Современные исследования планет гигантов амс доклад
Обновлено: 25.04.2024
Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун представляют юпитерову группу планет, или группу планет-гигантов, хотя их большие диаметры не единственная черта, отличающая эти планеты от планет земной группы. Планеты-гиганты имеют небольшую плотность, краткий период суточного вращения и, следовательно, значительное сжатие у полюсов; их видимые поверхности хорошо отражают, или, иначе говоря, рассеивают солнечные лучи.
Вполне естественно, что среди планет-гигантов лучше всего изучены две ближайшие к нам - Юпитер и Сатурн.
Поскольку Уран и Нептун сейчас не привлекают к себе особенного внимания ученых, остановимся более подробно на Юпитере и Сатурне. К тому же значительная часть вопросов, которые можно решить в связи с описанием Юпитера и Сатурна, относится также и к Нептуну.
Планеты-гиганты - четыре планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун; расположены за пределами кольца малых планет.
Эти планеты, имеющие ряд сходных физических характеристик, также называют внешними планетами . Они бладают значительно большими размерами и массами (вследствие чего давление в их недрах значительно выше), более низкой средней плотностью (близкой к средней Солнечной, 1,4 г/смі), мощными атмосферами, быстрым вращением, а также кольцами (в то время как у планет земной группы таковых нет) и бо ? льшим количеством спутников. Почти все эти характеристики убывают от Юпитера к Нептуну. Все эти планеты являются газовыми планетами
Газовая планета - планета, состоящая в значительном составе из водорода, гелия, аммиака, метана и других элементов. Планеты этого типа имеют небольшую плотность, краткий период суточного вращения и, следовательно, значительное сжатие у полюсов; их видимые поверхности хорошо отражают, или, иначе говоря, рассеивают солнечные лучи. В Солнечной системе это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самой большой известной планетой-гигантом является TrES-4b. Согласно гипотезе происхождения Солнечной системы, планеты-гиганты образовались раньше, чем планеты земной группы. Период вращения газовых гигантов вокруг своей оси составляет 9-17 часов.
В атмосферах газовых планет дуют мощные ветры со скоростями до тысяч километров в час. Имеются постоянные атмосферные образования, представляющие собой гигантские вихри. Например, Большое красное пятно (размером в несколько раз больше Земли) на Юпитере наблюдают уже более 300 лет. Имеется Большое тёмное пятно на Нептуне, более мелкие пятна на Сатурне.
Для всех газовых планет Солнечной системы отношение суммарной массы их спутников к массе планеты составляет около 0,01% (1 к 10 000). Для объяснения этого факта разработаны модели формирования спутников из газо-пылевых дисков с большим количеством газа (при этом действует механизм, ограничивающий рост спутников). Газовыми могут являться лишь крупные планеты, так как небольшие небесные тела не способны удержать такой лёгкий газ, как водород.
Юпитер - пятая планета от Солнца, крупнейшая в Солнечной системе. Ряд атмосферных явлений на Юпитере: штормы, молнии, полярные сияния, - имеют масштабы, на порядки превосходящие земные. Юпитер имеет, по крайней мере, 67 спутников, самые крупные из которых - Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Исследования Юпитера проводятся при помощи наземных и орбитальных телескопов. Юпитер - самый мощный (после Солнца) радиоисточник Солнечной системы в дециметровом-метровом диапазонах длин волн. Радиоизлучение имеет спорадический характер и в максимуме всплеска достигает 10 6 Янских. Юпитер - самая большая планета Солнечной системы, газовый гигант. Его экваториальный радиус равен 71,4 тыс. км, что в 11,2 раза превышает радиус Земли.
Масса Юпитера в 2,47 раза превышает суммарную массу всех остальных планет Солнечной системы, вместе взятых, в 317,8 раз - массу Земли и примерно в 1000 раз меньше массы Солнца. Плотность (1326 кг/мі) примерно равна плотности Солнца и в 4,16 раз уступает плотности Земли (5515 кг/мі). При этом сила тяжести на его поверхности, за которую обычно принимают верхний слой облаков, более чем в 2,4 раза превосходит земную: тело, которое имеет массу, например, 100 кг, будет весить столько же, сколько весит тело массой 240 кг на поверхности Земли. Это соответствует ускорению свободного падения 24,79 м/сІ на Юпитере против 9,80 м/сІ для Земли. Температура в атмосфере растёт немонотонно. В ней, как и на Земле, можно выделить экзосферу, термосферу, стратосферу, тропопаузу, тропосферу.
Характерной особенностью внешнего облика Юпитера являются его полосы. Существует ряд версий, объясняющих их происхождение. Так, по одной из версий, полосы возникали в результате явления конвекции в атмосфере планеты-гиганта - за счёт подогрева, и, как следствие, поднятия одних слоёв, и охлаждения и опускания вниз других. На границах поясов и зон наблюдается сильная турбулентность, которая приводит к образованию многочисленных вихревых структур. Наиболее известным таким образованием является Большое красное пятно, наблюдающееся на поверхности Юпитера в течение последних 300 лет. Возникнув, вихрь поднимает на поверхность облаков нагретые массы газа с пара ? ми малых компонентов. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиака в виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере, пока не достигают уровней, на которых температура достаточна высока, и испаряются. После чего вещество в газообразном состоянии снова возвращается в облачный слой.
Внутренне строение
На данный момент наибольшее признание получила следующая модель внутреннего строения Юпитера:
I. Атмосфера . Её делят на три слоя:
. внешний слой, состоящий из водорода;
. средний слой, состоящий из водорода (90%) и гелия (10%);
. нижний слой, состоящий из водорода, гелия и примесей аммиака, гидросульфида аммония и воды, образующих облака.
II. Слой металлического водорода . Температура этого слоя меняется от 6300 до 21 000 К, а давление от 200 до 4000 ГПа.
III. Каменное ядро .
Физические характеристики.
Полярное сжатие 0,06487
Экваториальный радиус 71 492 ± 4 км
Полярный радиус 66 854 ± 10 км
Средний радиус 69 911 ± 6 км
Площадь поверхности (S) 6,21796·1010 кмІ
Объём (V) 1,43128·1015 кмі
Масса (m) 1,8986·1027 кг
Средняя плотность (с) 1,326 г./смі
Ускорение свободного падения на экваторе (g) 24,79 м/сІ (2,535 g)
Вторая космическая скорость (v2) 59,5 км/с
Экваториальная скорость вращения 12,6 км/с или 45 300 км/ч
Период вращения (T) 9,925 часа
Атмосферное давление 20-220 кПа
Шкала высоты 27 км
Кольца у Сатурна самые заметные. Существует три основных кольца и четвёртое - более тонкое. Все вместе они отражают больше света, чем диск самого Сатурна. Кольца Сатурна очень тонкие. При диаметре около 250 000 км их толщина не достигает и километра, хотя существуют на поверхности колец и своеобразные горы. Несмотря на свой внушительный вид, количество вещества, составляющего кольца, крайне незначительно.
Внутреннее строение
В глубине атмосферы Сатурна растут давление и температура, а водород переходит в жидкое состояние, однако этот переход является постепенным. На глубине около 30 тыс. км водород становится металлическим (давление там достигает около 3 миллионов атмосфер). Циркуляция электрических токов в металлическом водороде создаёт магнитное поле (гораздо менее мощное, чем у Юпитера). В центре планеты находится массивное ядро из твердых и тяжёлых материалов - силикатов, металлов и, предположительно, льда. Его масса составляет приблизительно от 9 до 22 масс Земли. Температура ядра достигает 11 700°C, а энергия, которую оно излучает в космос, в 2,5 раза больше энергии, которую Сатурн получает от Солнца. Значительная часть этой энергии генерируется за счёт механизма Кельвина - Гельмгольца (когда температура планеты падает, то падает и давление в ней). В результате она сжимается, а потенциальная энергия её вещества переходит в тепло.
Физические характеристики.
Полярное сжатие 0,097 96 ± 0,000 18
Экваториальный радиус 60 268 ± 4 км
Полярный радиус 54 364 ± 10 км
Площадь поверхности (S) 4,272·1010 кмІ
Объём (V) 8,2713·1014 кмі
Масса (m) 5,6846·1026 кг
Средняя плотность (с) 0,687 г./смі
Ускорение свободного падения на экваторе (g) 10,44 м/сІ[4]
Вторая космическая скорость (v2) 35,5 км/с
Экваториальная скорость вращения 9,87 км/c
Период вращения (T) 10 ч 34 мин 13с ± 2с
Наклон оси 26,73°
Хотя Уран и не имеет твёрдой поверхности в привычном понимании этого слова, наиболее удалённую часть газообразной оболочки принято называть его атмосферой. Атмосферу условно можно разделить на 3 части: тропосфера (-300 км - 50 км; давление составляет 100 - 0,1 бар), стратосфера (50 - 4000 км; давление составляет 0,1 - 10 ?10 бар) и термосфера / атмосферная корона (4000 - 50000 км от поверхности) [10] . Мезосфера у Урана отсутствует.
У Урана есть слабо выраженная система колец, состоящая из очень тёмных частиц диаметром от микрометров до долей метра. Это - вторая кольцевая система, обнаруженная в Солнечной системе (первой была система колец Сатурна). На данный момент у Урана известно 13 колец, самым ярким из которых является кольцо е (эпсилон). Кольца Урана, вероятно, весьма молоды - на это указывают промежутки между ними, а также различия в их прозрачности. Это говорит о том, что кольца не были сформированы вместе с планетой. Возможно, ранее кольца были одним из спутников Урана, который разрушился либо при столкновении с неким небесным телом, либо под действием приливных сил.
Внутренняя структура.
Физические характеристики
Полярное сжатие 0,02293
Экваториальный радиус 25 559 км
Полярный радиус 24 973 км
Площадь поверхности (S) 8,1156·109 кмІ
Объём (V) 6,833·1013 кмі
Масса (m) 8,6832·1025 кг
Средняя плотность (с) 1,27 г./смі
Ускорение свободного падения на экваторе (g) 8,87 м/сІ (0,886 g)
Вторая космическая скорость (v2) 21,3 км/c
Экваториальная скорость вращения 2,59 км/с
Период вращения (T) 0,71833 дней 17 ч 14 мин 24 с
Наклон оси 97,77°
Непту?н - восьмая и самая дальняя планета Солнечной системы. Нептун также является четвёртой по диаметру и третьей по массе планетой. Масса Нептуна в 17,2 раза, а диаметр экватора в 3,9 раза больше таковых у Земли. Обнаруженный 23 сентября 1846 года, Нептун стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам, а не путём регулярных наблюдений.
У Нептуна на данный момент известно 14 спутников. Масса крупнейшего составляет более, чем 99,5% от суммарной массы всех спутников Нептуна, и лишь он массивен настолько, чтобы стать сфероидальным. Это Тритон. В отличие от всех остальных крупных спутников планет в Солнечной системе, Тритон обладает ретроградной орбитой. Возможно, он был захвачен гравитацией Нептуна, а не сформировался на месте, и, возможно, когда-то был карликовой планетой в поясе Койпера. Второй (по времени открытия) известный спутник Нептуна - Нереида, спутник неправильной формы с одним из самых высоких эксцентриситетов орбиты среди прочих спутников Солнечной системы. Четыре самые внутренние спутника Нептуна - Наяда, Таласса, Деспина и Галатея. Следующая за ними, Ларисса, была первоначально открыта в 1981 году при покрытии звезды.
Атмосфера Нептуна, подобно атмосфере Юпитера и Сатурна, состоит в основном из водорода и гелия, наряду со следами углеводородов и, возможно, азота, однако содержит в себе более высокую пропорцию льдов: водного, аммиачного, метанового. Ядро Нептуна, как и Урана, состоит главным образом из льдов и горных пород. Следы метана во внешних слоях атмосферы, в частности, являются причиной синего цвета планеты.
В атмосфере Нептуна бушуют самые сильные ветры среди планет Солнечной системы, по некоторым оценкам, их скорости могут достигать 2100 км/ч. В южном полушарии Нептуна было обнаружено так называемое Большое тёмное пятно, аналогичное Большому красному пятну на Юпитере. Температура Нептуна в верхних слоях атмосферы близка к ?220°C. В центре Нептуна температура составляет по различным оценкам от 5400 K до 7000-7100°C, что сопоставимо с температурой на поверхности Солнца и сравнимо с внутренней температурой большинства известных планет. У Нептуна есть слабая и фрагментированная кольцевая система (гораздо менее существенная, чем, к примеру, у Сатурна. Кольца могут состоять из ледяных частиц, покрытых силикатами, или основанным на углероде материалом, - наиболее вероятно, это он придаёт им красноватый оттенок). Среднее расстояние между Нептуном и Солнцем - 4,55 млрд км (около 30,1 средних расстояний между Солнцем и Землёй, или30,1 а. е.), и полный оборот вокруг Солнца у него занимает 164,79 года. Расстояние между Нептуном и Землёй составляет от 4,3 до4,6 млрд км.
Орбитальные резонансы.
Нептун оказывает большое влияние на весьма отдалённый от него пояс Койпера. Пояс Койпера - кольцо из ледяных малых планет, подобное поясу астероидов между Марсом и Юпитером, но намного протяжённее. Он располагается в пределах от орбиты Нептуна (30 а. е.) до 55 астрономических единиц от Солнца [56] . Гравитационная сила притяжения Нептуна оказывает наиболее существенное влияние на пояс Койпера (в том числе в плане формирования его структуры), сравнимое по доле с влиянием силы притяжения Юпитера на пояс астероидов. За время существования Солнечной системы некоторые области пояса Койпера были дестабилизированы гравитацией Нептуна, и в структуре пояса образовались промежутки.
Внутреннее строение
Внутреннее строение Нептуна напоминает внутреннее строение Урана. Атмосфера составляет примерно 10-20% от общей массы планеты, и расстояние от поверхности до конца атмосферы составляет 10-20% расстояния от поверхности до ядра. Вблизи ядра давление может достигать 10 ГПа. Объёмные концентрацииметана, аммиака и воды найдены в нижних слоях атмосферы. Постепенно эта более тёмная и более горячая область уплотняется в перегретую жидкую мантию, где температуры достигают 2000-5000 К. Масса мантии Нептуна превышает земную в 10-15 раз, по разным оценкам, и богата водой, аммиаком, метаном и прочими соединениями. Ядро Нептуна состоит из железа, никеля и силикатов и, как полагают, имеет массу в 1,2 раза больше, чем у Земли. Давление в центре достигает 7 мегабар, то есть примерно в 7 млн раз больше, чем на поверхности Земли. Температура в центре, возможно, достигает 5400 К.
Физические характеристики.
Полярное сжатие0,0171 ± 0,0013
Экваториальный радиус24 764 ± 15 км
Полярный радиус24 341 ± 30 км
Площадь поверхности (S)7,6408·109 кмІ
Объём (V)6,254·1013 кмі
Масса (m)1,0243·1026 кг
Средняя плотность (с)1,638 г./смі
Ускорение свободного падения на экваторе (g)11,15 м/сІ (1,14 g)
Вторая космическая скорость (v2) 23,5 км/c
Экваториальная скорость вращения2,68 км/с
Период вращения (T) 0,6653 дня 15 ч 57 мин 59 с
Наклон оси28,32°
планета юпитер гигант нептун
Планеты-гиганты активно изучаются и в наше время. Но до сих пор многие явления, происходящие на планетах-гигантах, остаются неизведанными и привлекают внимание ученых всего мира. И следует полагать, что мы когда-нибудь все-таки будем иметь полное представление об этих красивых, необычных планетах.
Например. Учёные еще не пришли к единому мнению о происхождении нерегулярных спутников. (Считается, что регулярные внутренние спутники сформировались из околопланетного газопылевого диска в результате слипания многих мелких частиц.) Ясно только, что важную роль в формировании внешних спутников играл захват Юпитером астероидов. Компьютерные расчеты показывают, что, возможно, группа Пасифе возникла в результате систематического захвата планетой мелких частиц и астероидов на обратные орбиты во внешней области около юпитерианского диска.
Список литературы
.«, Е.П. Куликовский, «Справочник любителя и астронома М., Наука, 1977 г.
Автор: Кулькова Светлана 27.05.2011 08:08
На планетах, расположенных за пределами пояса астероидов, побывало очень мало земных автоматических станций. Это связано с большими энергозатратами по доставке аппаратов к желаемой цели исследований, а также некоторыми техническими сложностями работы аппаратов в жесткой радиационной среде. Поэтому эти исследования могли осуществить только хорошо финансируемые космические агентства. В период с 1973 года NASA послало к внешним планетам нашей Солнечной системы 8 аппаратов. Именно NASA сейчас главенствует в беспилотных миссиях за пределами пояса астероидов.
Парад планет в конце 70-х прошлого века создал уникальную возможность облететь все внешние планеты Солнечной системы, кроме Плутона, и руководство NASA решило использовать ее по максимуму. АМС "Вояджеры" посетили Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, передав первые качественные снимки этих газовых гигантов.
ЮПИТЕР
В окрестностях Юпитера были исключительно аппараты NASA. В 1973 и 1974 годах мимо планеты прошли "Пионер-10" и "Пионер-11" (англ. Pioneer 10, Pioneer F и Pioneer 11, Pioner G). Аппараты передали несколько сот снимков (невысокого разрешения) планеты и галилеевых спутников, впервые измерили основные параметры магнитного поля и магнитосферы Юпитера. Информация, полученная этими двумя аппаратами, позволила астрономам и инженерам создать более совершенные зонды, чтобы улучшить качество и количество данных о Юпитере.
В 1979 году около Юпитера пролетели "Вояджеры" (англ. Voyager). Впервые были получены снимки высокого разрешения планеты и её спутников, были впервые обнаружены кольца Юпитера, получены сведения о химическом составе атмосферы, данные по магнитосфере, температуре верхних слоев облаков. Открыли вулканическую активность Ио и наличие водяного льда на поверхности Европы. В настоящее время аппараты выполняют дополнительную расширинную миссию по определению местонахождения границ солнечной системы, включая пояс Койпера.
Юпитер используют для совершения гравитационного маневра на пути к другим планетам окраины нашей Солнечной системы. Так это было с аппаратами "Улисс" (миссия ESA и NASA для изучения Солнца) в 1992 году и "Новые горизонты" (миссия NASA для изучения Плутона и пояса Койпера) в 2007.
В 1992 году мимо планеты прошёл "Улисс" (англ. Ulysses). Аппарат в рамках дополнительной к его основной миссии (изучение Солнца) провел измерения магнитосферы Юпитера. И воспользовавшись притяжением планеты, совершил гравитационный маневр, выйдя на полярную орбиту солнечную орбиту. В феврале 2004 г. "Улисс" снова пролетал мимо Юпитера, однако на большем расстоянии. Основная его миссия по изучению Солнца была завершена 1 июля 2008 года.
В 1995 году аппарат NASA "Галилео" (англ. Galileo) подошел к Юпитеру. Впервые этот газовый гигант начали исследовать не с пролетной траектории. Это был первый (и пока единственный) аппарат, вышедший на орбиту Юпитера, изучавший планету длительное время и сбросивший в её атмосферу спускаемый зонд.
Именно "Галилео" на пути к Юпитеру в 1994 году сфотографировал, как комета Шумейкеров — Леви 9 врезается в Юпитер. Благодаря данным "Галилео" были построены более точные модели процессов, происходящих в атмосфере Юпитера. Аппарат зарегистрировал многочисленные грозы с молниями в 1000 раз мощнее земных. Передал множество снимков Большого Красного Пятна — гигантского шторма (размером превышающего диаметр Земли), который наблюдают уже 300 лет.
Было получено множество новых данных и подробные снимки поверхности спутников. Было установлено, что Ио обладает собственным магнитным полем, подтверждена теория о наличии океана жидкой воды под поверхностью Европы, высказаны гипотезы о наличии жидкой воды в недрах Ганимеда и Каллисто. Также были определены необычные характеристики Амальтеи.
Аппарат проработал 8 лет до 2003 года, передав гигабайты информации, изображений планеты и его спутников. Предполагалось, что после прибытия к Юпитеру "Галилео" проработает два года, переходя с одной орбиты на другую с целью сближения с каждым из крупных спутников. 21 сентября 2003 года, после 14 лет полёта и 8 лет исследований системы Юпитера, миссия "Галилео" была завершена. Аппарат был послан в атмосферу Юпитера со скоростью около 50 км/с с целью избежать возможности занесения микроорганизмов с Земли на спутники Юпитера. Он расплавился в верхних слоях атмосферы.
Хотя главная антенна "Галилео" не раскрылась, вследствие чего поток данных составил лишь 1% от потенциально возможного, тем не менее, все основные цели миссии были достигнуты.
Кроме того, в 2000 году был поставлен уникальный эксперимент: измерение магнитного поля планеты одновременно с двух точек с "Галилео" и "Кассини", который пролетал мимо Юпитера, на своем пути к Сатурну. Кстати, "Кассини" сделал ряд самых высококачественных изображений за всю историю наблюдений за Юпитером.
Последний зонд, который на пути к окраине Солнечной системы, заглянул к Юпитеру в феврале 2007 года, стал "Новые Горизонты" (англ. New Horizons) воспользовался возможностью и произвел фотографирование планеты и его спутников с высоким разрешением.
Сейчас идет активная подготовка к запуску в 2011 году для детального изучения Юпитера с полярной орбиты аппарата NASA "Юнона" (англ. Juno, также Jupiter Polar Orbiter). Зонд займется изучением магнитного поля, химического состава атмосферы, составлением карты ветров и проверки гипотезы о наличии у планеты твердого ядра.
САТУРН
Впервые окольцованную планету посетил аппарат NASA "Пионер-11" в 1979 году. Затем в 1980 и 1981 году за ним проследовали "Вояджер-1" и "Вояджер-2". У всех трех аппаратов это были однократные пролетные траектории с близкого расстояния, которые позволили получить детальные снимки колец и их состав, обнаружить магнитное поле, и наблюдать штормы в атмосфере газового гиганта.
Очень долгое время с тех пор Сатурн изучали только с телескопа им.Хаббла, пока в июле 2004 года, после 7-летнего "гуляния" по Солнечной системе (аппарату пришлось совершить два гравитационных маневра, используя притяжения планет Венера и Юпитер), на орбиту планеты вышла автоматическая станция "Кассини-Гюйгенс" (англ. Cassini–Huygens), созданная совместно NASA, Европейским космическим агентством (ESA) и Итальянским космическим агентством (ASI), и по настоящее время продолжает иcследовать окрестности Сатурна и его спутников.
Аппарат состоит из двух основных элементов: непосредственно орбитальной станции "Кассини" (англ. Cassini orbiter) и спускаемого зонда "Гюйгенс" (англ. Huygens probe), предназначенного для посадки на Титан. 25 декабря 2004 зонд Гюйгенс отделился от главного аппарата. Зонд достиг Титана 14 января 2005 и выполнил успешный спуск в атмосфере спутника. Во время спуска "Гюйгенс" отбирал пробы атмосферы. С помощью внешнего микрофона удалось сделать запись звука ветра. Снимки, сделанные в ходе спуска, показали сложный рельеф со следами действия жидкости.
С помощью орбитальной станции "Кассини" была проверена общая теория относительности (наблюдался частотный сдвиг и задержка радиосигнала, приходящего от аппарата), получены подробные снимки колец Сатурна, включая такие образования в них как "спицы", открыты новые спутники планеты, а также осуществил близкие пролеты рядом с 8 спутниками: Фебой, Мимасом, Дионой, Гипериона, Тефии, Реи, Энцеладом и конечно же Титаном.
Особый интерес для ученых представляет Титан - крупный спутник Сатурна, особенность которого заключается в наличии атмосферы, которую зафиксировали в свое время АМС "Вояджеры". С помощью радарных съемок с "Кассини" на нем были обнаружены озера, заполненые жидкими углеводородами. Исследования Титана позволили выдвинуть гипотезу о наличии на нём простейших форм жизни, в частности, в подземных "водоёмах", где условия могут быть гораздо комфортнее, чем на поверхности.
Первоначально миссия была запланирована до 2008, однако впоследствии продлена до лета 2010. 3 февраля 2010 года было объявлено о дальнейшем продлении программы до 2017 года. Теперь миссия получила новое название "Кассини Солнцестояние" (англ. Cassini Solstice Mission).
Следующую миссию Titan Saturn System Mission (TSSM) планируется произвести только в 2020-х годах. Аппарат TSSM включает в себя один орбитальный и два спускаемых модуля: воздушный шар, который будет летать в небе Титана и посадочный модуль, который должен приводниться на поверхность одного из метановых озёр.
УРАН и НЕПТУН
Первый и пока единственный аппарат, достигший Урана и Нептуна это "Вояджер-2". Пролетев у Сатурна, "Вояджер-1" отправился за пределы Солнечной системы. Планеты в основном изучают с Земли, в том числе и с орбитального телескопа им.Хаббла.
Далее зонд отправился к Нептуну и пролетел вблизи четвертой по величине газовой планеты Солнечной системы в 1989 году, передав на Землю снимки Нептуна и его крупного спутника Тритона. Аппарат подтвердил существование магнитного поля у планеты и провел его измерения. Определил период вращения планеты, и показал активную погодную систему Нептуна, а также наличие Большого темного пятна (устойчивый шторм-антициклон размерами 13 000 х 6600 км), аналогичное Большому красному пятну на Юпитере. Было подтверждено наличие слабых фрагментированных колец и 6 новых спутников.
В настоящее время NASA планирует запуск к Урану аппарата Urane Orbiter в 2020-х годах. В его состав будет входить орбитальный аппарат и атмосферный зонд.
Дат запуска миссий по исследованию Нептуна пока не называются.
ПЛУТОН
Удалённость Плутона и его маленькая масса делают трудными его исследования с помощью космических аппаратов. "Вояджер-1" мог бы посетить Плутон, но предпочтение было отдано пролёту вблизи спутника Сатурна — Титана, в результате траектория полёта оказалась несовместимой с пролётом вблизи Плутона. А у "Вояджера-2" вообще не было возможности приблизиться к Плутону. Никаких серьёзных попыток исследовать Плутон не предпринималось вплоть до последнего десятилетия XX века. Осуществление полёта неоднократно откладывалось из-за недостатка финансирования, а также задержек с изготовлением плутониевого термоэлектрического генератора электроэнергии. С середины 90-х годов проект успел сменить несколько концепций и названий — Pluto Fast Flyby, Pluto Express и, наконец, New Horizons Pluto-Kuiper Belt Mission.
Миссия NASA "Новые горизонты" (англ. New Horizons) успешно стартовала 19 января 2006 года. В начале 2007 года аппарат совершил гравитационный манёвр вблизи Юпитера, что придало ему дополнительное ускорение. 18 марта 2011 года аппарат пересёк орбиту Урана. В августе 2014 года пройдет орбиту Нептуна. Исследование системы Плутона будет выполняться с пролетной траектории, поскольку возможности современной космонавтики не позволяют аппарату погасить скорость, чтобы выйти на орбиту вокруг Плутона. Максимальное сближение аппарата с Плутоном произойдёт 14 июля 2015 года. Научные наблюдения за Плутоном начнутся за 5 месяцев до этого и продлятся, по крайней мере, в течение месяца с момента прибытия.
"Новые горизонты" осуществит картографическую съемку, проверит наличие магнитного поля у планеты, изучит состав атмосферы и структуру поверхности Плутона. С помощью радиоспектрометра оценит массу Плутона, Харона и выбранных объектов в поясе Койпера.
Пролетев мимо Плутона, аппарат, возможно, изучит ещё какой-нибудь объект пояса Койпера. После этого аппарат продолжит полет в поясе Койпера и со временем выйдет в межзвездное пространство. Полная миссия рассчитана на 15-17 лет. На борту АМС установлена капсула с частью праха астронома Клайда Томбо, первооткрывателя Плутона.
. И ЗА ПРЕДЕЛЫ
За орбитой Плутона на данный момент находятся 4 станции, которые стартовали с Земли с 70-х годов двадцатого века. Выполнив свои основные программы по исследованию газовых гигантов, аппараты взяли курс к границам Солнечной системы.
После 11 лет полета, в 1983 году "Пионер-10" миновал орбиту Плутона и стала первым запущенным с Земли аппаратом, покинувшим пределы Солнечной системы. Официально миссия "Пионера-10" завершилась в 1997 году, однако ученые продолжали обрабатывать идущие с него сигналы. Последний сигнал был получен 23 января 2003 года. Сообщалось, что аппарат направляется в сторону Альдебарана. Если с ним ничего не случится по пути, он достигнет окрестностей звезды через 2 миллиона лет.
"Пионер-11" после выполнения исследовательской миссии, включавшей в себя пролеты рядом с гигантами Юпитером (1974) и Сатурном (1979), взял курс в направлении созвездия Щит. В 1995 контакт с аппаратом был потерян. По состоянию на конец 1995 года космический аппарат находился на 44.7 а.е. от Солнца.
"Вояджеры" стали третьим и четвёртым космическими аппаратами, покинувшими пределы Солнечной системы. Теперь из научных исследований "Вояджеров" на первом месте — изучение переходных областей между солнечной и межзвёздной плазмой. "Вояджер-1" пересёк гелиосферную ударную волну (англ. termination shock) в декабре 2004 года на расстоянии 94 а. е. от Солнца. "Вояджер-2" пересек гелиосферную ударную волну 30 августа 2007 года на расстоянии 84.7 а.е.. Ожидается, что аппараты пересекут гелиопаузу примерно через 10 лет после пересечения гелиосферной ударной волны.
Ученые надеются, что связь с "Вояджерами" удастся поддерживать и после того, как они пересекут гелиопаузу.
Послания другим цивилизациям на борту "Пионеров" и "Вояджеров"
На борту каждого из четырех аппаратов закрепили "приветственные послания к братьям по разуму": в виде прямоугольных пластинок из анодированного золотом алюминия (на "Пионерах") и позолоченных видеодисков (на "Вояджерах"). На всех пластинах помечено положение Солнца в нашей Галактике относительно ближайших пульсаров, а также инструкция по расшифровке послания и данных о человеке, Земле и важнейших научных открытиях.
Вот мы и закончили наше путешествие с межпланетными автоматическими станциями к крупным телам нашей Солнечной системы. В следующий раз рассмотрим космические миссии, которые были направлены на изучение малых объектов, которые бороздят окрестности Солнца - астероидов и комет.
Статья подготовлена по материалам российских и иностранных источников.
Иллюстрации NASA, JPL.
С каждым годом человечество все больше познает космическое пространство и не собирается на этом останавливаться. Интерес к Вселенной не угасает, ученые идут в своих открытиях все дальше и дальше. А незаменимым помощником во всевозможных исследованиях выступают автоматические межпланетные станции (АМС).
План урока:
Что такое АМС, их задачи
АМС – это космические аппараты, которые способны подниматься в космос без пилотов. Второе название межпланетных станций - космический зонд, от слова зондировать. Их запускают в межпланетное пространство с целью выполнения всевозможных заданий. Станции используют, как правило, для проведения комплексных исследований, изучения космического пространства и небесных тел. К основным задачам АМС относят:
- участие в научно-исследовательских проектах;
- изучение различных объектов Солнечной системы, в том числе планет, их искусственных спутников, комет;
Кроме этого АМС должны:
- обеспечить себя электричеством при помощи системы электропитания;
- уметь определить свое нахождение в пространстве при помощи системы ориентации;
- при помощи бортового радиокомплекса принять команды и передать данные на Землю.
АМС занимаются фотографированием, сканированием рельефа. Также проводят измерения температуры, радиации, изучают магнитное поле космического объекта, сейсмические показатели. Исследуют химический состав атмосферы, грунта, межпланетного пространства.
Конструкция АМС
С развитием научно-технического прогресса происходит постоянное усовершенствование АМС. Эти устройства достаточно сложные и многофункциональные, ведь им приходится работать в непростых условиях нашей необъятной Вселенной. Каждый космический аппарат перед запуском проходит ряд испытаний.
Конструкции у некоторых видов АМС разные, но в основном они имеют много общего. Чтобы маневрировать в космическом пространстве, все они оснащаются ракетной двигательной установкой. Для всевозможных исследований оборудуются приборами, таким как телескоп, радар, лазер, спектрометр и др. Имеют полезную нагрузку (научно-исследовательские приборы) и средства вспомогательные (платформа АМС или служебная система).
В качестве источника питания, как правило, используются солнечные батареи или термоэлектрические радиоизотопные аккумуляторы. При сбоях в поставке электроэнергии, запас восполняется с помощью специальной аккумуляторной батареи. На АМС имеется приборный отсек, в котором находятся всевозможные приборы. Здесь поддерживается определенная температура. Это необходимо для бесперебойной работы оборудования и находящихся там устройств.
Для того чтобы предотвратить беспорядочное вращение космического аппарата и обеспечить правильную его ориентацию во время полета ученые используют гиродин. Он помогает корректировать ракетные двигатели. Именно они способствуют ускорению или торможению станции во время ее полёта.
Также на борту АМС есть разные виды антенн, с помощью которых осуществляется радиосвязь. Более современные и мощные межпланетные станции, которые есть на вооружении лишь у немногих стран мира, в том числе и России, имеют модульную конструкцию. Прибывая до места исследования, они сбрасывают на поверхность космические исследовательские аппараты, а часть, которая остается на орбите, выполняет функцию радиоретранслятора – связного устройства, соединяющего несколько радиопередатчиков, которые отдалены друг от друга на большие расстояния.
Связь во время полетов
Связь с космическими аппаратами поддерживается с Земли. На борту АМС находятся бортовые компьютеры, с помощью которых происходит управление объектом. Все собранные данные передаются при помощи двунаправленной радиосвязи. Именно ее наличие позволяет управлять АМС на дистанции. А каналом для передачи являются частоты в радиодиапазоне. Ученые постоянно работают над процессом ускорения передачи данных, так как станции выполняют свои задачи на достаточно отдаленных расстояниях. Для этого предполагают использовать лазеры, которые улучшат межпланетную связь.
Траектория межпланетных перелетов
После того как космический зонд покидает просторы земного пространства, он выходит на орбиту. По форме она близка к той, по которой вокруг Солнца вращается Земной шар. Чтобы совершить межпланетный перелет АМС требуется большое количество энергии. Для ее экономии станции двигаются по гомановской траектории. В небесной механике она представляет собой орбиту эллиптической формы, которая используется для перехода между двумя орбитами, расположившимися в одной плоскости. Чтобы совершить маневр работе двигателя нужно 2 импульса. Один – чтобы войти на гомановскую траекторию, второй – чтобы сойти с нее. Свое название траектория получила в честь ученого из Германии Вальтера Гомана, который в 1925 году описал ее в своей работе.
Чтобы более точно измерить траекторию полета АМС с поверхности Земного шара используют наземные станции и метод радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Этот метод позволяет объединить наблюдения из нескольких радиотелескопов, расположившихся на большом расстоянии друг от друга (как правило, на разных континентах).
Наиболее известные АМС
Во всем мире самыми известными космическими станциями являются:
Современные исследования планет земной группы АМС
- Фотографирование поверхности планет с разных расстояний.
- Измерение давления и температурных показателей в атмосфере во время спуска. Для этих целей используют манометры, термометры сопротивления. Для измерения плотности пользуются плотномерами. Во время научного исследования планеты данные атмосферные параметры могут быть вычислены благодаря скорости снижения аппарата, так как его аэродинамические показатели уже известны.
- Изучение химического состава атмосферы. Для этого необходимы газоанализаторы. Для каждого типа газа используется отдельный газоанализатор.
- Исследование верхнего слоя атмосферы планеты происходит по методу радиопросвечивания – он основан на радиоволнах разной длины, проходящих через атмосферные слои, где происходит их преломление.
- С помощью магнитометров АМС измеряется напряженность магнитного поля той или иной планеты.
Это далеко не все задачи современного исследования планет земной группы. Ученые постоянно работают над созданием новых методов и приборов, которые бы помогли получить полное представление о внутреннем и внешнем строении космических объектов.
Благодаря автоматическим космическим станциям у человечества появилась возможность исследовать ближний космос. Конечно, такая станция неспособна преодолеть расстояние, измеряемое световыми годами, но добраться до отдаленных участков нашей Солнечной системы шансы у нее есть. Кто знает, возможно, в будущем будет создан аппарат, который долетит до центра галактического пространства и откроет человечеству его самые тайные загадки.
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Современные исследования планет земной группы AMC. Презентация на заданную тему содержит 21 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Планета земного типа – небесный объект, представленный силикатными породами или металлом, и обладающий твердым поверхностным слоем (корой). Это основное отличие от газовых гигантов, где твердая поверхность полностью отсутствует (однако существуют гипотезы о твердом ядре у данного вида планет).
Меркурий – самая близкая и самая маленькая в системе, ее размер достигает лишь 1/3 земного. Обладает тонким атмосферным слоем, благодаря чему постоянно накаляется и замерзает. Имеет высокую плотность. Размеры Венеры схожи с Земными, однако плотность ее атмосферы во много раз больше, так же она перенасыщена монооксидом углерода. Благо-даря этому на Венере удерживается тепло, что позволяет ей иметь статус самой раскаленной планеты в системе. Земля – крупнейшая планета земного типа. Она имеет огромные запасы жидкой воды, которая в свою очередь необходима для зарождения и существования жизни, во всех формах. Марс – четвертая от солнца планета. На ее поверхности находится самая высокая гора в Солнечной системе – Олимп.
Меркурий Масса: 3,3*1023 кг (0,055 массы Земли) Диаметр на экваторе: 4880 км Наклон оси: 0,01° Плотность: 5,43 г/см3 Температура поверхности: 430°С/ -183°С Период обращения вокруг оси (сутки): 59 дней Расстояние от Солнца (среднее): 0,390 а. е. или 58 млн. км Период обращения вокруг Солнца (год): 88 дней Скорость вращения по орбите: 48 км/с Эксцентриситет орбиты: e = 0,0206 Наклон орбиты к эклиптике: i = 7° Ускорение свободного падения: g = 3,7 м/c2 Спутники: нет
Исследования Меркурия Первым спутником, исследовавшим поверхность планеты был Мари-нер-10. Его пролет проходил в 1974 году и в ходе его миссии были получены первые снимки Меркурия, удалось составить карту 45% поверхности . Спутник начал свой полет на Венеру 5 февраля 1974 года, а уже 29 марта оказался в 703 км от поверхности Меркурия. На свою миссию Мари-неа-10 потратил 3 облета.
MESSENGER был вторым спутником, исследовавшим Меркурий. Его полет стартовал в августе 2004 года и, спустя 4 года, закрепился на орбите планеты. В ходе его полета были заполнены все пробелы. Поверхность планеты полностью удалось запечатлеть и составить полную карту.
Венера Масса: 4,87*1024 кг (0,815 земных) Диаметр на экваторе: 12102 км Наклон оси: 177,36° Плотность: 5,24 г/см3 Температура поверхности: +465°С Период обращения вокруг оси (сутки): 244 дня (ретроградное) Расстояние от Солнца : 0,72 а. е. или 108 млн. км Период обращения вокруг Солнца (год): 225 дней Скорость вращения по орбите: 35 км/с Эксцентриситет орбиты: e = 0,0068 Наклон орбиты к эклиптике: i = 3,86° Ускорение свободного падения: g = 8,87м/c2 Атмосфера: углекислый газ (96%), азот (3,4%) Спутники: нет
Исследования Земли Первый искусственный спутник земли запущен 4 октября 1957 года Советским Союзом (первый искусственным спутником в истории). Спутник-2 имел на своем борту собаку по кличке Лайка, а Спутник-3 оказался первым подобным аппаратом, потерпевшем крушение.
Виды спутников: 1. Спутники погоды (GOES). 2. Спутники связи 3. Коммуникационные спутники обычно геосинхронны. 4. Широковещательные спутники (аналогичны спутникам связи). 5. Научные спутники, такие как Космический телескоп Хаббл. 6. Навигационные спутники (GPS NAVSTAR). 7. Спасательные спутники 8. Спутники наблюдения Земли проверяют (Landsat). 9. Военные спутники Земли (на орбите).
Марс Масса: 6,4*1023 кг (0,107 массы Земли) Диаметр на экваторе: 6794 км (0,53 диаметра Земли) Наклон оси: 25° Плотность: 3,93 г/см3 Температура поверхности: -50°C Период обращения вокруг оси (сутки): 24 часа 39 мин 35 секунд Расстояние от Солнца (среднее): 1,53 а. е. = 228 млн. км Период обращения вокруг Солнца (год): 687 дней Скорость вращения по орбите: 24,1 км/с Эксцентриситет орбиты: e = 0,09 Наклон орбиты к эклиптике: i = 1,85° Ускорение свободного падения: g = 3,7 м/c2 Атмосфера: 95% углекислый газ, 2,7% азот, 1,6% аргон, 0,2% кислород Спутники: Фобос, Деймос
Исследования Марса Первая попытка к исследованию Марса была в 1960 году в СССР. Запуск аппаратов "Марс 1969А" и "Марс 1969Б" был проведен с Байконура 10 и 14 октября 1960 года. Ни один из аппаратов не уцелел из-за аварии ракеты-носителя "Молния". Первый аппарат, пролетевший рядом с планетой - советская автоматическая межпланетная станция "Марс-1", 1962 г. По расчетам, 19 июня 1963 года она прошла на расстоянии 193 тыс. км от планеты. Миссия не была выполнена, так как связь с АМС прервалась еще до подлета к Марсу.
Первые фотографии поверхности были получены в 1965 году американским зондом Mariner 4 (1964). 15 июля он подлетел к планете на 9846 км. Искусственным спутником Марса стал американский Mariner 9 (1971). Он добрался до планеты 14 ноября 1971 года и около года проводил исследования с ее орбиты. Это - первый аппарат, сфотографировавший Фобос и Деймос с близкого расстояния. Поверхность Марса впервые достигнута 27 ноября 1971 года посадочным модулем советской АМС "Марс-2". 2 декабря 1971 "Марс-3" произвел мягкую посадку на поверхность планеты. Однако и второй советский марсоход был потерян, связь с ним прервалась спустя 14,5 сек. после начала работы из-за пылевой бури. Аппараты для исследования одного из спутников Марса: "Фобос-1" и "Фобос-2" были запущены 7 и 12 июля 1988 года соответственно. С "Фобос-1" связь была потеряна еще на пути к Марсу, второму удалось передать 37 изображений Фобоса.
Американский Sojourner (1996) был спущен на поверхность Марса 4 июля 1997 года. За 3 месяца он прошел почти 100 м, отправил 550 фотографий и изучил 15 химических проб с поверхности. В 2010 году завершил свою миссию Spirit. До сих пор на Марсе функционируют Opportunity (с января 2004 года) и Curiosity (с августа 2012 года). На данный момент с орбиты Марса ведут исследования 6 земных космических аппаратов: Mars Odyssey (с октября 2001 года), Mars Reconnaissance Orbiter (MRO; с марта 2006 года), MAVEN (с сентября 2014 года), Mars Express (с декабря 2003 года) "Мангальян-1" (с сентября 2014 года). С 2018 года к ним присоединился орбитальный модуль TGO миссии ExoMars-2016, который занял в начале апреля свою рабочую орбиту. Всего к 5 мая 2018 года с Земли к Марсу было отправлено 44 миссии автоматических космических аппаратов разных стран. Известно, что в 2020 году произойдет сближение Земли и Марса, поэтому запланировано некоторое количество исследовательских миссий разных стран
Заключение Мы ознакомились с современным состоянием планет земной группы. Будущее нашей планеты, как и всей Солнечной системы, в случае если не произойдёт ничего непредвиденного, кажется ясным. Вероятность того, что установленный порядок движения планет может быть нарушен какой-либо странствующей звездой, крайне мала, даже если брать в расчёт нескольких миллиардов лет.
Читайте также: