Что такое околоземная орбита и в чем ее польза для человечества

Уран

Уран является третьей по размеру планетой в солнечной системе и седьмой по счету от Солнца. Он имеет диаметр 50 724 км. Его также называют «ледяной планетой», так как температура на его поверхности составляет -224 градусов. Сутки на Уране длятся 17 часов, а год — 84 земных года. При этом лето длится столько же, сколько и зима — 42 года. Такое природное явление связано с тем, что ось той планеты расположена под углом в 90 градусов к орбите и получается, что Уран как бы «лежит на боку».

1. Уран расположен на седьмой орбите от Солнца;
2. Первым кто узнал о существовании Урана стал Уильям Гершель в 1781 году;
3. Уран посетил только один космический аппарат — Voyager 2 в 1982 году;
4. Уран является самой холодной планетой в Солнечной системе;
5. Плоскость экватора Урана наклонена к плоскости его орбиты практически под прямым углом — то есть планета вращается ретроградно, «лёжа на боку слегка вниз головой»;
6. Луны Урана носят названия взятые из произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа, а не греческой или римской мифологии;
7. Сутки на Уране длятся около 17 земных часов;
8. Вокруг Урана расположено 13 известных колец;
9. Один год на Уране длится 84 земных года;
10. Вокруг Урана вращается 27 известных естественных спутника;

Происхождение

Первые версии о происхождении главного стали появляться в 1802 г., когда и были обнаружены первые объекты, относящиеся к нему. Тогда Г. Ольберс предположил, что они являются осколками планеты Фаэтон, которая погибла из-за какого-то космического катаклизма. Эта теория подтверждалась правилом Тициуса–Боде, утверждавшим, что между Марсом и Юпитером должна существовать ещё одна планета.

В дальнейшем выяснилось, что масса вещества в главном поясе меньше массы Луны в 25 раз. Такой массы явно недостаточно для формирования планеты. Современная гипотеза предполагает, что главный пояс возник из-за мощной гравитации Юпитера. Когда в Солнечной системе только начинался процесс синтеза планет, на некоторых орбитах постепенно формировались всё более крупные тела – планетезимали. Именно они, соединившись, и формировали планеты.

Однако зародыш Юпитера формировался быстрее, чем планетезимали в районе главного пояса. В какой-то момент гравитация Юпитера стала препятствовать объединению планетезималей в единую планету, ведь она разгоняла их. Дело в том, что, что при столкновении планетезималей с малой скоростью (до 0,5 км/с) они «слипаются», то есть объединяются в одно целое. Если же скорость столкновения значительно выше, то при ударе планетезимали разваливаются на куски. Именно разгон планетезималей гравитацией Юпитера и привел к формированию главного пояса.

Разрушение планетезималей началось где-то 4-4,5 млрд лет назад. С тех пор большая часть вещества, находившаяся в главном поясе, покинула его. Считается, что сегодня в главном поясе располагается лишь тысячная доля того вещества, изначально там располагавшегося. Это значит, что на данной орбите могла сформироваться полноценная планета, по размерам близкая к Земле.

Атмосфера

Из-за слабой гравитации атмосфера на Церере крайне разреженная, которая то исчезает, то появляется вновь. В основном она состоит из водяного пара. Цикличность в появлении атмосферы связаны с интенсивностью солнечного излучения, падающего на Цереру. Когда карликовая планета находится близко к Солнцу, то ее поверхность сильнее разогревается, происходит испарение льда, а точнее говоря – его сублимация, то есть переход вещества из твердого состояния сразу в газообразное, минуя стадию жидкости. В результате появляется атмосфера. Когда же Церера удаляется от Солнца, то она остывает, процесс сублимации останавливается, и атмосфера исчезает.

Изучение Солнечной системы

Долгое время человечество было убеждено, что все звёзды и планеты вращаются вокруг Земли. Система мира с неподвижной Землёй в центре была разработана греческим учёным Птолемеем во 2 веке до нашей эры и просуществовала более полутора тысяч лет. 

В 1453 году польский астроном Николай Коперник доказал, что Земля, как и другие планеты (на тот момент их было известно шесть), вращаются вокруг Солнца. Однако вплоть до XVII века церковь считала это учение ересью и боролась с его последователями. 

Одним из них был итальянский монах Джордано Бруно. В 1584 году он опубликовал исследование, в котором утверждал, что Вселенная бесконечна, а Солнце подобно остальным звёздам, просто находится гораздо ближе к Земле. Бруно был схвачен инквизицией и приговорён к сожжению на костре как еретик. 

Другим последователем Коперника стал итальянский учёный Галилео Галилей. Он создал первый телескоп, который позволил увидеть кратеры Луны, пятна на Солнце, открыть четыре спутника Юпитера и установить, что планеты вращаются вокруг своей оси. Чтобы не повторить судьбу Бруно, Галилей был вынужден отречься от своих идей.

В XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер открыл законы движения планет — ему удалось установить связь между скоростью вращения планеты и её расстоянием от Солнца. Его идеи воспринял знаменитый английский физик Исаак Ньютон, создатель теории всемирного тяготения. 

В XVIII—XIX веках открытия в области оптики позволили создать более мощные телескопы, которые позволили учёным узнать больше о солнечной системе. Были открыты планеты Уран и Нептун. 

В 1951 году Советский Союз вывел на орбиту Земли первый искусственный спутник. С этого момента началась Космическая эра — эпоха практического изучения солнечной системы. 

В 1961 году Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшем в космосе, а в 1969 году космический корабль «Аполлон-11» доставил людей на Луну. 

В 1970-х годах Советский Союз и США запустили несколько десятков аппаратов для исследования Марса, Венеры и Меркурия, а запущенные в 1980-х аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили получить данные о дальних планетах — Юпитере, Сатурне, Уране, Нептуне и их спутниках. Большую роль в изучении солнечной системы сыграл вывод на орбиту Земли космического телескопа «Хаббл» в 1990 году. 

В нынешнем десятилетии космические агентства разных стран планируют пилотируемый полёт на Марс. Экспедиция на другую планету станет величайшим событием в истории освоения солнечной системы. И всё же пока человечество находится в самом начале пути изучения космоса.

Размер и масса карликовых планет

В перечень объектов данного спектра входят 5 карликовых планет: Хаумеа, Макемаке, Эрида, Церера, Плутон (ранее его причисляли к планетам). Но учёные предполагают, что их гораздо больше. Существует группа претендентов. К ним относится, например, Седна.

Изучать данные космические объекты трудно, поскольку они находятся на значительном расстоянии от Солнца. Почти все «карлики» сосредоточены в поясе Койпера. Только Церера – между Марсом и Юпитером в скоплении астероидов. Сейчас их исследование стало возможным благодаря мощным оптическим системам, которые есть у NASA и других организаций, реализующих космические программы.

Эксперты MAC считают, что карликовое небесное тело должно обладать размерами не меньше 800 км в диаметре и массой более 5⋅1020кг. Параметры каждого объекта обозначены в таблице:

Массу Макемаке определяют приблизительно, так как при ней нет спутников. По предположениям учёных, Макемаке весит 3⋅1021 кг, или 0,05 % от массы Земли.

Классификация

Главным образом, их разделяют на группы и семейства. Первые это объединения рассеянные и свободные, а вторые более плотные.

В частности, у Юпитера известны две группы: Греки, опережающие планету на 60 градусов, и Троянцы, отстающие на 60 градусов.

По большей части, астероиды из семейств вращаются и расположены между орбитами Марса и Юпитера. Хотя существуют семьи и вдалеке от этой области. Например, Транснептуновое семейство в поясе Койпера. Кроме того, орбита астероида Паллада и его собратьев из-за большого наклона удалены от главного пояса.

Орбита астероида Паллада

При этом группы, которые движутся вокруг Солнца по орбите планеты Юпитер, редко пересекают её. Более того, в некоторых местах имеются, так сказать, пробелы — там нет астероидов. Они называются люки Кирквуда, в честь открывшего их астронома.

Некоторые астероидные объекты редко сближаются с Юпитером. Они вообще избегают такие столкновения и находятся в резонансе с планетой. Так, у групп главного пояса чаще всего он составляет 1:1. Таким образом, двигаясь в соотношении с планетным периодом обращения, они сохраняют свои орбитальные периоды.

Более того, они могут двигаться в резонансе одновременно с несколькими планетами. Судя по всему, благодаря этому гравитационное поле не затягивает астероиды, а лишь удерживает, что продлевает их существование.

Люки Кирквуда

Что интересно, пути «малых планет» как бы защищают их от сильного воздействия сил притяжения больших планет. сноска

Не стоит забывать, что многие располагаются вне главного пояса. По теории любую планету могут сопровождать малые тела. В свою очередь, иногда они обладают своими спутниками.

Сейчас особый интерес вызывают орбиты околоземных астероидов. Поскольку они подходят очень близко к нашей планете, и могут представлять опасность для нас. Ведь любой космический элемент, расположенный возле Земли, является потенциальной угрозой.

Между прочим, зафиксированы три таких семейства:

1. 1221 Амур — орбита в перигелии почти соприкасается с Землёй;
2. 1862 Аполлон — орбитальная часть в состоянии перигелия заходит в земную орбиту;
3. 2962 Атон — пересекают орбиту Земли.

Орбиты околоземных астероидов

Для того, чтобы более точно узнать про орбиты и движение астероидов, до сих пор проводятся научные исследования. Безусловно, наш космос очень просторный. К счастью, пока даже космические корабли не сталкивались с малыми планетами. Но есть опасения встретиться с крупным небесным камнем. Тут не поспоришь, что работы по отслеживанию и устранению такой опасности очень важны и необходимы.

Расстояние от Солнца до Земли

Этот параметр зависит от точки нахождения нашей планеты в пространстве. Расстояние равно:

• в перигелии (ближайшей точке к Солнцу) — 147,1 млн км;
• в афелии (самой удаленной от светила позиции, называемой также апогелием) — 152,1 млн км.

Для приблизительных расчетов принято среднее значение удаленности (орбитальной полуоси) — 149,6 млн. км. Эта величина является основной мерой измерения расстояний в космосе — 1 астрономической единицей (а.е.). С ее помощью определять длину чего угодно в космическом пространстве проще, чем высчитывать абсолютные значения.
Среднее расстояние от Земли до Солнца равняется 0,000004848 парсеков, или примерно 150 млн км. Credit: telegramfor.me. 

Эта мера была принята еще в Средние века, но поначалу не имела никакого численного значения — все линейные расстояния выражались в условной дистанции между Землей и Солнцем. Только в 1672 г. европейский ученый Дж. Кассини впервые оценил орбитальный радиус Земли в 140 млн км. Это значение было уточнено только советскими астрономами в 1961 г. Полученное ими значение — 149,5993 млн км с погрешностью +/- 2000 км.

Точку перигелия наша планета проходит в промежутке с 2 до 5 января каждого года. И хотя солнечного тепла на поверхность планеты в этот период попадает больше, в северном полушарии в это время длится зима. В афелии Земля оказывается между 3 и 7 июля, минимум света и тепла от центральной звезды не мешает продолжаться лету во всех регионах севернее экватора.

Траектория движения планеты вокруг Солнца.Credit: wikiwand.com.

Астероиды и кометы

В чем разница между астероидами и кометами? Астероиды имеют каменный состав. Комета состоит из льда, газа, иногда камня; при подходе к солнцу у кометы появляется облако из пыли и газа, оно носит название кома, становится похожим на шар, за которым тянется хвост. 

Астероиды, чей размер превышает всегда 30 метров (иначе бы они не считались астероидами), в основном, закреплены «территориально» в поясе астероидов. Для Земли, если по каким-то причинам астероид решит покинуть пояс, они опасны из-за неточности раннего обнаружения и отсутствия противоударных систем защиты. На 2020 год известно более 300 тыс. астероидов, однако предположительную опасность столкновения несут лишь три астероида. 

Уже обнаружено более 6,3 тыс. комет. Считается, что кометы в основном находятся в облаке Оорта (160 млрд км от Солнца) — гипотетический источник комет, область в Солнечной системе. Кометы иногда покидают область под воздействием сил гравитации. 

Также выделяется пояс Койпера, он находится за Нептуном. Пояс также служит колыбелью для образования комет. 

Интересные факты

Карликовые планеты Солнечной системы представляют собой тела, о которых учёные уже многое знают. Однако есть ещё неразгаданные тайны. Астрономы считают, что в поясе Койпера достаточно большое количество небесных тел, которые могут быть причислены к статусу «карликов».

Некоторые сведения об этих объектах вызывают любопытство не только у учёных. Здесь лишь немногие из них.

1. Карликовые планеты нельзя увидеть невооружённым глазом, но в телескоп можно обнаружить даже самые далёкие.
2. На Плутоне и Церере есть подлёдный океан, поэтому велика вероятность присутствия на них воды.
3. Существуют гипотетические проекты по колонизации Цереры.
4. У всех «карликов» кроме Цереры есть спутники.
5. Хаумеа быстро вращается вокруг своей оси, всего за 4 земных часа.

Исследователи космического пространства продолжают наблюдать за Солнечной системой и исследовать новые объекты. Совершенно недавно открыты новые транснептуновые тела, которые могут получить статус карликовых планет.

Осевой наклон

Сильнее всего удивляет осевой наклон планеты, который достигает невероятных 97.7°. То есть, выходит, что Уран буквально повален на бок, а ось вращения почти параллельна плоскости системы. Никто не знает точной причины, но это мог быть удар от крупной протопланеты в начале формирования Солнечной системы.

В итоге в период солнцестояния один полюс повернут к звезде без перерыва, а второй остается в тени. Получается, половина планеты на 42 года погружена в день, а вторая – на 42 года в ночь. Подобное можно отметить в нашей Антарктиде, где один день/ночь может охватывать более 24 часов.

Равноденствие отмечается на экваторе, поэтому именно эта линия переживает привычные для нас смены суток.

Какая орбита Земли

По какой же орбите вращается Земля вокруг Солнца? По той же, что и все остальные планеты нашей системы – эллиптической, напоминающей слегка вытянутую окружность. У орбит планет Солнечной системы имеется эксцентриситет – значение, определяющее ее форму. 0 – это идеально ровный круг, а 1 – полноценный эллипс. Эксцентриситет Земли равен 0,0167, то есть ее орбита лишь немного вытянута.

Кроме того, существуют еще два понятия, описывающие самую дальнюю (апоцентр) и самую ближнюю (перицентр) точку орбиты планеты по отношению к звезде. Для Земли эти точки находятся на расстоянии 152 и 147 миллионов километров от Солнца соответственно. Средний радиус орбиты нашей планеты принято считать 150 млн км. Этот отрезок также назвали астрономической единицей и используют его для измерения расстояний в космосе.

Орбита Земли

Движение Земли по орбите поддерживает на ней определенный климат и температуру. Вращение Земли происходит не ровно за 365 суток, а за 365,242199. Таким образом, каждые четыре года у нас становится на один день больше – 29 февраля.

Меркурий

Эта планета является одной из самых маленьких в Солнечной системе, ее диаметр составляет 4 879 км. Кроме того, она ближе всех расположена к Солнцу. Такое соседство предопределило существенную разницу температур. Средняя температура на Меркурии в дневное время составляет +350 градусов Цельсия, а в ночное время —  -170 градусов.

1. Меркурий первая планета от Солнца.
2. На Меркурии нет времен года. Наклон оси планеты практически перпендикулярен к плоскости орбиты планеты вокруг Солнца.
3. Температура на поверхности Меркурия не самая высока, хоть и расположена планета ближе всего к Солнцу. Первое место он уступил Венере.
4. Первый исследовательский аппарат посетивший Меркурий был Mariner 10. Он провел ряд демонстрационных пролетов в 1974 году.
5. День на Меркурии длится 59 земных суток, а год составляет всего 88 суток.
6. На Меркурии наблюдаются самые резкие перепады температуры, которые достигают 610 °С. Днем температура может достигать 430 °С, а ночью -180 °С.
7. Сила тяжести на поверхности планеты составляет всего 38% от Земной. Это означает, что на Меркурии Вы смогли бы подпрыгнуть в три раза выше, и легче было бы поднять тяжелые объекты.
8. Первые наблюдения за Меркурием в телескоп осуществил Галилео Галилей в начале 17 века.
9. У Меркурия нет естественных спутников.
10. Первая официальная карта поверхности Меркурия была опубликована только в 2009 году, благодаря данным полученным с космических аппаратов Mariner 10 и Messenger.

Орбиты планет Солнечной системы

Разумеется, центром нашей системы является Солнце. Собственно, в нём заключена основная масса всей системы. Своей силой тяготения оно притягивает небесные тела.

Солнце

Стоит отметить, значительное количество космических тел в Солнечной системе движутся приблизительно в одной области. Её называют. Другие объекты имеют больший угол наклона по отношению к ней.

Все планеты и многие другие тела вращаются вокруг Солнца против часовой стрелки. Кстати, сама центральная звезда почти все планеты движутся в этом же направлении. Только Венера и Уран имеют противоположное течение.Чем больше удалена планета от Солнца, тем дальше расстояние между орбитами объектов.

Уран (слева) и Венера (справа)

С точки зрения астрономов, небесные тела направляются по эллипсу. Иначе говоря, они движутся по замкнутой кривой на плоскости. В одной из точек эллипса расположено Солнце. Чем ближе объект к нему, тем значительней угловая скорость вращения. Следовательно меньше период обращения. Проще говоря, короче год.

Сезонность

Солнцестояние и равноденствие являются символами начала соответствующих сезонов, а не их серединой. Все потому, что Земле необходимо время для того, чтобы нагреться или охладиться. Таким образом, сезонность отличается соответствующей длиной дневного света. Этот эффект называется сезонной задержкой и варьируется в зависимости от географического положения наблюдателя. Чем дальше человек путешествует от полюсов, тем тенденция отставания меньше.

Во многих североамериканских городах отставание, как правило, около месяца, в результате чего самая холодная погода наступает 21 января, а самая теплая 21 июля. Тем не менее, люди, которые живут в таких широтах, получают удовольствие и в конце августа от теплых летних деньков, надевая легкую одежду и даже выходя на пляж. При этом эта же дата на «другой стороне» летнего солнцестояния, будет соответствовать примерно 10 апрелю. Многие люди останутся лишь в предвосхищении лета.

Орбитальный период Урана

Орбита Урана

В среднем расстояние от Солнца до Урана достигает 2.875 млрд. км. Причем планета способна приближаться на 2.44 млрд. км или отдаляться на 3 млрд. км. Полюбуйтесь на фото Урана от космического телескопа Хаббл. Здесь особенно четко просматривается наклон оси.

Уран, снятый телескопом Хаббл за 4-летний период

Получаем разницу в 269.3 млн. км, что выступает наибольшим показателем для солнечных планет. Средняя орбитальная скорость – 6.8 км/с, а длительность одного прохода – 84.0205 лет.

Но вращение оси занимает лишь 17 часов, 14 минут и 24 секунды. Причем планета испытывает ретроградное вращение (как Венера).

Эксцентриситеты объектов Солнечной Системы

Орбита Седны. В центре координат — Солнечная система, окруженная роем планет и известных объектов пояса Койпера.

В нашей системе орбиты планет ничем не примечательны. Самой «круговой» орбитой обладает Венера. Её афелий всего-лишь на 1,4 млн. км.больше перигелия, а эксцентриситет равен 0,007 (у Земли – 0,016). По довольно вытянутой орбите движется Плутон. Обладая ε = 0,244, он временами приближается к Солнцу даже ближе чем Нептун. Однако, поскольку Плутон не так давно попал в разряд карликовых планет, самую вытянутую орбит среди планет теперь имеет Меркурий, обладающий ε = 0,204.

Среди карликовых планет наиболее примечательна Седна. Обладая ε = 0,86, она делает полный оборот вокруг Солнца почти за 12 тысяч лет, удаляясь от неё в афелии более чем на тысячу астрономический единиц. Однако даже это несравнимо с параметрами орбит долгопериодических комет. Периоды их обращения порой исчисляются миллионами лет, а многих из них и вовсе никогда не вернутся к Солнцу – т.е. обладают эксцентриситетом, большем 1. Облако Оорта может содержать триллионы комет, удалённых от Солнца на 50-100 тысяч астрономических единиц (0,5 – 1 световых лет). На таких расстояниях на нихмогут влиять другие звёзды и галактические приливные силы. Поэтому такие кометы могут обладать очень непредсказуемыми и непостоянными орбитами с самими различными эксцентриситетами.

Наконец, самым интересным является то, что даже Солнце обладает совсем ни круговой орбитой, как это может показаться на первый взгляд. Как известно, Солнце движется вокруг центра Галактики, проделывая свой путь за 223 млн. лет. Причём, из-за бесчисленного взаимодействия со звездами она получила довольно ощутимый эксцентриситет, равный 0,36.

Анализ имеющегося материала

Проведём анализ в соответствии с составом предмета исследований (гл. 3).

§ 4.1. Взаимосвязь периодов и радиусов орбит в законах Кеплера

Третий закон Кеплера (гармонический закон) :

T₁2/T₂2 = a₁3/a₂3,
или с учетом поправки Ньютона:
T₁2 (M + m₁) / T₂2 (M + m₂) =
a₁3 / a₂3,

где T₁ и T₂ — периоды обращения двух планет вокруг Солнца,
a₁ и a₂ — длины больших полуосей их орбит,
m₁ и m₂ — массы планет, M — масса Солнца.

Отсюда видим, что если разница расстояний 1,5, то у орбит разница периодов будет примерно 2 (1,53 = 3,375; √3,375 ~ 1,84);
если 2 — то примерно 3 (23 = 8; √8 ~ 2,83).
И наоборот: если разница периодов орбит 2, то расстояние от одной планеты до другой будет больше примерно в 1,6 раз
(корень кубический из 4), а если год планеты в 3 раза больше, то она будет примерно в 2 раза дальше (куб. корень из 9).

§ 4.2. Исключения из закона Тициуса-Боде и возможные причины

Из табл. 1 видно, что на расчётном месте Нептуна находится Плутон.
Почему из ПТБ выпали Нептун и Плутон?
Логично сделать вывод, что первый там и был, а потом сместился на середину расстояния от старой орбиты к Урану.
До сих пор Плутон имеет сильно вытянутую орбиту и в перигелии пересекает орбиту Нептуна.
Возможно, раньше он был его спутником или сместился из Пояса Койпера.

Что послужило причиной таких перемещений?
Скорее всего, прохождение массивного космического объекта перпендикулярно плоскости эклиптики.
На это также указывает положение вращения Урана на боку.

Т.е., 3 аномалии (орбита Нептуна, орбита Плутона, поворот Урана) можно объяснить одним событием, хоть м звучит это невероятно.

Видимо, сам Пояс Койпера сформирован как раз Нептуном — разумеется, до этого гипотетического события.
Плутон был объектом этого пояса и, если он был отдельной планетой, то ему место — в 80 астрономических единиц от Солнца,
как ряду других транснептуновских планет, например, 2012 VP113.

§ 4.3. Резонансный характер правила Тициуса-Боде

По существу, ПТД выражает геометрическую прогрессию: 0; 3; 6; 12; 24; 48 и т.д.
Если к каждому члену этой прогрессии прибавить 4, а полученную сумму разделить на 10,
то получается последовательность, числа которой с определенной погрешностью выражают
средние расстояния планет от Солнца в астрономических единицах.

Начиная с Юпитера, «довесок» 0,4 приобретает 10%-ную погрешность и орбиты следующих планет просто удваиваются.
При этом, согласно 3-му (гармоническому) закону Кеплера, соотношения орбитальных периодов
становятся близки к резонансу 1:3 и ПТД приобретает резонансный характер:

T₁2 / T₂2 = a₁3 / a₂3 =>
T₂2 = T₁2 × a₂3 / a₁3 =>
T₂ = T₁ × √(a₂3 / a₁3),

Вулкан

И начались наблюдения и поиски Вулкана. Некоторые солнечные пятна были приняты за новую планету, другие наблюдения более известных астрономов казались более правдоподобными. Когда в 1877 году ле Верьер умер, он верил, что существование Вулкана было или будет подтверждено. Но в 1915 году появилась общая теория относительности Эйнштейна, которая точно предсказала движения Меркурия. Планета Вулкан больше не была нужна, но люди продолжали ее поиски. Конечно, внутри орбиты Меркурия нет ничего размером с планету, но там могли быть астероидоподобные объекты, так называемые «вулканоиды».