По какой орбите земля движется вокруг солнца?

Орбиты планет Солнечной системы. Структура

Орбиты объектов Солнечной системы, в масштабе (по часовой стрелке, начиная с верхней левой части)

Большинство крупных объектов, обращающихся вокруг Солнца, движутся практически в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики. В то же время кометы и объекты пояса Койпера часто обладают большими углами наклона к этой плоскости.

Все планеты и большинство других объектов обращаются вокруг Солнца в одном направлении с вращением Солнца (против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Солнца). Есть исключения, такие как комета Галлея. Самой большой угловой скоростью обладает Меркурий — он успевает совершить полный оборот вокруг Солнца всего за 88 земных суток. А для самой удалённой планеты — Нептуна — период обращения составляет 165 земных лет.

Большая часть планет вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и обращается вокруг Солнца. Исключения составляют Венера и Уран, причём Уран вращается практически «лёжа на боку» (наклон оси около 90°). Для наглядной демонстрации вращения используется специальный прибор — теллурий.

Многие модели Солнечной системы условно показывают орбиты планет через равные промежутки, однако в действительности, за малым исключением, чем дальше планета или пояс от Солнца, тем больше расстояние между её орбитой и орбитой предыдущего объекта. Например, Венера приблизительно на 0,33 а. е. дальше от Солнца, чем Меркурий, в то время как Сатурн на 4,3 а. е. дальше Юпитера, а Нептун на 10,5 а. е. дальше Урана. Были попытки вывести корреляции между орбитальными расстояниями (например, правило Тициуса — Боде), но ни одна из теорий не стала общепринятой.

Орбиты объектов вокруг Солнца описываются законами Кеплера. Согласно им, каждый объект обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. У более близких к Солнцу объектов (с меньшей большой полуосью) больше угловая скорость вращения, поэтому короче период обращения (год). На эллиптической орбите расстояние объекта от Солнца изменяется в течение его года. Ближайшая к Солнцу точка орбиты объекта называется перигелий, наиболее удалённая — афелий. Каждый объект движется быстрее всего в своём перигелии и медленнее всего в афелии. Орбиты планет близки к кругу, но многие кометы, астероиды и объекты пояса Койпера имеют сильно вытянутые эллиптические орбиты.

Большинство планет Солнечной системы обладают собственными подчинёнными системами. Многие окружены спутниками, некоторые из спутников по размеру превосходят Меркурий. Большинство крупных спутников находятся в синхронном вращении, одна их сторона постоянно обращена к планете. Четыре крупнейшие планеты — газовые гиганты — обладают также кольцами, тонкими полосами крошечных частиц, обращающимися по очень близким орбитам практически в унисон.

Терминология

Иногда Солнечную систему разделяют на регионы. Внутренняя часть Солнечной системы включает четыре планеты земной группы и пояс астероидов. Внешняя часть начинается за пределами пояса астероидов и включает четыре газовых гиганта. После открытия пояса Койпера наиболее удалённой частью Солнечной системы считают регион, состоящий из объектов, расположенных дальше Нептуна.

Все объекты Солнечной системы, обращающиеся вокруг Солнца, официально делят на три категории: планеты, карликовые планеты и малые тела Солнечной системы. Планета — любое тело на орбите вокруг Солнца, оказавшееся достаточно массивным, чтобы приобрести сферическую форму, но недостаточно массивным для начала термоядерного синтеза, и сумевшее очистить окрестности своей орбиты от планетезималей. Согласно этому определению в Солнечной системе имеется восемь известных планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон не соответствует этому определению, поскольку не очистил свою орбиту от окружающих объектов пояса Койпера. Карликовая планета — небесное тело, обращающееся по орбите вокруг Солнца, которое достаточно массивно, чтобы под действием собственных сил гравитации поддерживать близкую к округлой форму, но которое не очистило пространство своей орбиты от планетезималей и не является спутником планеты. По этому определению у Солнечной системы имеется пять признанных карликовых планет: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида. В будущем другие объекты могут быть классифицированы как карликовые планеты, например, Седна, Орк и Квавар. Карликовые планеты, чьи орбиты находятся в регионе транснептуновых объектов, называют плутоидами. Оставшиеся объекты, обращающиеся вокруг Солнца, — малые тела Солнечной системы.

Марс

Эта планета названа в честь грозного бога войны. По всем показателям Марс максимально приближен к Земле. Например, скорость планеты по орбите составляет 24 километра в секунду. Расстояние до Солнца – около 228 миллионов километров, из-за чего на поверхности большую часть времени довольно прохладно – только днем она прогревается до -5 градусов по Цельсию, а ночью здесь холодает до -87 градусов.

Зато сутки здесь практически равны земным – 24 часа и 40 минут. Для упрощения даже был придуман новый термин, обозначающий марсианские сутки – сол.

Так как расстояние до Солнца довольно большое, а траектория движения значительно длиннее, чем у Земли, год здесь длится довольно долго – целых 687 дней.

Эксцентриситет у планеты не слишком большой – около 0,09, поэтому орбиту можно считать условно круглой с Солнцем, расположенным почти в центре описываемой окружности.

Карликовые планеты

Каждая из карликовых планет . У них есть свои номера согласно ЦМП (Центр малых планет), расположение, количество спутников и другие индивидуальные особенности.

Плутон

До 2006 года Плутон относили к . Он был открыт в 1930 году учёным Клайдом Томбо, который включил его в список 9 крупных небесных тел. Когда астрономы нашли аналогичные объекты за орбитой Нептуна, его перенесли в перечень «карликов». В 2015 году астрономы получили много новой информации о нём благодаря фотоснимкам, которые сделал аппарат «Новые горизонты», приблизившийся к планете на минимальное расстояние.

Официальное наименование Плутон получил 24 марта 1930 года после конкурса. Его предлагали назвать Минервой, но победило другое название, в честь римского божества, которое предложила 11-летняя девочка, внучка астронома. В этом названии отражались инициалы руководителя обсерватории, где был открыт Плутон, П. Лоуэлла.

Статус Плутона остаётся неокончательным, поскольку некоторые учёные по-прежнему относят его к планетам.

Эрида

Эриду открыла группа Майкла Брауна. В 2006 г. ЦМП определил её статус и официально зарегистрировал.  Размеры Эриды так велики, что учёные вначале посчитали её 10-й планетой. Первоначально думали, что она крупнее Плутона, но в результате наблюдений пришли к иному выводу. Из-за несовпадения точек зрения учёных эту планету стали называть в честь богини раздора.

Эрида расположена очень далеко от Солнца, поэтому точно определить её параметры сложно. Только в 2015 г. после полёта космического аппарата «Новые горизонты» в направлении Плутона, удалось выяснить примерные размеры Эриды. Массу планеты удалось вычислить благодаря её спутнику – Дисномии.

Хаумеа

Эта карликовая планета была открыта сразу двумя учёными Майклом Брауном и Хосе Ортисом в 2005 г. Первый предложил назвать новый объект в честь богини плодородия. Второй выступил за использование имени богини весны. Оба названия не приглянулись ЦМП и новую маленькую планету стали называть Сантой по времени обнаружения – 28 декабря. Но впоследствии название, которое предложил Браун, победило.

Эта планета имеет ряд особенностей, отличающих её от других аналогичных объектов:

• яйцевидная форма;
• огромная скорость вращения вокруг своей оси;
• очень высокая яркость.

Состоит этот «карлик» из льда с примесями углеводородов и минералов. Атмосферы не имеет. Рядом с планетой находится 2 спутника, названных в честь дочерей богини Хаумеа.

Макемаке

Макемаке четвёртая в списке карликовых планет из пояса Койпера. Её обнаружил Майкл Браун в 2005 г. Официальное название она получила через 3 года, а до этого именовалась Пасхальным зайцем, так как была открыта на Пасху.

Макемаке , поэтому она мало изучена. Благодаря инфракрасной телескопии, были определены её размеры, которые превосходят габариты Хаумеа. Масса установлена гипотетически.

Состав – каменное ядро с ледяной корой, представляющей замёрзшие газы: метан и этан. Яркий поверхностный слой схож с Плутоном. Она имеет переходную атмосферу, обладает одним тусклым спутником.

Церера

Церера относится к главному поясу астероидов. По форме и размерам она могла бы претендовать на вхождение в список планет. Астрономы достаточно хорошо её изучили, но по поводу её статуса есть вопросы. ЦМП считает Цереру «малой планетой». Обнаружена она была в 1801 г. итальянским исследователем Джузеппе Пиацци в пространстве между Марсом и Юпитером.

Чтобы облететь вокруг Солнца, Церере нужно 4,6 лет. Вокруг своей оси она вращается за 9 часов 4 минуты. У планеты скалистое ядро и ледяная мантия. Последние инфракрасные наблюдения показали, что под коркой льда может быть океан с примитивными видами жизни. На поверхности большое количество глины с железом и карбонатами. Это говорит в пользу присутствия на Церере слабой атмосферы. Спутников у неё не найдено.

Попятное, прямое и петлеобразное движение планет

Прямым движением планет называют движение небесных тел с запада на восток, то есть по направлению движения Солнца.

Попятное, или как его еще называют ретроградное движение планет – представляет собой перемещение небесных сфер по отношению к звездам по небосводу с востока на запад. Другими словами данное направление является противоположным движению Солнца и Луны.

Видимое движение солнечных планет всегда изучается с учетом движения планеты, за которой наблюдаем, и самим Земным шаром по своим орбитам вокруг Светила. Исходя из закона Ньютона о всемирном тяготении, чем дальше планета расположена от Солнца, тем меньше скорость ее обращения. Из-за разной скорости движения в момент «противостояния», планета, расположившаяся ближе к Солнцу, начинает «обгонять» ту, которая находится на более удаленном расстоянии. Кроме этого, во время попятного движения, человек фиксирует, что планеты движутся по петлям, возникающим в результате наклона планетарных орбит относительно плоскости эклиптики. Другими словами, попятное движение внешних планет возникает не потому что они начинают двигаться в обратном направлении, а потому что в определенные моменты Земля обгоняет другие небесные сферы из-за своей приближенности к Солнцу и более высокой скорости вращения по своей орбите.

Наш дом – планета Земля

Планета Земля движется вокруг Солнца по эллиптической (почти круговой) орбите. Её средняя скорость движения составляет 29,765 км/с. В афелии же она равна 29,27 км/с, а в перигелии принимает значение 30,27 км/с. Чтобы обогнуть светило и вернуться в ту же точку, голубой планете нужно отмахать ни много ни мало, а целых 939,1 млн. км. Это огромное расстояние она преодолевает всего за 365,26 солнечных суток. Такой отрезок времени, который необходим небесному телу-спутнику, чтобы совершить полный оборот вокруг главного тела, называют сидерическим периодом или годом.

Земля

От Солнца Земля отстоит на расстоянии: в афелии 152,083 млн. км, в перигелии соответственно 147,117 млн. км. Большая полуось орбиты равняется 149,6 млн. км. Эту цифру уже давно взяли за основную единицу измерения и называют астрономической единицей (а. е.). В Солнечной системе в а. е. измеряются расстояния между планетами, что очень удобно, так как даёт наглядное представление об их удалённости от Солнца и от планеты Земля.

Согласно многочисленным научным данным и исследованиям, планета образовалась из Солнечной туманности примерно 4,54 миллиардов лет назад, и вскоре после этого приобрела свой естественный спутник — Луну. Жизнь появилась на Земле около 3,5 миллиардов лет назад.

К формированию на нашей планете океанов привела так называемая кометная бомбардировка. Кроме того, падающие на поверхность земного шара астероиды способствовали серьезным изменениям окружающей среды. Именно астероиды виновны в исчезновении различных живых существ, населявших нашу планету много миллионов лет тому назад.

Орбитальная плоскость

Орбиты всех планет воспринимают плоские фигуры, а не объемные, потому что они полностью пролегают в одной плоскости. Эта орбитальная плоскость называется эклиптика. Таким образом движется не только Земля, но и все остальные планеты Солнечной системы.

Земная ось вращения расположена не перпендикулярно эклиптике, как может показаться на первый взгляд. На самом деле она наклонена, причем под довольно большим углом – 230 градусов. Поэтому разные полушария планеты разогреты по-разному – на южном теплее, чем на севере. Из-за этого наклона оси вращения происходит и смена пор года.

Перигелий и афелий Земли

Орбита Земли может не всегда быть такой, как сейчас. Несмотря на том, что планета может двигаться вокруг звезды на протяжении всей своей жизни, ее движение не всегда должно быть одинаковым. Изучения орбиты нашей планеты продолжаются, и ученые предполагают, что она может изменить свое движение в будущем.

Для подробного изучения этого вопроса сейчас активно используют компьютерные модели, которые показывают сразу несколько вариантов развития Солнечной системы в будущем. Какой из них настанет, знает только время.

Вписываемся в повороты: учитываем радиус и наклон

Если вам приходилось ехать на автомобиле или велосипеде или даже бежать трусцой, то наверняка вы заметили, что в крутой поворот проще вписаться, если поверхность дороги немного наклонена внутрь поворота. Из опыта известно, что чем больше наклон, тем проще вписаться в поворот. Это объясняется тем, что в таком случае на вас действует меньшая центростремительная сила. Центростремительная сила обеспечивается силой трения о поверхность дороги. Если поверхность дороги покрыта льдом, то сила трения становится меньше и потому часто не удается вписаться в поворот на обледеневшей дороге на большой скорости.

Представьте, что автомобилю с массой 1000 кг нужно вписаться в поворот с радиусом Юм, а коэффициент трения покоя (подробнее о нем см. главу6) равен 0,8. (Здесь используется коэффициент трения покоя, поскольку предполагается, что шины по поверхности дороги.) Какую максимальную скорость может развить этот автомобиль без риска не вписаться в поворот. Итак, сила трения покоя шин о поверхность дороги ​\( F_{трение\,покоя} \)​ должна обеспечивать центростремительную силу:

где ​\( m \)​ — это масса автомобиля, ​\( v \)​ — его скорость, ​\( r \)​ — радиус, ​\( \mu_п \)​ — коэффициент трения покоя, a ​\( g \)​ = 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения под действием силы гравитации. Отсюда легко находим скорость:

(Обратите внимание, что максимальная безопасная скорость прохождения поворота не зависит от массы автомобиля. — Примеч

ред.)

Это выражение выглядит очень просто, а после подстановки в него численных значений получим:

Итак, максимальная скорость безопасного проезда при таком повороте равна 8,9 м/с. Пересчитаем в единицы “км/ч”, в которых скорость указана на спидометре, и сравним. Получается, что 8,9 м/с = 32 км/ч, а на спидометре всего 29 км/ч. Прекрасно, но далеко не все водители умеют так быстро рассчитывать безопасную скорость прохождения поворотов. Поэтому конструкторы дорог часто строят повороты с наклоном внутрь, чтобы обеспечить центростремительное ускорение не только за счет силы трения, но и за счет горизонтальной компоненты силы гравитации.

На рис. 7.3 показан пример поворота дороги с некоторым наклоном под углом ​\( \theta \)​ к горизонтали. Предположим, что конструкторы решили полностью обеспечить центростремительное ускорение только за счет горизонтальной компоненты силы гравитации (т.е. без учета силы трения) ​\( F_н\sin\theta \)​, где ​\( F_н \)​ — это нормальная сила (подробнее о ней см. в главе 6). Тогда:

В вертикальном направлении на автомобиль действует сила гравитации ​\( mg \)​, которая уравновешивается вертикальной компонентой нормальной силы \( F_н\cos\theta \):

или, иначе выражая это соотношение, получим:

Подставляя это выражение в прежнее соотношение между центростремительной силой и нормальной силой, получим:

Поскольку ​\( \sin\theta/\!\cos\theta=tg\,\theta \)​ в то

Отсюда легко получаем, что угол наклона поворота дороги ​\( \theta \)​ равен:

Именно это уравнение используют инженеры при проектировании дорог

Обратите внимание, что масса автомобиля не влияет на величину угла, при котором центростремительная сила полностью обеспечивается только горизонтальной компонентой нормальной силы. Попробуем теперь определить величину угла наклона поворота с радиусом 200 м для автомобиля, движущегося со скоростью 100 км/ч или 27,8 м/с:

Для обеспечения безопасного движения автомобиля со скоростью 100 км/ч в повороте с радиусом 200 м без учета силы трения, инженеры должны создать наклон около 22°. Отлично, из вас может получиться неплохой инженер-конструктор автомагистралей!

Знакомство с Солнечной системой

Солнечная система является частью спиралевидной галактики — Млечного пути. В самом ее центре находится Солнце – самый большой обитатель Солнечной системы. Солнце – это горячая звезда, состоящая из газов – водорода и гелия. Оно производит огромное количество тепла и энергии, без которых жизнь на нашей планете была бы просто невозможна. Солнечная система возникла пять млрд. лет назад в результате сжатия газопылевого облака.

Млечный путь

Центральное тело нашей планетной системы — Солнце (по астрономической классификации — желтый карлик), сосредоточило в себе 99,866% всей массы Солнечной системы. Оставшиеся 0,134% вещества представлены девятью большими планетами и несколькими десятками их спутников (в настоящее время их открыто более 100), малыми планетами — астероидами (примерно 100 тысяч), кометами (около 1011 объектов), огромным количеством мелких фрагментов — метеороидов и космической пылью. Все эти объекты объединены в общую систему мощной силой притяжения превосходящей массы Солнца.

Планеты земной группы составляют внутреннюю часть Солнечной системы. Планеты-гиганты образуют ее внешнюю часть. Промежуточное положение занимает пояс астероидов, в котором сосредоточена большая часть малых планет.

Фундаментальной особенностью строения Солнечной системы является то, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца, и в том же направлении они обращаются вокруг своей оси. Исключение составляют Венера, Уран и Плутон, осевое вращение которых противоположно солнечному. Существует корреляция между массой планеты и скоростью осевого вращения. В качестве примеров достаточно упомянуть Меркурий, сутки которого составляют около 59 земных суток, и Юпитер, который успевает сделать полный оборот вокруг своей оси менее, чем за 10 часов.

Планеты солнечной системы

Сколько существует планет?

Планеты и их спутники:

1. Меркурий,
2. Венера,
3. Земля (спутник Луна),
4. Марс (спутники Фобос и Деймос),
5. Юпитер (63 спутника),
6. Сатурн (49 спутника и кольца),
7. Уран (27 спутника),
8. Нептун (13 спутников).

• Астероиды,
• Объекты пояса Койпера (Квавар и Иксион),
• Карликовые планеты (Церера, Плутон, Эрида),
• Объекты облака Орта (Седна, Оркус),
• Кометы (комета Галлея),
• Метеорные тела.

Чем отличается земная группа?

К планетам земной группы традиционно относят Меркурий, Венеру, Землю и Марс (в порядке удаления от Солнца). Орбиты этих четырёх планет расположены до Главного пояса астероидов. Эти планеты объединяют в одну группу также из-за схожести их физических свойств — они имеют небольшие размеры и массы, средняя плотность их в несколько раз превосходит плотность воды, они медленно вращаются вокруг своих осей, у них мало или совсем нет спутников (у Земли — один, у Марса — два, у Меркурия и Венеры — ни одного).

Планеты земного типа или группы отличаются от планет-гигантов меньшими размерами, меньшей массой, большей плотностью, более медленным вращением, гораздо более разрежёнными атмосферами (на Меркурии атмосфера практически отсутствует, поэтому его дневное полушарие сильно накаляется. Температура у планет земной группы значительно выше чем у гигантов (на Венере до плюс 500 С). Элементные составы планет земной группы и планет-гигантов также резко отличаются друг от друга. Юпитер и Сатурн состоят их водорода и гелия примерно в той же пропорции, что и Солнце. У планет земной группы имеется много тяжелых элементов. Земля в основном состоит из железа (35 %), кислорода (29 %) и кремния (15 %). Наиболее распространенные соединения в коре — окислы алюминия и кремния. Таким образом, элементный состав Земли резко отличается от солнечного.

Какие есть планеты-гиганты?

К планетам-гигантам относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают большими размерами, но небольшой плотностью из-за своего газового состава из водорода и гелия. Тем не менее примерно 98 % суммарной массы планет Солнечной системы приходится на массу планет-гигантов!  Тепловой поток из центра Юпитера и Сатурна немного превосходит поток энергии, получаемой планетой от Солнца, тогда как тепловой поток из центра Земли пренебрежимо мал по сравнению с потоком энергии, получаемой Землей от Солнца.Эти планеты удалены на большие расстояния от Солнца, поэтому самые дальние из них — Нептун и Уран, содержат большое количество льда и именуются ледяными гигантами.

Размеры планет солнечной системы

Планеты данного типа обладают большим количеством спутников, в отличие от планет земной группы, и обладают высокой скоростью вращения. Спутниками называются небольшие тела, вращающиеся вокруг планет. Область между планетами наполнена небольшими твердыми частицами и разреженными газами.

Виды орбит

Орбиты делят на относительные и абсолютные.

Абсолютная орбита – это путь тела в установленной отсчетной системе, которую считают универсальной. Примером такой системы является Вселенная, взятая как единое целое.

Относительная орбита – это траектория тела в системе отсчета, которая движется по искривленной траектории с переменной скоростью. Например, при описании траектории искусственного спутника указывается его движение относительно планеты. В первом приближении – это эллиптическая траектория, в фокусе которой находится Земля, сама плоскость движения относительно звезд считается неподвижной. При таком варианте измерений, очевидно, что траектория движения – это орбита относительного типа, поскольку она определяется по отношению к Голубой планете, которая сама вращается вокруг Солнца. Если же посмотреть на траекторию движения относительно звезд, то наблюдается винтовая траектория – это абсолютная орбита искусственного спутника.

Фактор, отвечающий за смену времен года

За сезонность на планетах Солнечной системы отвечает угол наклона оси вращения к орбите. Чем меньше угол, тем стабильнее погода на небесном теле и нет смены пор года. Также сезонности не бывает на небесных телах с углом наклона более 90°.

Смена сезонов характерна для объектов с углом наклона оси в пределах 20-30 градусов:

• Земля (23,3°);
• Марс (25,2°);
• Сатурн (29°);
• Нептун (30°).

«Лето» и «зима» также
есть на Меркурии, несмотря на практически отсутствующий наклон оси. Это связано
с высоким эксцентриситетом его орбиты. Разница между температурами в точках
перигелия и афелия на Меркурии составляет 620 градусов Цельсия.

Таким образом, величина и форма пути, который описывает объект вокруг Солнца, очень влияют на формирование температурных условий на нём. Именно невысокий эксцентриситет и небольшая удаленность движения Земли, а также оптимальный угол наклона оси сделали её температуру наиболее комфортной для существования живых организмов.