная гелиопаузой, называется гелиосферой. Согласно данным аппаратов Вояджер
гелиопауза с южной стороны оказалась ближе, чем с северной (73 и 85 астрономических
единицы соответственно). Точные причины этого пока неизвестны; согласно первым
предположениям, асимметричность гелиопаузы может быть вызвана действием сверхслабых магнитных полей в межзвездном пространстве. Даже далеко за пределами гелиопаузы
Солнце оказывается в состоянии удерживать своим тяготением другие объекты вплоть до
облака Оорта - большого скопления комет, окружающего Солнечную систему и простирающегося на расстояния от 50 000 до 100 000 а. е., т. е. почти на световой год
Основные особенности Солнечной системы.
1.
Орбиты всех планет лежат практически в плоскости экватора Солнца. Наклон экватора Солнца к эклиптике составляет 7º 15´. Наибольший наклон у Плутона (17º1´).
4
ИИСС «Планетарий»
Просмотр модели 4.1 «Солнечная система» под углом 00
2.
Планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым. Орбиты планет
имеют малые эксцентриситеты, за исключением Меркурия (0.21) и Плутона (0.25). Плутон, ранее считавшийся планетой, имеет аномально большие значения эксцентриситета
(0,25) и наклонения орбиты (17,1°). Как следствие, вблизи перигелия он оказывается ближе к Солнцу, чем Нептун.
Просмотр модели 4.1 «Солнечная система» под углом 900
Обратите внимание, что орбиты Нептуна и Плутона пересекаются, и в период с 1979 года
по 1999 год Плутон был ближе к Солнцу, чем Нептун.
3.
Направление обращения вокруг Солнца одинаково для всех планет и совпадает с
направлением вращения Солнца. В том же направлении происходит вращение всех планет, кроме Венеры и Урана, причём Уран вращается, практически «лёжа на боку»
Наклон осей вращения планет
Расстояния от одной планеты до другой возрастают закономерно.
В 1766 году Иоганном Тициусом, а в 1772 году независимо от него Иоганном Боде, была подмечена закономерность в ряде чисел, выражающих средние расстояния планет от Солнца, так называемое правило Тициуса – Боде:
4.
a = 0,1∙(3∙2n – 2 + 4) а. е.,
где n = 1 для Меркурия, 2 для Венеры, 3 для Земли и так далее. В полученном ряду цифр
место для пятой планеты отсутствовало. В 1781 году был открыт Уран. Формула для него
предсказывала 19,6 а. е. Действительное значение среднего расстояния составило 19,19
а.е. Таким образом, правило давало практически правильные результаты для больших полуосей орбит.
5
ИИСС «Планетарий»
5.
Масса всех планет системы в 750 раз меньше массы Солнца. 99.8 % массы С.с.
приходится на Солнце и лишь 0.2 % — на планеты, тогда как планеты обладают 98 %
момента количества движения всей Солнечной системы.
6.
Планеты делятся на две группы, резко отличающиеся между собой средней плотностью:
 Планеты земной группы (расположены внутри пояса астероидов): меньше гигантов по
массе и размерам; большая средняя плотность вещества и более медленное вращение.
 Планеты – гиганты (вне пояса астероидов): в десятки и сотни раз массивнее планет
земной группы, окружены плотными протяженными водородно-гелиевыми атмосферами, доля тяжелых элементов значительно меньше, чем у планет типа Земли.
Теории происхождения Солнечной системы
Астрономы наблюдают космические тела на различной стадии развития: образовавшиеся недавно и в далёком прошлом, быстро «стареющие» или почти «застывшие» в своём развитии. Сопоставляя многочисленные данные наблюдений с физическими
процессами, которые могут происходить при различных условиях в космическом пространстве, учёные пытаются объяснить, как возникают небесные тела. И в то же время,
нет надежной модели происхождения и формирования планет и спутников Солнечной системы, неизвестно, как образуются и откуда появляются кометы, и неясно, содержат ли
астероиды первичное вещество или являются осколками однажды уже сформировавшихся
планетных тел. Почти до конца 80-х гг. раннюю историю нашей планетной системы приходилось «воссоздавать» лишь на основе данных о ней самой. И только к 90-м гг. стали
доступны для наблюдений невидимые ранее объекты – газопылевые диски, вращающиеся
вокруг некоторых молодых звёзд, сходных с Солнцем.
Дома вы должны были познакомиться с некоторыми гипотезами происхождения
Солнечной системы. Расскажите кратко суть этих гипотез, а мы систематизируем идеи
эволюции нашей планетной системы в виде таблицы. Все гипотезы можно разделить на
две группы: эволюционные и катастрофические. Ваша задача - выслушав каждый доклад,
записать основную идею гипотезы и её автора в таблицу.
Эволюционные
Катастрофические
Солнце и планеты образовались из одСолнце и планеты образовались неодновреного вещества
менно вследствие различных «катастроф»
планетное вещество
планеты образовались
было «захвачено»
из вещества, выбро6
ИИСС «Планетарий»
Солнцем
шенного из Солнца
Кант: С.с. образовалась в процессе эво- Вулфсон:
газовая Джинс: исходная малюционного развития холодной пыле- струя, из которой об- терия была выброшевой туманности, сперва возникло цен- разовались планеты, на из Солнца при слутральное массивное тело — будущее была выброшена из чайном прохождении
Солнце, а потом уже планеты.
проходившего мимо вблизи него некоторой
Лаплас: С.с. образовалась в процессе Солнца космического звезды.
эволюционного развития газовой и объекта
(протозвез- Бюффон:
Солнце
очень горячей туманности, находящейся ды).
пришло во вращение
в состоянии быстрого вращения. По Мультон и Чембер- вследствие бокового
этой гипотезе, планеты образовались лин: происхождение столкновения с комераньше Солнца.
Солнечной системы той, так как предполаВайцзеркер: теория турбулентности объясняется сильным гает, что эти два тела
была приложена к проблеме возникно- приливным
воздей- твердыми. При ударе
вения Солнечной системы.
ствием одной звезды от Солнца, по его
Фесенков: ввел в космогонию идею на другую при близ- предположению, отнеобходимости учета астрофизических ком
прохождении рывается часть его
процессов.
друг от друга
вещества.
Хойл: идея о возможности переноса Шмидт: что Солнце,
момента количества движения от Солн- вращаясь вокруг ценца к планетам электромагнитным путем. тра Галактики, захваКойпер: теория приливной устойчиво- тило облако пыли.
сти.
Мак-Кри: проанализировал возможную
эволюцию гравитационной конденсации
околозвездной туманности размером до
двух световых лет при неоднородной
плотности на основе своей идеи о случайных перемещениях ее элементов —
сгустков.
Камерон и Шацман
В. А. Амбарцумян: Солнце образуются
из некоторого сверхплотного вещества.
В настоящее время общепризнанной является теория формирования планетной системы в четыре этапа.
7
ИИСС «Планетарий»
Планетная
система
формируется из того же протозвездного пылевого вещества, что и звезда, и в те же
сроки. Первоначальное сжатие
протозвездного пылевого облака происходит при потере
им устойчивости. Центральная
часть сжимается самостоятельно и превращается в протозвезду. Другая часть облака
с массой, примерно в десять
раз меньше центральной части, продолжает медленно
вращаться вокруг центрального утолщения, а на периферии
каждый фрагмент сжимается
самостоятельно. При этом
стихает первоначальная турМодель «Эволюция Солнечной системы»
булентность, хаотичное движение частиц. Газ конденсируется в твердое вещество, минуя жидкую фазу. Образуются
более крупные твердые пылевые крупинки – частицы. Чем крупнее образовавшиеся крупинки, тем быстрее они падают на центральную часть пылевого облака.
Часть вещества, обладающая избыточным моментом вращения, образует тонкий
газопылевой слой – газопылевой диск. Вокруг протозвезды формируется протопланетное
облако – пылевой субдиск. Протопланетное облако становится все более плоским, сильно
уплотняется.
Из-за гравитационной неустойчивости в пылевом субдиске образуются отдельные
мелкие холодные сгустки, которые, сталкиваясь друг с другом, образуют все более массивные тела – планетезимали. В процессе формирования планетной системы часть планетезималей разрушилась в результате столкновений, а часть объединилась. Образуется
рой допланетных тел размером около 1 км, количество таких тел очень велико – миллиарды.
Затем допланетные тела объединяются в планеты. Аккумуляция планет продолжается миллионы лет, что очень незначительно по сравнению со временем жизни звезды.
Протосолнце становится горячим. Его излучение нагревает внутреннюю область протопланетного облака до 400 К, образовав зону испарения. Под действием солнечного ветра и
давления света легкие химические элементы (водород и гелий) оттесняются из окрестностей молодой звезды. В далекой области, на расстоянии свыше 5 а. е., образуется зона
намерзания с температурой примерно 50 К. Это приводит к различиям в химическом составе будущих планет.
Как только масса пропланеты достигает 1–2 масс Земли, она способна захватывать атмосферу. Протоюпитер буквально за сотню лет увеличил свою массу за счет захвата газов в
десятки раз. Затем скорость аккреции падает, т.к. весь газ непосредственно на пути планеты уже вобран, а снаружи он поступает достаточно медленно (за счет диффузии).
В нашей Солнечной системе на периферии образовались планеты-гиганты, способные
удержать возле себя газовые оболочки. Сначала сформировались ядра планет-гигантов, а
затем планеты «нарастили» себе оболочку из водорода и гелия. Двухступенчатая модель
образования гигантов подтверждается фактами. Массы ядер планет-гигантов примерно
одинаковы и равны 15–20 M . Количество водорода уменьшается с увеличением расстояния. Чем больше масса планеты, тем быстрее идет аккреция газа на нее. По современным
расчетам, рост Юпитера продолжался десятки миллионов лет, а рост Сатурна – сотни
8
ИИСС «Планетарий»
миллионов. У планет-гигантов возникли собственные минидиски из газа и пыли, из которых затем сформировались кольца и многочисленные спутники.
При формировании Юпитера именно в районе его орбиты проходила граница конденсации водяных паров. По современным расчетам, на более близких расстояниях, в поясе астероидов, летучие вещества находились в газообразном состоянии. Это привело к тому, что рост допланетных тел в районе будущего Юпитера ускорился, а в районе пояса
астероидов замедлился. Именно поэтому массивный Юпитер обогнал по скорости роста
протопланету, более близкую к Солнцу. Но после своего «рождения» Юпитер стал тормозить образование этой планеты в поясе астероидов. Разогнанные тяготением планетгигантов сгустки вещества выбрасывались на окраину Солнечной системы, где становились кометами. Гравитационные возмущения со стороны Юпитера и сейчас сильно воздействуют на астероиды.
Уран и Нептун росли еще медленнее. К тому времени газа в Солнечной системе изза действия солнечного ветра осталось еще меньше, поэтому Уран и Нептун содержат
меньше водорода в процентном содержании, чем Юпитер. Основными составляющими
этих планет-гигантов являются вода, метан и аммиак.
В центре Солнечной системы сформировались менее массивные планеты. Здесь
солнечный ветер выдул мелкие частицы и газ. А вот более тяжелые частицы, наоборот,
стремились к центру. Рост Земли продолжался сотни миллионов лет. Ее недра прогрелись
до 1000–2000 К благодаря гравитационному сжатию и участвовавшим в аккумуляции
крупным телам (до сотен километров в поперечнике). Падение таких тел сопровождалось
образованием кратеров с очагами повышенной температуры под ними. Другой и основной
источник тепла Земли – распад радиоактивных элементов, в основном, урана, тория и калия. В настоящее время температура в центре Земли достигает 5000 К, что гораздо выше,
чем в конце аккумуляции.
Солнечные приливы затормозили вращение близких к Солнцу планет – Меркурия и
Венеры.
Компьютерные эксперименты продемонстрировали замечательное свойство нашей планетной системы: пролет звезды с массой порядка 0,1 массы Солнца через ее внешние области мало изменит орбиты планет земной группы. Этого нельзя сказать об удаленных
объектах, расположенных в облаке Оорта, для которых расстояние от Солнца в сотни раз
больше, чем радиус орбиты Земли. Гравитационное поле Галактики возмущает орбиты
малых тел на окраине Солнечной системы и даже вызывает их появление внутри орбиты
Земли.
Современная планетная космогония встречается со многими вопросами, которые
требуют строгого решения. Один из таких вопросов – парадокс вращательного момента. Вопрос о перераспределении вращательного момента из центральной части конденсирующегося газопылевого облака к периферии очень актуален и до сих пор не решен.
Тестовые задания учащимся для самостоятельной работы
1. Планеты обращаются вокруг Солнца:
А) по сильно вытянутым эллипсам;
Б) по параболам;
В) по орбитам, близким к круговым;
Г) по окружностям.
2. Наиболее вытянутую орбиту, имеющую большой эксцентриситет, имеет планета:
А) Меркурий;
Б) Плутон;
В) Марс;
Г) Сатурн.
3. К планетам земной группы относятся:
А) Венера;
9
ИИСС «Планетарий»
Б) Юпитер;
В) Сатурн;
Г) Нептун.
4. У большинства планет ось вращения почти перпендикулярна плоскости эклиптики, но
ось одной из планет почти параллельна этой плоскости. Это планета:
А) Земля;
Б) Плутон;
В) Марс;
Г) Уран.
5. Орбита какой планеты Солнечной системы имеет самый большой эксцентриситет и
пересекает орбиту другой планеты?
А) Меркурия;
Б) Марса;
В) Нептуна;
Г) Плутона.
6. Какая планеты была самой далекой от Солнца с 1979 года по 1999 год?
А) Уран;
Б) Нептун;
В) Сатурн;
Г) Плутон.
7. Какое из перечисленных свойств не подходит для планет земной группы:
А) небольшой диаметр;
Б) низкая плотность;
В) короткий период обращения вокруг Солнца;
Г) состав в основном из оксидов тяжелых химических элементов.
8. Самую большую плотность в Солнечной системе имеет планета:
А) Меркурий;
Б) Венера;
В) Земля;
Г) Марс.
9. Укажите правильное расположение объектов в порядке удаления от Солнца:
А) пояс Койпера, Земля, пояс астероидов;
Б) Земля, кометное облако Оорта, пояс астероидов;
В) Земля , пояс астероидов, пояс Койпера;
Г) пояс астероидов, Земля, облако Оорта.
10. Если смотреть со стороны северного полюса, то все планеты движется вокруг Солнца:
А) по часовой стрелке в плоскости эклиптики;
Б) против часовой стрелки в плоскости эклиптики;
В) Все планеты, кроме двух, движутся против часовой стрелки;
Г) нет корреляции в движении планет.
11. Планеты Солнечной системы движутся:
А) в плоскости эклиптики почти по круговым орбитам;
Б) орбиты планет имеют небольшой эксцентриситет и наклонены к плоскости эклиптики под небольшими углами;
В) орбиты планет наклонены к плоскости эклиптики под любыми углами;
Г) орбиты планет – эллипсы, имеющие большой эксцентриситет.
1.
В
2.
Б
3.
А
4.
Г
5.
А
6.
Б
7.
Б
10
8.
А
9.
В
10.
А
11.
Б