Układ słoneczny

Zachwycające jest niebo w letnią pogodną noc. Miliony gwiazd zmusza nas do zadumań i przemyśleń na temat naszego miejsca w tym bezmiarze przestrzeni i czasu. Podobne pytania z pewnością towarzyszyły ludziom w przeciągu całej ich historii. W czasach starożytnych niektóre duże gwiazdy oraz ich grupy ( gwiazdozbiory) zyskały swoje nazwy. Były to nazwy bogów , bohaterów mitologicznych lub nadzwyczajnych przedmiotów, z którymi łączyły się legendy. Gwiazdy i zjawiska kosmiczne próbowano porządkować według jakiegoś logicznego ładu.

Pierwszy koncepcję heliocentryczną opracował Arystarch z Samos w III w. p.n.e., lecz została ona zapomniana. Według tej teorii Słońce zajmuje centralne miejsce, a planety wraz z Ziemią obiegają je po eliptycznych (w pierwotnym sformułowaniu - po kołowych) orbitach.

W starożytnej Grecji powstała teoria geocentryczna. Według tej teorii centralnym punktem Kosmosu jest nieruchoma Ziemia, wokół której poruszają się planety i gwiazdy. System geocentryczny doprowadził do wielkiej precyzji Klaudiusz Ptolemeusz, astronom z Aleksandrii, żyjący w II w. n.e. Jego dzieło E Megale Syntaksis (Wielki System) było przez całe średniowiecze podstawą wiedzy astronomicznej..

W czasach nowożytnych M. Kopernik powtórnie sformułował teorię heliocentryczną opisał ją w swoim dziele De revolutionibus orbium coelestium - O obrotach sfer niebieskich, opublikowanym w 1543. Sformułowana przez M. Kopernika w teoria doprowadziła do upadku geocentryczną teorię budowy Wszechświata Prawidłowość teorii heliocentrycznej M. Kopernika potwierdził w XVII w J. Kepler wyprowadzając, na podstawie praw o powszechnym ciążeniu, matematyczne wzory, opisujące ruch planet wokół Słońca.


Słoneczny Układ, układ ciał astronomicznych znajdujących się pod dominującym wpływem pola grawitacyjnego Słońca, związanych wspólnym pochodzeniem.
Składa się ze Słońca, dziewięciu planet : Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz, Saturn, Uran, Neptun, Pluton, naturalnych satelitów planet ( księżycy), planetoid, komet, ciał meteorowych oraz pyłu i gazu międzyplanetarnego.
Słońce zawiera w sobie 99,866% masy zawartej w ciałach Układu Słonecznego (bez gazu i pyłu międzygwiezdnego).
Orbity planet są praktycznie współpłaszczyznowe (najsilniej, o 17,15 względem płaszczyzny orbity Ziemi, nachylona jest orbita Plutona, pozostałe nachylenie wynoszą od 0,772 dla Uranu do 7,004 dla Merkurego) i tylko nieznacznie odbiegają od orbit kolistych (najsilniej ekscentryczne są orbity Merkurego i Plutona). Orbity planetoid, a szczególnie komet, są bardziej zróżnicowane. Wiek układu Słonecznego wynosi ok. 4,5 mld lat.


Merkury, pierwsza wg oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego, znana w starożytności. Swoje imię zawdzięcza zręcznemu i szybkiemu bogowi kupców i złodziei.
Planeta obiega Słońce w ciągu 87,969 dni. Okres obrotu wokół własnej osi - ok. 59 dni..
Jego średnica wynosi 4840 km. Masa przypuszczalnie 0,05 masy Ziemi. Średnia temperatura na półkuli zwróconej do Słońca wynosi ok. 600K, na półkuli odwróconej od Słońca ok. 100K.
Merkury ma atmosferę bardzo rozrzedzoną. Na 1 cm2 powierzchni Merkurego jest co najwyżej 0,3% tej ilości gazu, jaka się znajduje na 1 cm2 powierzchni Ziemi. Stwierdzono obecność w atmosferze dwutlenku węgla i wodoru. Na całej powierzchni Merkurego widoczne są jasne i ciemne plamy. Pod względem właściwości fizycznych Merkury jest podobny do Księżyca. Nie ma satelitów.
Wenus, druga od Słońca planeta Układu Słonecznego, znana od starożytności Planecie użyczyła swojego imienia bogini miłości. Średnia odległość od Słońca 108,2 mln km, orbita jest prawie kołowa. Wenusjański rok trwa 224,70 dni ziemskich. Pełny obrót wokół własnej osi trwa 243,16 dni ziemskich, Planeta obraca się w przeciwnym kierunku niż pozostałe planety układu słonecznego, co powoduje, że dzień na Wenus trwa 116,8 doby ziemskiej. Nie występują pory roku gdyż oś obrotu planety leży praktycznie w płaszczyźnie orbity.
Średnica Wenus wynosi 12104 km, a jej masa jest równa około 0,82 masy Ziemi. Przyspieszenie grawitacyjne wynosi 8,85 m/s2.
Wenus nie posiada pola magnetycznego. Atmosfera gazowa (odkryta w 1761 przez M.W. Łomonosowa) składaja się w 97% z dwutlenku węgla i 3% azotu, ze śladową ilością tlenu i kwasu siarkowego. Temperatura przy gruncie ok. 740 K, ciśnienie 90 atmosfer. Analiza zawartości deuteru wskazuje na obecność w przeszłości wody.
Pod wieloma względami Wenus jest bliźniaczą planetą Ziemi, posiada złożoną budowę geologiczną i bogatą rzeźbę terenu. Obserwowana rano nazywana jest Gwiazdą Poranną lub Jutrzenką, wieczorem - Gwiazdą Wieczorną.
Nasza Ziemia, jest trzecią planetą Układu Słonecznego. Ma masę 5,9742*1024 kg, Jej średnca równikowa wynosi12756,28 km, a średnica biegunowa;-12713,50 km. Kształt Ziemi opisuje tzw. geoida, bryła zbliżona do elipsoidy. Średnia gęstość Ziemi: 5,515 g/cm3, przyspieszenie grawitacyjne na równiku (na poziomie morza): 9,7805 m/s2.
Ziemia porusza się po eliptycznej orbicie wokółsłonecznej o przeciętnej odległośći 149,6 mln km ze średnią prędkością 29,8 km/s. Obiega Słońce w ciągu 365,2564 dni. Obraca się wokół własnej osi z okresem 23 godz. 56 min 22,10 s (tzw. doba gwiazdowa.).
Następstwem obrotu Ziemi jest noc i dzień. Oś obrotu Ziemi nachylona jest pod kątem 6633' względem płaszczyzny orbity, czego rezultat stanowi zjawisko pór roku.
Posiada ona względnie grubą atmosferę gazową (atmosfera ziemska) i magnetosferę (magnetyzm ziemski). Ma jednego satelitę naturalnego (Księżyc).
Cechą wyróżniającą Ziemię jest występowanie na niej życia.
Powierzchnia lądów jest silnie zróżnicowana na skutek oddziaływania różnych czynników, m.in.: wzniesienia nad poziom morza ( wysokościowa struktura powierzchni Ziemi), różnej ilości energii słonecznej na różnych szerokościach geograficznych, powodującej powstawanie zjawiska strefowości, zróżnicowanej odległości różnych punktów lądów od mórz i oceanów, występowania różnych rodzajów skał, a także oddziaływania człowieka.
Badaniem Ziemi zajmują się różne nauki m.in.: astronomia, geologia, geografia, geofizyka, geochemia.
Wiek Ziemi wynosi ok. 4,5 mld lat.
Czwarta planeta wg oddalenia od Słońca planeta Układu Słonecznego, ze względu na czerwony kolor została nazwana imieniem boga wojny Mars.
Elementy orbity: półoś wielka 227,9 mln km, mimośród 0,09338, nachylenie płaszczyzny orbity względem ekliptyki 150’59". Okres obiegu wokół Słońca 686,738 dni ziemskich. Okres obrotu wokł własnej osi wynosi 24h37m22s,7. Promień równikowy planety wynosi 3400 km, a jej masa 6,423*1023 kg.
Nachylenie równika do płaszczyzny orbity wynosi 2512’, co sprawia, że na Marsie występują pory roku podobne do ziemskich.. Mars jest najjaśniejszym - po Słońcu, Księżycu i Wenus - obiektem na niebie.
Na powierzchni Marsa obserwuje się bardzo wiele kraterów, w większości prawdopodobnie pochodzenia meteorytowego. Powierzchnia Marsa nie jest jednolita. Widoczne są na niej miejsca ciemne, zwane morzami, oraz jaśniejsze - lądy. Zarówno jedne, jak i drugie są obszarami stałej powierzchni planety o odmiennych właściwościach, odbijającymi promienie słoneczne. Na powierzchni planety znajduje się ogromny kanion (Valles Marineris), ma on długość 4500 kilometrów i głębokość prawie siedmiu kilometrów. Nazwy lądów i mórz na Marsie wzięto z mitologii.
Atmosfera Marsa jest znacznie bardziej rozrzedzona niż ziemska. Ciśnienie u jej podstawy jest rzędu 10 milibarów. Składa się głównie z dwutlenku węgla, w mniejszych ilościach zawiera tlenek węgla i parę wodną, a także azot, argon i in. gazy. Na Marsie obserwowane są często zawieje pyłowe, świadczące o silnych wiatrach w atmosferze oraz o tym, że przynajmniej część powierzchni Marsa jest pokryta pyłem.
Temperatura na powierzchni Marsa ulega silnym wahaniom, zarówno w okresie roku marsjańskiego, jak i doby. W ciągu doby temperatura rośnie od ok. 180K o wschodzie Słońca do ok. 300K w godzinę po południu. Amplituda wahań rocznych w okolicach biegunów wynosi ok. 70K. Charakterystycznymi szczegółami tarczy Marsa są tworzące się na przemian wokół biegunów (w czasie zimy) tzw. „czapy polarne”. Są to prawdopodobnie obszary pokryte szronem zamarzniętego dwutlenku węgla.
Nie wykryto mierzalnego pola magnetycznego ani pasów radiacji wokół planety. Mars ma 2 satelity - Phobos i Deimos. W 1877 G.V. Schiaparelli zauważył na powierzchni Marsa ciemne linie, nazwane kanałami. Wielu astronomów na przełomie XIX i XX w. uważało, iż kanały na Marsie są wynikiem świadomej działalności istot rozumnych. Obecnie wiadomo, iż wrażenie kanałów jest wynikiem złudzenia optycznego - podświadomego łączenia wielu niedużych, ciemniejszych plamek na tarczy Marsa w regularne linie.
Warunki fizyczne panujące na Marsie są spośród wszystkich planet najbardziej zbliżone do ziemskich. Dlatego właśnie tam poszukiwano przejawów życia.

Piątą planetą wg oddalenia od Słońca, jest Jowisz. Jako największa planeta Układu Słonecznego, otrzymała imię najważniejszego boga w mitologii greckiej, ojca pozostałych bogów i bogiń.
Elementy orbity: półoś wielka 778,4 mln km, mimośród 0,04812, nachylenie płaszczyzny orbity względem ekliptyki;- 118’21”. Okres obiegu wokół Słońca 11 lat 315 dni. Promień równikowy planety 71 400 km, spłaszczenie 0,061, masa 1,90*1027 kg. Obrót planety jest niejednorodny: szybszy na równiku (okres 9h51m), wolniejszy w okolicach biegunów (9h56m), co świadczy o tym, iż widoczna jest jedynie atmosfera planety. Nachylenie równika do płaszczyzny orbity 31’. Temperatura strony zwróconej ku Słońcu ok. 140-150K.
Jowisz ma rozległą, nieprzezroczystą atmosferę, złożoną przede wszystkim z wodoru dwuatomowego (wodór), helu, metanu i amoniaku. W atmosferze Jowisza widoczne są przez teleskopy ciemne smugi i plamy, układające się równolegle do równika, zmieniające swój kształt.
Charakterystyczna dla Jowisza jest duża tzw. czerwona plama w okolicach równika. Jowisz ma 17 satelitów(5 największych to: Amalthea, Io, Europa, Ganimedes, Callisto, najmniejszym jest, odkryty w 1999 roku, S/1999 J 1 mający 5 km średnicy). Na powierzchni niektórych są widoczne przez teleskopy ciemne plamy. Niektóre mają atmosfery.
Odkrycie w 1610 przez Galileusza i niezależnie przez G. Mariusa pierwszych czterech satelitów Jowisza miało doniosłe znaczenie dla rozwoju teorii heliocentrycznej: ich ruch wokół Jowisza stanowił model ruchu planet wokół Słońca.
W 1676, na podstawie obserwacji zaćmień satelitów Jowisza, O. Rmer po raz pierwszy wyznaczył prędkość światła.

Pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza po orbitach eliptycznych wokół Słońca, krążą niewielkie ciała niebieskie Planetoidy. Są one mniejsze od planet. Planetoidy zbudowane są ze skał, świecą odbitym światłem słonecznym. Pierwszą planetoidę, Ceres, odkrył w 1801 J. Piazzi.
Obecnie znanych ich jest kilka tysięcy. Najsłynniejsze z nich to planetoidy duże: wspomniana już Ceres (średnica 768 km), Pallas (489 km), Westa (385 km), Juno (193 km) oraz planetoidy okresowo zbliżające się do Ziemi: Ikar, Amor, Eros. Na uwagę zasługują również planetoidy tworzące grupę Trojańczyków - krążą one wokół Słońca w odległości równej odległości Jowisza, spełniając zarazem szczególne rozwiązanie zagadnienia trzech ciał.
Przypuszcza się, że w Układzie Słonecznym istnieje w sumie kilkadziesiąt tysięcy planetoid.

Drugą pod względem wielkości, a szóstą w kolejności od Słońca planetą Układu Słonecznego, jest Saturn. Jest to ostatnia z planet znanych w starożytności. Widoczna jako obiekt o żółtawej barwie. Ma co najmniej 20 księżyców: Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Titan, Hyperion, Iapetus, Phoebe, Janus, Epimetheus, Dione, Telesto, Calypso, Atlas, Prometheus, Pandora oraz kolejne o tymczasowych kodowych nazwach zawierających rok odkrycia, S, nr kolejny dla danego roku..
Otacza go odkryty przez Ch. Huygensa układ kilkuset współpłaszczyznowych pierścieni o złożonej strukturze, których średnica zewnętrzna wynosi ok. 280 000 km, a grubość ok. 5 km - pierwsze elementy struktury pierścieni (tzw. przerwy Cassiniego) dostrzegł G.D Cassini.
Średnia odległość Saturna od Słońca: 1427 mln km. Orbita o mimośrodzie 0,0556 nachylona jest pod kątem 229' względem płaszczyzny orbity Ziemi. Okres obiegu: 29,46 lat. Masa: 95,17 mas Ziemi. Średnia gęstość: 0,687 g/cm3. Przyspieszenie grawitacyjne: 9,31 m/s2. Średnica równikowa: 120 540 km. Krótki (10 godzin 39 min) okres obrotu wokół osi powoduje duże spłaszczenie globu wynoszące 10%. Oś obrotu nachylona jest pod kątem 65 do płaszczyzny ekliptyki.
Budowa Saturna przypomina budowę Jowisza: najprawdopodobniej stałe jądro otoczone jest przez rozległą atmosferą zbudowaną z wodoru, helu, metanu i amoniaku. Temperatura górnych warstw atmosfery: ok. 110 K. Saturn posiada słabe pole magnetyczne.

Uran, Siódmą planetę Układu Słonecznego odkrył przypadkowo 13 marca 1781 W. Herschel.
Jest słabo widoczna jako obiekt o zielonkawoniebieskim kolorze. Ma 7 satelitów ( księżyców) i pierścień, stanowiący w rzeczywistości układ 10 pierścieni. Średnia odległość Uranu od Słońca wynosi 2869 mln km, orbita wyraźnie eliptyczna (mimośród 0,0473), okres obiegu 84,01 lat. Masa Uranu równa jest 14,54 masy Ziemi, średnia gęstość 1,160 g/cm3, przyspieszenie grawitacyjne 8,46 m/s2. Średnica równikowa planety wynosi 52 900 km. Stosunkowo krótki (10 godz. 49 min) okres obrotu wokół osi powoduje względnie duże spłaszczenie globu wynoszące 7%, oś obrotu nachylona jest pod kątem 848' do płaszczyzny orbity.
Budowa Uranu przypomina budowę Jowisza i Saturna. Ma jądro zawierające 24% masy, 65% masy stanowi otaczający je płaszcz z zestalonych: amoniaku, metanu i wody, a 11% - rozległa atmosfera składająca się z wodoru, helu, metanu i amoniaku. Temperatura dolnych warstw atmosfery 85-200 K, ciśnienie osiąga 10 000 atmosfer. Uran posiada pole magnetyczne.
Neptun, jest ósmą wg oddalenia od Słońca planetą Układu Słonecznego. Elementy orbity: półoś wielka 4,52*109 km, mimośród 0,004, nachylenie płaszczyzny orbity względem ekliptyki 146’20''. Okres obiegu wokół Słońca 164,78 lat ziemskich. Okres obrotu 15h40m. Promień równikowy planety 24 300 km, nachylenie równika względem ekliptyki ok. 29, masa 1,031*1026 kg. Temperatura półsfery zwróconej ku Słońcu ok. -165C (ok. 110 K).
Neptun jest widoczny przez teleskop jako maleńka tarcza, o jasności. Pod względem właściwości fizycznych jest podobny do Urana. W atmosferze Neptuna stwierdzono obecność głównie metanu. Neptun został odkryty w 1846 przez J.G. Gallego na podstawie obliczeń dokonanych przez U.J.J. Leverriera opartych na analizie nieprawidłowości obiegu Urana. Neptun ma dwa satelity: Trytona i Nereidę.
W 1930 amerykański astronom C. Tombaugh na podstawie obliczeń i przypuszczeń innych astronomów odkrył w obserwatorium w Lowell Observatory, dziewiątą, najmniejszą planetę Układu Słonecznego Plutona. Jest on oddalony od Słońca średnio o 39,529 jednostek astronomicznych (5914 mln km), jego orbita ma największe z planet nachylenie względem płaszczyzny ekliptyki (1708') i jest silnie ekscentryczna (mimośród równy 0,2534. Peryhelium leży wewnątrz orbity Neptuna). Okres obiegu wokół Słońca: 248,54 lat zwrotnikowych, okres obrotu wokół własnej osi: 6,387 dnia ziemskiego.
Średnica równa jest 2320 km (tj. ok. 2/3 średnicy Księżyca), masa Plutona stanowi 0,00258 masy Ziemi, średnia gęstość: 1,97 g/cm3. Przyspieszenie grawitacyjne: 0,65 m/s2. Temperatura powierzchni: ok. 45 K. Powierzchnię tworzy najprawdopodobniej gruba na ok. 50 km warstwa zestalonego metanu.
W 1978 amerykański astronom J. Christy odkrył księżyc Plutona: Charon o średnicy ok. 600 km, średnia odległość od środka planety: 16,9 tys. km, okres obiegu równy z okresowi obrotu Plutona wokół własnej osi, powierzchnia satelity pokryta jest lodem wodnym.

W naszym układzie planetarnym istnieją dwie grupy ciał niebieskich. Do pierwszej grupy należą Słońce, planety i księżyce, czyli ciała, których forma i masa są stałe. Poruszają się one poswych niezmiennych orbitach i wiadomo gdzie je można odnaleźć. Druga grupa składa się z przypadkowych przechodniów: komet i meteorów. Nie wiadomo dokładnie czy są one stale związane z układem słonecznym, czy przybywają z dalekiego Kosmosu. Istnieje hipoteza, że w dużej odległości od Słońca, lecz ciągle w zasięgu jego oddziaływania grawitacyjnego, znajduje się obłok materii, stanowiący źródło komet. Komety to niewielkie ciała niebieskie, poruszające się po wydłużonych elipsach, czasem nieodróżnialnych od parabol. Prędkość ciała obiegającego Słońce po takiej wydłużonej orbicie wyraźnie zmienia się. Gdy kometa zbliża się do naszej gwiazdy jego prędkość rośnie.
Daleko od Słońca kometa jest bryłą pyłowo-lodową o rozmiarach rzędu od jednego do kilkudziesięciu km, po zbliżeniu się do Słońca substancje lotne parują lub sublimują z powierzchni i pojawia się gazowa głowa (o średnicy rzędu kilkudziesięciu tysięcy kilometrów) oraz warkocz komety. Warkocz komety to odchylony i częściowo porwany przez wiatr Słoneczny obłok rozrzedzonego gazu rozciągający się na odległości wynoszące miliony kilometrów. Gęstość materii w warkoczu komety jest niewiele wyższa od otaczającej przestrzeni.
Pozostałościami po kometach są meteory. Są to niewielkie odłamki skalne, które powstają po ich rozpadzie. Meteory poruszają się po orbitach , po których pierwotnie poruszały się komety z których meteory powstały. Są widoczne na naszym niebie dopiero wtedy, gdy dostaną się do atmosfery ziemskiej. Na wskutek tarcia bardzo silnie rozgrzewają się i najczęściej spalają zanim spadną na powierzchnię naszej planety. Widzimy je wtedy jako „spadające gwiazdy”.

Planety, księżyce , komety i meteory to tylko niewielka część obiektów kosmicznych, które można dostrzec na niebie w pogodną noc. Poza Układem Słonecznym istnieją również inne ciekawe elementy naszego Wszechświata. Niektóre z nich ciągle chowają swoje tajemnice przed astronomami. Dlatego astronomia jest nauką wciąż rozwijającą się, w której pewne zjawiska wciąż zaskakują i fascynują uczonych z całego świata..

LITERATURA:
1. „Wszechświat, ty i ja” – Fritz Kahn.
2. Nowa Encyklopedia Powszechna” PWN
3. „Fizyka z astronomią” - Jadwiga Salach, Barbara Sagnowska, Jerzy M. Kreiner.
4. „Fizyka i astronomia dla gimnazjum” – G. Francuz-Ornat, T. Kulawik, M. Nowotny-Różańska