Sluneční soustava studijní materiál pro mé studenty F vytvořila Mgr. Lenka Hanáková 1
Obsah Sluneční soustava... 3 Pohyby planet... 4 Slunce... 6 Merkur... 8 Venuše... 9 Země... 10 Měsíc... 11 Mars... 1 Jupiter... 13 Saturn... 14 Uran... 15 Neptun... 15 Trpasličí planety... 16 Další objekty sluneční soustavy... 17 Zdroje:... 18
Sluneční soustava - systém těles svázaný gravitací centrální hvězdy Slunce Patří zde: Slunce, 8 planet, planetky, trpasličí planety, komety, meteoroidy, částice meziplanetární látky, částice slunečního větru atd. Planety dělíme do dvou hlavních skupin: 1. Planety zemského typu: Merkur, Venuše, Země, Mars - složeny převážně z těžších prvků, kamenné, menší velikost. Obří planety: Jupiter, Saturn, Uran, Neptun - složeny převážně z vodíku a hélia, velké rozměry Pluto je v současné době zařazeno mezi novou skupinu tzv. trpasličích planet. 3
Pohyby planet Všechny planety konají dva základní pohyby a to, rotují kolem své osy a obíhají kolem Slunce. Oběh planety kolem Slunce popsal Johannes Kepler svými třemi zákony. Keplerovy zákony 1. Planety obíhají kolem Slunce po elipsách málo odlišných od kružnic, v jejichž společném ohnisku je Slunce.. Průvodič planety opisuje za jednotu času konstantní plochu. 3. Platí, kde T 1, T jsou oběžné doby dvou planet, a 1, a jsou délky jejich hlavních poloos. Trajektorie planet vyplývající z Keplerových zákonů označujeme jako Keplerovy elipsy. Keplerova elipsa Pro měření vzdáleností ve sluneční soustavě byla zavedena astronomická jednotka, značí se AU (z angličtiny) a je rovna střední vzdálenosti Země od Slunce. 1 AU = 149 600 000 km Poruchy trajektorií Keplerovy elipsy neodpovídají skutečným trajektoriím planet. Uvažují totiž pouze gravitační působení planety a Slunce. Ve skutečnosti na sebe planety navzájem působí gravitačními silami a způsobí si tak poruchy svých trajektorií. Největší vliv na ostatní planety má samozřejmě ta nejhmotnější, tedy Jupiter. a hlavní poloosa, b vedlejší poloosa, A afélium (odsluní), P perihélium (přísluní) Rotace planet Všechny planety rotují kolem své osy. Většina z nich se otáčí ve stejném smyslu, jako obíhají kolem Slunce. Výjimku tvoří Venuše, která se otáčí v opačném smyslu a Uran, který má extrémně skloněnou osu rotace, ta skoro leží v rovině oběžné trajektorie. 4
Rozlišujeme: Hvězdný den - doba, za kterou se otočí planeta kolem své osy vzhledem ke hvězdám o 360 - pro Zemi trvá hvězdný den 3 h 56 min Sluneční den - doba, ze kterou se planeta otočí stejným bodem vzhledem ke Slunci, pro Zemi trvá 4 h. 5
Slunce Je centrální hvězdou sluneční soustavy. Jeho je hmotnost.10 30 kg, poloměr Slunce je 695 550 km. Je tvořeno převážně vodíkem, v menší míře heliem a obsahuje stopové množství jiných prvků. Struktura Slunce V jádru Slunce je teplota 15 milionu kelvinů. Při těchto podmínkách jádru probíhají termojaderné reakce. Zjednodušeně sloučením 4 protonů vzniká jádro helia za uvolnění energie v podobě gama záření a neutrin. Z jádra Slunce tedy vychází energie nesená fotony gama záření. Tyto fotony jsou ale velmi rychle pohlceny atomy a opět vyzářeny ve formě fotonu o nižší frekvenci. Takto energie z jádra proniká směrem k povrchu (vrstva v zářivé rovnováze). V poslední pětině pod povrchem se přenáší konvekcí (prouděním). Teplejší plazma Obr. 1 Struktura Slunce stoupá vzhůru, chladnější klesá dolů. Na povrchu Slunce vidíme vrcholy těchto proudů jako granule (zrna). Další vrstvy patří do sluneční atmosféry. Nejhlubší je fotosféra tlustá 300 km. Z fotosféry vychází viditelné světlo. Fotosféra má nejnižší teplotu něco přes 4 000 K. Následuje chromosféra o tloušťce 10 000 km. Je neprostupná pro některé vlnové délky světla. Teplota v ní opět stoupá. Poslední vrstvou je koróna. Teplota zde dosahuje až milióny kelvinů. Je tvořena velmi řídkým plynem, sahá až do vzdálenosti několika poloměrů Slunce, na svých okrajích postupně přechází ve sluneční vítr. Sluneční vítr je neustálý proud částic unikajících ze Slunce do meziplanetárního prostoru. Na povrchu Slunce (tj. fotosféra) jsou viditelné tmavé oblasti - sluneční skvrny. Jedná se o oblasti s nižší teplotou než okolí. Jejich množství se mění a souvisí se sluneční aktivitou a magnetickým polem Slunce (magnetické pole vzniká dynamovým jevem bližší popis, viz vznik magnetického pole u Země). Protuberance jsou výtrysky sluneční hmoty desetitisíce kilometrů nad povrch, ovládané magnetickým polem Slunce. Jejich tvar kopíruje siločáry lokálního magnetického pole. Erupce jsou náhlá zjasnění ve fotosféře a chromosféře doprovázená výrazným uvolněním hmoty a energie. Může dojít až k odtržení oblaku plazmatu se zamrzlým magnetickým polem, který putuje Sluneční soustavou. Zachytí-li tento oblak magnetosféra naší Země, dojde k výrazným polárním zářím a magnetickým bouřím. Několik obrázků Slunce. Zkuste rozpoznat útvary zmíněné ve výkladu. 6
Obr. Snímek Slunce Obr. 3 Sluneční skvrna 7
Merkur Vzdálenost od Slunce: 0,4 AU Doba oběhu kolem Slunce: 88 dní Hvězdný den: 58 dní Merkur je nejmenší z planet zemského typu, jeho průměr je jen o málo větší, než je průměr našeho Měsíce. Má velmi pomalou rotaci (sluneční den je 1,5 - krát delší než merkurský "rok") Střídají se dlouhé horké dny na osvětlené straně, kdy teplota vystoupí až k 430 C a na neosvětlené straně mrazivé noci s Obr. 4 Merkur teplotou - 170 C. Merkur je planetou s největším rozdílem teplot. Merkur nemá atmosféru. Povrch Merkuru je podobně jako povrch Měsíce pokryt krátery. Většina pochází z období velkého bombardování (viz vývoj Sluneční soustavy). Pozorovat na noční obloze ho můžeme pouze brzy po setmění nebo naopak těsně před východem Slunce, důvodem je jeho malá vzdálenost od Slunce. Nemá žádný měsíc. Kosmická sonda Mariner, která jako jediná letěla k Merkuru, pořídila pouze černobílé fotografie povrchu. Snímky: celkový pohled. Obr. 5 Povrch Merkuru 8
Venuše Vzdálenost od Slunce: 0,7 AU Doba oběhu kolem Slunce: 4,7dní Doba rotace kolem osy: 43 dnů Při pohledu na noční oblohu je Venuše po Měsíci nejjasnějším objektem. Celá planeta je zahalena hustou atmosférou, která velmi dobře odráží sluneční světlo. Obdobně jako Merkur nevystupuje vysoko na oblohu a je pozorovatelná po západu a před východem Slunce (večernice a jitřenka). Rotace planety byla dlouhou neznámá, protože je celá obklopena neprůhlednými mraky. Mraky pronikl až radar, pak se ukázalo, že Venuše rotuje velmi pomalu a opačným směrem než ostatní planety. Jednou z možných příčin obrácené rotace je srážka Venuše s jiným tělesem v historii jejího vývoje. Hustá atmosféra Venuše je složena převážně k CO, obsahuje mračna tvořená aerosoly kyselin H SO 4, HCl, HF. Vysoký obsah CO, vodní páry a SO (tzv. skleníkové plyny) je příčinou nejrozsáhlejšího skleníkového efektu (viz poznámka) ve sluneční soustavě. Na povrchu Venuše panují velmi nehostinné podmínky, tlak skoro 90-krát větší než na povrchu Země, stabilní teplota 470 C. Ačkoliv je Venuše svojí velikostí podobná Zemi, život na ní je zcela nemožný. Povrch planet je z velké části sopečného původu. Sopečné krátery mají ale jinou podobu než na Zemi. Krátery způsobené dopadem těles z vesmíru jsou vzácné. Venuše nemá žádný měsíc. Poznámka: Skleníkový efekt: Slunce vysílá záření převážně ve světelných vlnových délkách, pro které jsou skleníkové plyny průhledné. Energie slunečního záření prostupuje atmosférou k povrchu. Teplota povrchu planety je nižší proto do vesmíru vyzařuje záření v infračervené oblasti. Pro tyto vlnové délku jsou skleníkové plyny neprůhledné. Atmosféra propustí více energie k planetě než zpět do vesmíru, planeta se ohřívá. Obr. 7 Venuše zahalená mraky Obr. 6 Radarový obraz povrchu Venuše 9
Země Vzdálenost od Slunce: 1 AU Doba oběhu kolem Slunce: 365,5 dne Doba rotace kolem osy: 4 h Z planet zemského typu je Země největší, má jako jediná z nich měsíc. Země je jediným místem ve vesmíru, kde se prokazatelně vyskytuje život. Vnitřní struktura Vnitřní struktura byla zkoumána pomocí seizmických vln. Nejhlubší vrty mají hloubku kolem 10 km (srovnejte s poloměrem Země). Ve středu Země je vnitřní jádro - 1, které je podle výzkumů tuhé následuje tekuté vnější jádro -. V jádře Země je teplota asi 5 000 C, což odpovídá teplotě na povrchu Slunce. Jádro je složeno z těžkých kovů převážně železa. Vysoká teplota je v jádře udržována energií uvolněnou při rozpadu radioaktivních prvků (U, Th, 40 K). Existence tekutého jádra je příčinou magnetického pole Země. Tekutý kov v jádře proudí díky konvekci (viz poznámka). Kov je samozřejmě vodič, proto se v něm při pohybu v magnetickém poli indukují elektrické proudy, které vytvářejí silnější magnetické pole. Tento proces nazýváme dynamový jev. Nejsvrchnější vrstva pláště - 3 a zemská kůra - 4 tvoří litosféru. Materiál litosféry je pevný. Ale materiál pláště pod litosférou je tzv. pevnotekutá astenosféra. Po astenosféře se pohybují litosférické desky. Příčinou pohybu je opět energie jádra a konvekční proudění v tomto případě v astenosféře. Jeho rychlost je pouze řádově centimetry za rok. Obr. 8 Struktura Země Poznámka: Konvekce: Směrem do středu Země roste teplota. Nižší vrstvy tekutého kovu mají vyšší teplotu, teplejší kapalina má menší hustotu než chladnější. Proto chladnější kapalina v gravitačním poli klesá dolů a teplejší stoupá vzhůru - konvekční proudění. Atmosféra Země Zemská atmosféra obsahuje objemově přibližně 78 % N a 1 % O, zbytek tvoří Ar, CO a další plyny. V atmosféře lze vyčlenit několik vrstev. Např. troposféru, která za sahuje do výšky 11-14 km. Obsahuje 90 % hmotnosti atmosféry, v této vrstvě se odehrávají se v ní všechny jevy, která zahrnujeme do počasí. Ozonová vrstva je součástí stratosféry. Ozon O 3 pohlcuje pro život škodlivé ultrafialové záření. Ionosféra je vrstva slabě ionizovaného vzduchu v horních vrstvách atmosféry. Její vlastnosti využíváme pro šíření Obr. 9 Polární záře krátkých rádiových vln, které tato vrstva odráží zpět k zemskému povrchu. Magnetosféra Země Jako magnetosféru označujeme oblast dosahu magnetického pole Země. Nabité částice dopadající do zemské atmosféry (nejčastěji jsou to částice slunečního větru) zakřivují svoji trajektorie podle magnetických indukčních čar zemského magnetického pole a shromažďují se u zemských pólů. Zde jsou příčinou vzniku polárních září. 10
Měsíc Hmotnost Měsíce je přibližně 1/81 hmotnosti Země. Vzhledem k velikosti našeho Měsíce někdy hovoříme o dvojplanetě Země-Měsíc. Vzdálenost Měsíce od Země je 384 400 km. Oběžná doba kolem Země je vzhledem k Zemi 9,53 dne. Měsíc má vázanou rotaci, znamená to, že doba jeho oběhu kolem Země a rotace kolem jeho osy je stejná. Díky tomu Měsíc k Zemi natáčí stále stejnou stranu = přivrácená strana. Fotografie odvrácené strany Měsíce nám přivezly až sondy. Příčinou vázané rotace je vzájemné slapové působení Země a Měsíce. Povrch Měsíce je pokryt krátery. Výrazné jsou tmavé oblasti označované jako měsíční moře. Samozřejmě nejsou vyplněny vodou, jedná se o rozsáhlé pánve vzniklé pravděpodobně dopadem většího těles a následně vyplněné vrstvou lávy. Měsíc nemá atmosféru. Teplota povrchu velmi kolísá mezi denními a nočními hodnotami. Nemá tekuté jádro, proto nemá magnetické pole. Slapové jevy Příčinou slapových jevů je nehomogenní gravitační pole Měsíce. Povrch Země blíže k Měsíce je přitahován více a naopak. Projevují se jako příliv a odliv pozemských moří a oceánů (v 1 hodinovém cyklu). Slapové jevy v menší míře způsobuje i Slunce, proto při novu a úplňku je příliv nejvyšší a při čtvrtích nejnižší. Vlivem slapových jevů si Země a Měsíc brzdí vzájemně rotaci, z těchto důvodů se naáš den prodlužuje ročně o 1,5 ms. (Ze stejných příčin má téměř vázanou rotaci např. Merkur vzhledem ke Slunci) Obr. 10 Měsíční kráter Obr. 11 Měsíc Zatmění Nastává, pokud se Země, Měsíc a Slunce nachází na jedné přímce. Při pořadí Země - Měsíc - Slunce nastává zatmění Slunce. Při pořadí Měsíc - Země - Slunce zatmění Měsíce. Měsíc neobíhá kolem Země v rovině ekliptiky, ale rovina jeho oběžné dráhy je skloněna asi o 5. V průniku těchto rovin leží uzlová přímka, kterou měsíční ekliptika protíná ve dvou uzlech. Aby nastalo zatmění musí být Slunce v blízkosti uzlové přímky. K tomu dochází dvakrát ročně a situace trvá 30 dní. Během tohoto období nastane nejméně jedno zatmění Slunce (ale mohou být až dvě) a může ale nemusí nastat zatmění Měsíce. Zatmění Měsíce jsou méně častá než zatmění Slunce. Zatmění Měsíce je ale pozorovatelné z celé noční polokoule, kdežto zatmění Slunce pouze v úzkém pásu (asi 00 km), kam dopadá stín Měsíce. 11
Mars Vzdálenost od Slunce: 1,54 AU Doba oběhu kolem Slunce: 1,87 roku Doba rotace kolem osy: 4,6 hodin Povrch Marsu má načervenalý odstín, který mu dávají oxidy železa v horninách. Můžeme najít roviny pokryté kameny, krátery, horské hřebeny i údolí, obrovské sopky, z nichž je největší Olympus Mons. Byly vyfotografovány oblasti vykazující vodní erozi. Na pólech jsou ledové čepičky. Led se vyskytuje i pod povrchem. Atmosféra Marsu je velmi řídká, složena převážně z CO. Časté jsou rozsáhlé písečné bouře. Často se spekuluje o životě na Marsu. Výskyt vyšších forem života je zcela nemožný, ale podmínky na Marsu by vyhovovaly některým jednodušším organismům. Jejich výskyt ale zatím nebyl potvrzen. Mars má dva měsíce Phobos (Děs) a Deimos (Hrůza). Jsou malé nepravidelného tvaru, nejspíš se jedná o zachycené asteroidy. Na následujících obrázcích jsou fotografie Marsu pomocí Hubbleova dalekohledu, záběr povrchu Marsu ze sondy, fotografie Olympus Mons a fotografie jeho měsíců Obr. 13 Povrch Marsu Obr. 1 Olympus mons Obr. 14 Phobos Obr. 15 Deimos 1
Jupiter Vzdálenost od Slunce: 5, AU Doba oběhu kolem Slunce: 11,86 let Doba rotace kolem osy (horní vrstvy atmosféry): 10 h Jupiter je největší z planet. Je složen ze 71 % H, 7 % He a % ostatních prvků. Nemá pevný povrch, při postupu do nitra planety bychom pronikali plynnou atmosférou H a He, která by postupně houstla a měnila se v kapalinu, ve velké hloubce při vysokém tlaku kapalný vodík přejde v pevný kovový vodík. Uprostřed planet je původní jádro složené ze směsi ledů a kamenů, kolem kterého planeta vznikala. V atmosféře jsou pozorovatelné světlé a tmavé pásy a víry. Největší je Velká červená skvrna, obrovská bouře v jupiterské atmosféře. Jeho osa rotace má velmi malý sklon. Má velkou spoustu měsíců (60). Největšími jsou měsíce Obr. 16 Jupiter objevené Galileem Galiei (tzv. galileovské měsíce) Io, Europa, Ganymed, Callisto. Io je téměr stejně velký, hmotný a hustý jako náš Měsíc. Na jeho povrchu byla pozorována sopečná činnost. Díky tomu je povrch Io pokryt sírou. Příčinou sopečné činnosti jsou slapové jevy způsobované přitažlivostí Jupitera. Europa je menší než náš Měsíc. Povrch je pokryt ledem, ledová vrstva je zřejmě mnoho kilometrů tlustá. Pod ní je možná i rozsáhlý oceán kapalné vody. Ganymed je největším jupiterovým měsícem i největším měsícem ve sluneční soustavě. Jeho jádro z tvrdých hornin pokrývá silná vrstva ledu. Callisto je pokryt krátery. Na následujících obrázcích je celkový pohled na Jupiter, fotografie Velké červené skvrny, fotografie galileovských měsíců (Io, Europa, Ganymed, Callisto). Obr. 17 Velká červená skvrna Obr. 18 Galileovské měsíce 13
Saturn Vzdálenost od Slunce: 9,6 AU Doba oběhu kolem Slunce: 19,46 roku Doba rotace kolem osy (horní vrstvy atmosféry): 10 h 14 min Struktura podobná jako Jupiter. Typické jsou prstence (prstence lze nalézt kolem všech obřích planet ale u všech ostatních jsou nevýrazné). Prstence jsou tvořeny prachem, kameny i většími skálami. Široký skoro 50 000 km ale tlustý pouze 3 km. Měsíců má spoustu (31). Zmíníme Titan. Titan je po druhý největší měsíc ve sluneční soustavě. Má atmosféru převážně složenou z dusíku. Uvažuje se o možném výskytu jednoduchého života. Na následujících obrázcích najdete Saturn a jeho měsíc Titan. Obr. 19 Saturn Obr. 0 Titan 14
Uran Vzdálenost od Slunce: 19,3 AU Doba oběhu kolem Slunce: 84 let Doba rotace kolem osy (horní vrstvy atmosféry): 3,9 h Patří do skupiny obřích planet. Proto má obdobné složení. Osa rotace je výrazně skloněná (98 ) na bok pravděpodobně po srážce s nějakým velkým tělesem. Na pohled je Uran jednotvárné těleso s namodralým nádechem, který je dán obsahem metanu v atmosféře. Objeven 1781 Williamem Herschelem. Má slabé prstence a početnou skupinu měsíců (např. Ariel, Miranda). Obr. 1 Na obrázku vlevo je skutečná podoba Uranu, na obrázku vpravo jsou barvy uměle zvýrazněny, tak vyniká výrazný sklon osy (pohled na jižní polokouli). Neptun Vzdálenost od Slunce: 30,3 AU Doba oběhu kolem Slunce: 168 let Doba rotace kolem osy (horní vrstvy atmosféry): 18 h Patří mezi obří planety. Parametry dráhy z poruch trajektorie Uranu spočetli nezávisle U. L'Verrier a J. C. Adams. Vlastní planetu v blízkosti předpovězené polohy nalezl 3. 9. 1846 J. Galle. Má obdobně jako Uran modravé zbarvení. Atmosféra ale není poklidná, objevují se v ní víry a pásy. Má slabé prstence a hodně měsíců (např. Triton) Obr. Neptun 15
Trpasličí planety Trpasličí planeta je nebeské těleso sluneční soustavy, které splňuje následující 4 podmínky: obíhá okolo Slunce má dostatečnou hmotnost, aby jeho vlastní gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa, takže dosáhne tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze (přibližně kulového); nevyčistilo okolí své dráhy; není měsícem (satelitem). Pojem trpasličí planety byl přijat v roce 006. Objekty, které jsou natolik velké, že dovedou vyčistit okolí své dráhy, nazýváme planety. Objekty, které jsou natolik malé, aby mohly být ve tvaru odpovídající hydrostatické rovnováze, definujeme jako malá tělesa sluneční soustavy. Kategorie trpasličích planet není podskupina kategorie planet, ale naprosto separátní skupina těles. Trpasličí planety nejsou planety. Definice trpasličí planety se týká pouze naší sluneční soustavy. V současné době známe pět trpasličích planet: Ceres, Eris, Haumea, Makemake a Pluto. Rozměry a hmotnost trpasličích planet Spodní a horní limit velikosti a hmotnosti trpasličích planet nebyl IAU rezolucí specifikován. Není zde striktně definován horní limit, a tak i objekty větší a hmotnější než Merkur, které nedovedou vyčistit okolí své oběžné dráhy, mohou být stále klasifikovány jako trpasličí planeta. Spodní limit je určen zmínkou o tvaru vyplývajícím z platnosti hydrostatické rovnováhy, nicméně rozměry a hmotnost, při kterých objekt tohoto tvaru dosáhne, nejsou definovány. Dle zkušeností při pozorování se mohou tyto hodnoty lišit složením a historií objektu. Původní návrh rezoluce IAU předpokládal, že se bude jednat o objekt s hmotností vyšší než 5.100 kg a rozměrech větších než 800 km, ale ve finální verzi se to neobjevilo. Podle některých astronomů se můžeme v blízké době dočkat zhruba 45 nových trpasličích planet. 16
Další objekty sluneční soustavy Planetky (asteroidy) Pohybují se převážně v oblasti mezi oběžnými dráhami Marsu a Jupitera. Největší z nich je Ceres s průměrem asi 1 000 km. Jen největší z planetek mají kulový tvar, drobnější jsou nepravidelné. Jejich složení odpovídá složení planet zemského typu. Komety Vycházejí z okrajových oblastí sluneční soustavy. Tady se jedná o ledové tmavé objekty, jak se přibližují, ke Slunci kometárního jádra se uvolňují plyny, které vytvářejí zářící koma a ohon. Ohon komety míří vždy od Slunce, protože je směrován slunečním větrem. Některé z nich obíhají kolem Slunce pravidelně, jejich trajektorie je tedy velmi protáhlá elipsa (např. Haleyova kometa s periodou 76 let). Kometární jádra se vždy během průletu kolem Slunce zahřívají, díky tomu se komety postupně rozpadají do meteorického roje. Komety mohou zaniknout také pádem do Slunce nebo Jupiter. Meteoroidy, meteory, meteority Meteoroid je tělísko o průměru 10-100 m pohybující se ve sluneční soustavě. Jestliže meteoroid vstoupí do zemské atmosféry, při brzdění se zahřívají a hoří. Viditelnou stopu, kterou pozorujeme na obloze, označujeme meteor. Velmi jasný meteor označujeme jako bolid. Jen velká tělesa neshoří v atmosféře beze zbytku a jejich zbytky dopadají na zemský povrch, kde je nalézáme jako meteority. Obr. 5 Planetka Ida Obr. 3 Meteorit Obr. 4 Halleyova kometa 17
Zdroje: www.aldebaran.cz Fyzika pro gymnázia Astrofyzika nakl. Prometheus http://planety.astro.cz/trpaslici/1870-trpaslici-planety 18