у каких планет есть атмосфера в солнечной системе
Атмосфера Земли и некоторых планет
Воздушная оболочка, которая окружает нашу планету и вращается вместе с ней, называется атмосферой. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, а три четверти массы — в нижних 10 км. Выше воздух значительно разрежен, хотя его частицы обнаруживаются на высоте 2000—3000 км над земной поверхностью. Воздух, которым мы дышим, это смесь газов. Больше всего в нём азота — 78% и кислорода — 21 %. Аргон составляет менее 1 % и 0,03% — углекислый газ. Другие многочисленные газы, например криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон и прочие, составляют тысячные и миллионные доли процента. Воздух содержит также водяной пар, частички различных веществ, бактерии, пыльцу и космическую пыль.
Атмосфера состоит из нескольких слоев. Нижний слой до высоты 10—15 км над поверхностью Земли называется тропосфера. Она нагревается от Земли, поэтому температура воздуха здесь с высотой падает на 6 °С на 1 километр подъёма. В тропосфере находится почти весь водяной пар и образуются практически все облака. Высота тропосферы над разными широтами планеты неодинакова. Над полюсами она поднимается до 9 км, над умеренными широтами — до 10—12 км, а над экватором — до 15 км. Процессы, происходящие в тропосфере — формирование и перемещение воздушных масс, образование циклонов и антициклонов, появление облаков и выпадение осадков, — определяют погоду и климат у земной поверхности.
Выше тропосферы располагается стратосфера, которая простирается до 50—55 км. Тропосферу и стратосферу разделяет переходный слой тропопауза, толщиной 1—2 км. В стратосфере на высоте около 25 км температура воздуха постепенно начинает расти и на 50 км достигает + 10 +30 °С. Такое повышение температуры связано с тем, что в стратосфере на высотах 25— 30 км находится слой озона. У поверхности Земли его содержание в воздухе ничтожно мало, а на больших высотах двухатомные молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовую солнечную радиацию, образуя трёхатомные молекулы озона. Если бы озон располагался в нижних слоях атмосферы, на высоте с нормальным давлением, толщина его слоя была бы всего 3 мм. Но и в таком небольшом количестве он играет очень важную роль: поглощает вредную для живых организмов часть солнечного излучения.
Выше стратосферы примерно до высоты 80 км простирается мезосфера, в которой температура воздуха с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля.
Верхняя часть атмосферы характеризуется очень высокими температурами и называется термосферой. Её разделяют на две части — ионосферу — до высоты около 1000 км, где воздух сильно ионизован, и экзосферу — свыше 1000 км. В ионосфере молекулы атмосферных газов поглощают ультрафиолетовую радиацию Солнца, при этом образуются заряженные атомы и свободные электроны. В ионосфере наблюдаются полярные сияния.
Атмосфера играет очень важную роль в жизни нашей планеты. Она предохраняет Землю от сильного нагрева солнечными лучами днём и от переохлаждения ночью. Большая часть метеоритов сгорает в атмосферных слоях, не долетая до поверхности планеты. Атмосфера содержит кислород, необходимый всем организмам, озоновый экран, защищающий жизнь на Земле от губительной части ультрафиолетовой радиации Солнца.
АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Атмосфера Меркурия так сильно разрежена, что, можно сказать, её практически нет.
Марсианская атмосфера тоже состоит преимущественно из углекислого газа (95%) и азота (2,7%), но её плотность меньше земной примерно в 300 раз, а давление — почти в 100 раз.
Видимая поверхность Юпитера на самом деле представляет собой верхний слой водородно-гелиевой атмосферы. Такие же по составу воздушные оболочки Сатурна и Урана. Красивый голубой цвет Урана обусловлен высокой концентрацией метана в верхней части его атмосферы. У Нептуна, окутанного углеводородной дымкой, выделяют два основных слоя облаков: один состоит из кристаллов замёрзшего метана, а второй, расположенный ниже, содержит аммиак и сероводород.
Планеты Солнечной системы: восемь и одна
Поверхность Меркурия, подобно лунной, покрыта кратерами. Атмосфера очень разреженная. Меркурий обладает крупным железным ядром, являющимся источником магнитного поля, по своей совокупности составляющим 0,1 от земного. Температура на поверхности Меркурия колеблется от 90 до 700 К (−180…430 °C). Планета названа в честь бога римского пантеона Меркурия, аналога греческого Гермеса и Вавилонского Набу. Естественных спутников у планеты нет.
Юпитер представляет собой газо-жидкое тело, твердой поверхности не имеет. Атмосфера состоит на 89 % из водорода и на 11 % гелия и напоминает по химическому составу Солнце. Планету Юпитер опоясывают кольца, состоящие из совокупности сравнительно мелких каменных частиц размером от нескольких мкм до нескольких метров. Юпитер назван в честь царя римских богов.
К концу 1970‑х годов было известно о 13 спутниках Юпитера. В 1979 году американским космическим аппаратом «Вояджер‑1» были обнаружены еще три спутника. Начиная с 1999 года с помощью наземных телескопов нового поколения были открыты еще 47 спутников планеты, подавляющее большинство из которых имеют диаметр в 2-4 километра.
Планета Уран имеет небольшое твердое железно-каменное ядро, над которым сразу начинается плотная атмосфера. Атмосфера на Уране имеет толщину не менее 8000 км и состоит примерно из 83 % водорода, 15 % гелия и 2 % метана.
В 1930 году американский астроном Клод Томбо нашел на негативах медленно движущийся звездообразный объект, который назвали новой, девятой планетой Плутоном – в честь древнеримского бога подземного царства.
Международный астрономический союз официально признал Плутон планетой в мае 1930 года. В тот момент предполагали, что его масса сравнима с массой Земли, но позже было установлено, что масса Плутона почти в 500 раз меньше земной, даже меньше массы Луны. Масса Плутона 1,2 на 10 в22 степени кг (0,22 массы Земли). Среднее расстояние Плутона от Солнца 39,44 а.е. (5,9 на 10 в12 степени км), радиус около 1,65 тысяч км. Период обращения вокруг Солнца 248,6 года, период вращения вокруг своей оси 6,4 суток. Состав Плутона предположительно включает в себя камень и лед; планета имеет тонкую атмосферу, состоящую из азота, метана и углеродной одноокиси. У Плутона есть три спутника: Харон, Гидра и Никта.
Таким образом, с 2006 года в Солнечной системе стало восемь планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Международным астрономическим союзом официально признаны пять карликовых планет: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида.
11 июня 2008 года МАС объявил о введении понятия «плутоид». Плутоидами решено называть небесные тела, обращающиеся вокруг Солнца по орбите, радиус которой больше радиуса орбиты Нептуна, масса которых достаточна, чтобы гравитационные силы придавали им почти сферическую форму, и которые не расчищают пространство вокруг своей орбиты (то есть, вокруг них обращается множество мелких объектов).
Поскольку для таких далеких объектов, как плутоиды, определить форму и тем самым отношение к классу карликовых планет пока затруднительно, ученые рекомендовали временно относить к плутоидам все объекты, абсолютная астероидная величина которых (блеск с расстояния в одну астрономическую единицу) ярче +1. Если позднее выяснится, что отнесенный к плутоидам объект карликовой планетой не является, его этого статуса лишат, хотя присвоенное имя оставят. К плутоидам были отнесены карликовые планеты Плутон и Эрида. В июле 2008 года в эту категорию был включен Макемаке. 17 сентября 2008 в список добавили Хаумеа.
Материал подготовлен на основе информации открытых источников
Атмосферы других планет
Газовые оболочки есть и у других планет. На них не обнаружены признаки жизни, поскольку их атмосферы сильно отличаются от земной.
Венера — ближайшая к Солнцу планета, которая имеет атмосферу, состоящую из углекислого газа и не выпускающую наружу тепло Солнца, создавая парниковый эффект. Из-за этого температура на поверхности Венеры составляет 500°С. Марс имеет схожую по составу с венерианской атмосферу, также состоящую в основном из углекислого газа, но с примесями азота, аргона, кислорода и водяного пара, правда, в очень небольших количествах. Несмотря на приемлемую температуру поверхности Марса в определенное время суток, дышать такой атмосферой невозможно.
У планет-гигантов нет твердой поверхности, а их газовые оболочки по своему составу напоминают солнечную. Например, атмосфера Юпитера в основном состоит из водорода и гелия с небольшим количеством метана, сероводорода, аммиака и воды. Очень похожа на нее атмосфера Сатурна. Плотность газов в ней необычайно высока, поэтому наблюдению доступны только ее верхние слои. В них плавают облака из замерзшего газа аммиака, а скорость ветра иногда достигает 1500 км/ч.
Атмосфера Урана, как и остальных крупных планет Солнечной системы, состоит из водорода и гелия. Уран не подогревается никакими внутренними источниками тепла и энергию получает только от Солнца. Поэтому у этой планеты самая холодная атмосфера во всей Солнечной системе. Похожая атмосфера и у Нептуна.
4.3. Общая характеристика планет Солнечной системы
Все планеты земной группы имеют твёрдые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса (> 99.99%). Твёрдые оболочки планет находятся в гидростатическом равновесии, несмотря на фазовое состояние, т. к. предел текучести горных пород (для Земли) соответствует весу столба единичного сечения высотой всего около 10 км. Форма небольших спутников планет и астероидов может заметно отличаться от сферической. Модели твёрдых оболочек планет земной группы стоятся на основании данных о свойствах вещества земных недр, характеристики которых хорошо известны благодаря сейсмическим исследованиям.
По аналогии с Землёй выделяются кора – самая внешняя и тонкая (10–100 км) твёрдая оболочка, мантия – твёрдая и толстая (1000–3000 км) оболочка и ядро. У Земли ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твёрдое). Жидкое ядро, вероятнее всего, есть у Меркурия и, вероятнее всего, отсутствует у Венеры. Наиболее распространённые химические элементы твёрдой оболочки Земли: Fe (34.6%), O (29.5%), Si (15.2%), Mg (12.7%). Земная кора состоит в основном из окислов кремния (SiO2) и алюминия (Al2O3). Ядро, по-видимому, состоит из железа. В строении газовых планет-гигантов Юпитера и Сатурна принято выделять следующие слои: 1. Верхний слой, состоящий в основном из газообразных водорода и гелия.
2. Слой, состоящий их «газожидкого», т. е. находящегося в сверхкритическом состоянии водорода и гелия. Внутренние слои Юпитера и Сатурна содержат водород и гелий практически в той же пропорции (по массе), что и Солнце (
25% гелия и около 5% остальных элементов). Верхние слои (атмосфера) содержат на 10–15% водорода больше. 3. Под газожидким водородом находится слой жидкого металлического (вырожденного) водорода. Протоны и электроны в этом слое существуют раздельно, и он является хорошим проводником электричества. Мощные электрические токи, возникающие в слое металлического водорода, порождают гигантское магнитное поле Юпитера. 4. Твёрдое (каменное) ядро. Ледяные планеты-гиганты Уран и Нептун имеют иное строение: 1. Атмосфера (верхний слой), состоящий в основном из газообразных водорода и гелия. 2. Слой газожидких гидридов (H2O, NH3, CH4) – т. н. «ледяная оболочка», или «океан водного аммиака». 3. Твёрдое (каменное) ядро. В недрах Урана и Нептуна относительное содержание тяжёлых элементов больше солнечного.
4.3.2. Поверхности планет и типичные формы рельефа
Гранд-Каньон (Северная Америка)
Очевидно, что имеет смысл говорить о поверхности планет только земной группы. Поверхности планет формируют две группы процессов – эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние). Основные эндогенные процессы – это тектоническая и вулканическая деятельность.
Складки тектонического происхождения (горные цепи) хорошо выражены только на Земле. Долины тектонического происхождения (разломы) имеются на Земле, Венере, Марсе.
В настоящее время активность вулканических процессов в наибольшей степени характерна для Земли (и спутника Юпитера Ио). Криовулканизм достоверно установлен на спутниках Сатурна Титане и Энцеладе, а также на спутнике Нептуна Тритоне. Кроме Земли, вулканические горы имеются на Марсе, Венере, Луне.
Один из важнейших экзогенных процессов – переработка поверхности в результате падения метеоритных тел, образующих кратеры и измельчающих материал поверхности. К числу экзогенных процессов относится также механическая эрозия под действием ветра, осадков, воды, ледников.
На Земле большой вклад в формирование поверхности вносит атмосферная, водная и ледниковая эрозия. Признаки действия экзогенных процессов такого типа имеются и на Марсе, но они выражены слабее. На поверхности всех тел, лишённых плотной атмосферы и обладающих относительно слабой тектонической активностью, наиболее важный процесс – это метеоритная бомбардировка.
Ударные кратеры на поверхности Земли часто называют астроблемами. Наиболее известные кратеры на поверхности Земли: Аризонский (США), Маникуаган (Канада) и др. Диаметр Аризонского кратера составляет 1200 метров, глубина – 170 метров. Он возник около 50 тысяч лет назад после падения 50-метрового метеорита с массой около 300 тысяч тонн и летевшего со скоростью 12–20 км/с. Современный диаметр кратера Маникуаган равен 71 км. Он сформировался 214 млн. лет назад в результате столкновения Земли с астероидом диаметром 5 км.
Вблизи Минска расположена самая известная астроблема Беларуси – Логойская. Около 40 млн. лет назад вблизи современного Логойска с Землёй столкнулся каменный астероид диаметром около 600 м и массой 400 млн. тонн. В момент столкновения скорость астероида составляла около 18 км/с.
Таким образом, можно выделить следующие типичные формы рельефа планет земной группы и спутников планет: 1. Континентальные блоки и «океанические впадины» имеются на Земле, Марсе и Венере, но только на Земле впадины заполнены водой. 2. Горные цепи (складки тектонического происхождения) ярко выражены только на Земле.
3. Долины тектонического происхождения (разломы) имеются на Земле, Венере, Марсе. 4. Вулканические горы имеются на Земле, Луне, Марсе, Венере, Ио. Действующие (не криогенные) вулканы (кроме земных) достоверно обнаружены только на Ио. 5. Ударные (метеоритные) кратеры – наиболее распространённая форма рельефа на поверхности тел Солнечной системы, лишённых атмосферы или имеющих достаточно разреженную атмосферу. 6. Бассейны – округлые низменности диаметром от 100 до 2500 км. Имеются на Луне (лунные моря), Марсе, Меркурии. Образовались в результате падения крупных планетезималей (зародышей планет) около 4 млрд. лет назад. 7. Образования, связанные с водой и ледниковой эрозией, с переносом пылевого вещества ветром, наблюдаются только на Земле и Марсе.
4.3.3. Атмосферы планет
Циклон в атмосфере Земли
Три планеты земной группы (Венера, Земля и Марс) обладают плотными газовыми атмосферами. Меркурий практически лишён атмосферы. У планет земной группы атмосферы имеют так называемое вторичное происхождение (тектоническое, вулканическое, биологическое (у Земли) и т. п.). Они состоят в основном из «тяжелых» газов: у Земли – это в основном азот N2 (78%), кислород O2 (21%) и аргон Ar (0,9%), у Венеры – углекислый газ CO2 (96,5%) и азот N2 (3,5%), у Марса – углекислый газ CO2 (95%), азот N2 (2,7%), аргон Ar (1,6%) и кислород O2 (0,13%).
| Your browser does not support the video tag. Гроза supercell в атмосфере Земли
|
В отличие от атмосфер Венеры и Марса, в атмосфере Земли аномально много азота и практически отсутствует углекислый газ. Во Вселенной в целом углерода больше, чем азота; кроме этого, в межзвёздной среде (а, следовательно, и в протосолнечной системе) углерод существует в виде графитовых пылинок и органических соединений, а азот – в виде очень летучего газа N2. Таким образом, зародышам планет гораздо легче захватывать твёрдые углеродистые соединения, чем азот, и поэтому неудивительно, что на Венере и Марсе наблюдаются атмосферы с доминированием углерода в форме СО2.
На Земле же при помощи и содействии богатой жизнедеятельности морских форм жизни двуокись углерода растворялась в воде и образовывала углеродистые породы. Если экстрагировать весь СО2, содержащийся в связанном состоянии в известковых породах, то атмосферное содержание СО2 повысилось бы до 95% при давлении в 70 атмосфер, а земная атмосфера стала бы весьма похожей на венерианскую.
Совсем иной состав атомосферы Юпитера и других планет-гигантов. Там главные составляющие – водород H2 (84–90%) и гелий He (10–16%), т. е. элементы, наиболее распространенные в космосе. Вертикальная структура планетной атмосферы определяется температурой, составом и силой тяжести. Давление убывает в e раз при изменении высоты на величину H, которая дается формулой: H = RT/(μg), где T – температура, R – газовая постоянная, μ – молекулярная масса, g – ускорение силы тяжести. Эта формула называется барометрической, она выводится из условия гидростатического равновесия атмосферы. Величина H называется шкалой высоты или высотой однородной атмосферы. Если параметры, от которых зависит H, изменяются с высотой, то выражение для шкалы высоты надо применять для бесконечно узких слоев. Верхние слои атмосфер подвергаются сильному воздействию солнечной радиации, что приводит к диссоциации молекул, а также ионизации атомов и молекул. Поэтому верхняя часть атмосферы является ионизованной средой (плазмой) и часто называется ионосферой.
4.3.4. Излучение планет
Солнечное излучение, падающее на планету, частично отражается в космическое пространство, частично поглощается. Поглощенная энергия нагревает поверхность и атмосферу и переизлучается в длинноволновой области спектра. Поэтому спектр излучения планеты содержит два максимума: один из них (более коротковолновой) соответствует отраженному солнечному излучению, второй – тепловому излучению самой планеты. Положение второго максимума определяется эффективной температурой планеты Teff, в приблизительном соответствии с законом Вина: λmax = 2886/Teff (мкм). Уровень, на котором формируется отраженное или тепловое излучение на некоторой длине волны, соотвествует оптической глубине τ = 1 на этой длине волны (так же, как в атмосферах звезд и Солнца). Он может располагаться на той или иной высоте в атмосфере, на некоторой глубине под поверхностью или с ней совпадать. Доля солнечной энергии, отраженная от планеты, определяется величиной сферического альбедо, которая равна Asph = Ф/Ф0, где Ф0 – падающий поток солнечного излучения, Ф – поток, рассеянный планетой во все стороны. Потоки могут быть определены либо в узком участке длин волн, либо проинтегрированы по всем длинам волн. В последнем случае Asph – интегральное сферическое альбедо. Часть солнечного потока, равная (1 – Asph)Ф0, поглощается планетой, нагревает ее и переизлучается в инфракрасном диапазоне. У Земли, как и у других планет земной группы, поток внутреннего тепла пренебрежимо мал по сравнению с притоком энергии от Солнца. Наоборот, у планет-гигантов поток внутреннего тепла на единицу площади примерно равен потоку, получаемому от Солнца, и играет существенную роль в уравнении теплового баланса при определении эффективных температур этих планет. В этом отношении (большой поток внутреннего тепла) планеты-гиганты (особенно – Юпитер) ближе к звездам, чем к планетам земной группы. Однако их источником внутренней энергии являются, конечно, не ядерные реакции. По-видимому, излучается запас энергии, накопленной при гравитационном сжатии планеты. Теплопроводность планетных грунтов достаточно низка, поэтому на Меркурии, Луне, Марсе имеют место сильные суточные изменения температуры: соответственно на этих планетах температуры в полдень и полночь составляют примерно 700 и 100 К, 400 и 120 К, 280 и 170 К. На планетах с плотной атмосферой (таких, как Венера и Земля) значительный вклад в ее температурный баланс вносит так называемый парниковый эффект, который обусловлен сильным поглощением инфракрасного излучения поверхности планеты некоторыми сложными молекулами (CO2, H2O, SO2 и др.) атмосферных газов, что приводит к разогреву приповерхностного слоя атмосферы. Для Венеры такое увеличение средней температуры поверхности по сравнению с эффективной температурой составляет
40 К, для Марса и Титана –
4.3.5. Магнитные поля планет. Магнитосферы. Полярные сияния
Большая часть планет Солнечной системы обладают собственными магнитными полями. Магнитного поля фактически нет только у Венеры, весьма слабое (по сравнению с земным) магнитное поле у Марса. Происхождение магнитных полей планет земной группы связано с теорией гидромагнитного динамо, согласно которой генерация магнитного поля происходит вследствие конвективного движения электропроводящего вещества во внешнем, жидком ядре планеты. Взаимодействие магнитного поля планеты с падающим на неё солнечным ветром формирует магнитосферу планеты. Плазма солнечного ветра, встречая на своём пути планету, частично огибает препятствие и частично им поглощается. Картина обтекания зависит от характеристик препятствия. Имеется три основных варианта: 1) планета (или спутник) не имеет ни атмосферы, ни магнитного поля (Луна); 2) есть атмосфера, нет собственного магнитного поля (Венера); 3) есть значительное магнитное поле; наличие или отсутствие атмосферы не играет существенной роли (Меркурий, Земля, Юпитер). В первом случае за планетой образуется плазменные тень и полутень. Во втором случае солнечный ветер, набегающий на атмосферу, образует ударную волну. За фронтом ударной волны расположена переходная область, в которой скорость частиц солнечного ветра меньше, а концентрация – больше, чем в невозмущённом солнечном ветре. Плазма солнечного ветра прижимает ионосферу ближе к поверхности на дневной стороне планеты.
Некоторые планеты (в том числе и Земля) имеют сильные магнитные поля. В этом случае также образуется ударная волна и переходная область, но частицы солнечного ветра отклоняются магнитным полем планеты в ней задолго до того, как они вступают в соприкосновение с ионосферой. После запусков первых ИСЗ было обнаружено, что магнитное поле Земли удерживает огромное количество заряженных частиц – электронов (до 10 кг) и протонов. Частицы заполняют огромные кольца, или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора. Всю область пространства, заполненную заряженными частицами, движущимися в магнитном поле Земли или другой планеты, называют магнитосферой. Она отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы солнечного ветра обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Локальные характеристики солнечного ветра изменяются и совершают колебания иногда в течение нескольких часов, а затем восстанавливаются до прежнего уровня. Такие явления возникают в результате вспышек на Солнце и называются магнитными бурями.
В высоких широтах во время возмущений магнитного поля наблюдаются полярные сияния (Aurora). Спектр полярных сияний состоит из эмиссионных линий и полос, прежде всего зелёной и красной линий кислорода (5577 и 6300 Å). Частицы солнечного ветра захватываются магнитным полем Земли и наполняют внешний радиационный пояс. В полярных районах электроны и протоны, двигаясь по спирали вдоль силовых линий, могут проникать в атмосферу даже при относительно малых энергиях. В верхних слоях атмосферы частицы солнечного ветра создают дополнительную ионизацию и возбуждают свечение, наблюдаемое в виде полярных сияний.
Наиболее мощными магнитосферами обладают газовые гиганты – Юпитер и Сатурн. Поперечные размеры магнитосферы Юпитера в области головной ударной волны примерно на два порядка превосходят магнитосферу Земли, а «хвост» юпитерианской магнитосферы достигает орбиты следующей планеты – Сатурна. Размеры магнитосферы Сатурна примерно в 2,5–3 раза меньше юпитерианской. Гигантские магнитосферы этих планет обусловлены наличием в их недрах обладающего высокой проводимостью слоя металлического водорода.