Космическое тело движущееся по своей орбите вокруг солнца

С астрономией на «ты». 5-7 классы

Малые тела Солнечной системы

Простейшая классификация тел в Солнечной системе такова:

К малым телам Солнечной системы относят космические тела, которые не являются ни планетами, ни карликовыми планетами, ни их спутниками. Это кометы, астероиды, кентавры, дамоклоиды, метеорные тела, межпланетный газ и пыль. Их общая масса ничтожна по сравнению с большими планетами, не говоря уже о Солнце.

Астероид (термин «астероид» ввёл Уильям Гершель; «астероид» означает «звездоподобный»; в поле зрения телескопа выглядит как звёздочка) — относительно небольшое космическое тело, входящее в состав Солнечной системы и движущееся по орбите вокруг Солнца. Астероиды значительно уступают по массе планетам, имеют неправильную форму и не обладают атмосферой. У астероидов могут иметься спутники (например, астероид Ида и её спутник Дактиль). До 2006 г. астероиды называли также малыми планетами. Сегодня термин «малая планета» не используется.

Первый астероид (его назвали Церерой) был открыт 1 января 1801 г. итальянским астрономом Джузеппе Пьяцци. До этого никто и не подозревал о существовании астероидов. Диаметр Цереры около 950 км. Некоторое время Цереру считали полноценной планетой, потом присвоили статус астероида. С 24 августа 2006 года Цереру стали относить к карликовым планетам.

Второй открытый астероид (1802 г.) назвали Палладой. Первым астероидам присваивали имена в честь греческих и римских богинь.

К концу 2011 года было известно около 85 000 000 астероидов, свыше 560 000 из них были присвоены официальные номера и точно определены параметры их орбит. Большинство известных сегодня астероидов сосредоточено в так называемом главном поясе астероидов, расположенном между орбитами Марса и Юпитера:

Церера — самый крупный объект в этом поясе, хотя к астероидам теперь не относится. Крупнейшими астероидами являются Веста и Паллада (диаметры около 500 км). Веста — единственный астероид, который иногда можно заметить невооружённым глазом на звёздном небе на пределе возможностей человеческого зрения.

Астероиды объединяют в группы и семейства на основании характеристик их орбит. Группы астероидов — достаточно свободные образования, тогда как семейства — более плотные сборища (образовались в результате разрушения крупных астероидов). Крупные семейства астероидов могут содержать сотни крупных и сотни тысяч мелких астероидов. У астероидов в семействе сходны формы орбит, примерно одинаковы наибольшие и наименьшие расстояния от Солнца, периоды обращения вокруг него. На данный момент известно около 25 семейств астероидов. Например, семейство Эвномии, семейство Флоры, семейство Весты, семейство Фемиды.

Существуют астероиды, которые движутся по тем же орбитам, что и большие планеты Солнечной системы. Эти группы астероидов образуют равносторонние треугольники с планетой и Солнцем. Одна группа опережает планету, другая — следует за планетой на таком же расстоянии. Эти группы астероидов названы троянцами (одна из групп троянских астероидов Юпитера названа греками — в честь греков — участникой Троянской войны):

Эти группы не распадаются и стабильно движутся по орбите планеты («астероиды-пленники»). Свои троянцы имеются у Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. В 2010 году был обнаружен первый троянский астероид и у Земли (диаметр около 300 метров).

Поверхность крупных астероидов покрыта кратерами, пылью и щебнем, а мелких астероидов — только пылью и щебнем.

Чем больше и тяжелее астероид, тем большую опасность он представляет, однако и обнаружить его в этом случае гораздо легче. Наиболее опасным на данный момент считается астероид Апофис , диаметром около 300 м, при столкновении с которым в случае точного попадания может быть уничтожен большой город, однако никакой угрозы человечеству в целом такое столкновение не несёт. Представлять глобальную опасность могут астероиды более 10 км в поперечнике. Все астероиды такого размера известны астрономам и находятся на орбитах, которые не могут привести к столкновению с Землёй. В настоящий момент не существует астероидов, которые могли бы угрожать Земле.

В 1992 г. был открыт второй астероидный пояс за орбитой Нептуна, получивший название пояс Койпера. Он примерно в 20 раз шире и во много раз массивнее главного пояса астероидов. Объекты пояса Койпера, в отличие от астероидов главного пояса, состоят в основном из смёрзшихся летучих веществ — водяного, метанового и аммиачного льдов. Сейчас открыто более тысячи объектов пояса Койпера (там может быть несколько десятков тысяч объектов диаметром более 100 км). Крупнейшие из них: Квавар (1100 км), Орк (950 км), Иксион (800 км). В этой же области пространства движутся многие карликовые планеты (например, Плутон, Эрида, Седна ).

Космическое тело диаметром менее 100 метров относят к метеороидам или метеорным телам. Метеороид — твёрдое космическое тело, промежуточное по размеру между астероидом и межпланетной пылью. Мелкие метеорные тела (несколько миллиметров в поперечнике), вторгаясь на большой скорости (11-72 км/с) в верхние слои атмосферы Земли, из-за трения о воздух нагреваются и сгорают. Явление вспышки и горения метеорного тела, видимое с поверхности Земли, называется метеором. Обычно за ночь можно увидеть 3-5 метеоров в разных частях небосвода. Такие метеоры называют спорадическими. Но иногда количество метеоров возрастает, и кажется, будто они вылетают из определённой области неба. Если продолжить видимые пути метеоров, то они пересекутся приблизительно в одной точке — радианте. Тогда принято говорить об активности определённого метеорного потока.

Метеорный поток — это небесное явление, являющееся следствием прохождения Земли через рой метеорных тел, который представляет собой облако из мелких твёрдых частичек — остатков разрушившихся или разрушающихся комет. Метеорные рои, как и породившие их кометы, обращаются вокруг Солнца по орбитам. Земля в одни и те же даты года проходит через одни и те же метеорные рои. Известно 20-30 метеорных роёв и, соответственно, столько же метеорных потоков. В августе наблюдается метеорный поток, радиант которого находится в созвездии Персея. Это знаменитые Персеиды.

Комета — это небольшое ледяное космическое тело, обращающеся вокруг Солнца по сильно вытянутой орбите. Комета имеет ядро, состоящее из обычного водяного льда с примесью замерзших газов — углекислого (CO₂) и метана (СН₄), а также мелких твёрдых частичек (они-то и становятся потом метеорами). Ядра комет имеют от нескольких километров до десятков километров в поперечнике. Ядра окружены комой — туманной оболочкой из газов и пыли. Вдали от Солнца кометы не имеют хвостов, но по мере приближения к светилу испарение газов из ядра и освобождение твёрдых частиц усиливается, кома увеличивается. Солнечный ветер относит её в сторону, образуется хвост. Чем ближе комета подходит к Солнцу, тем длиннее становится хвост, достигая иногда десятков миллионов километров. Хвост кометы направлен в противоположную от Солнца сторону. Известный русский учёный-астроном Ф.А. Бредихин разработал теорию хвостов и форм комет. Он предложил делить кометные хвосты на три типа:

• узкое и прямые, направленные от Солнца;
• широкие и немного искривлённые;
• короткие и сильно уклонённые от Солнца.

У кометы может быть и два, и даже три хвоста одновременно.

Когда комета проходит точку перигелия своей орбиты, её разрушение становится особенно интенсивным. Поскольку многие кометы возвращаются к Солнцу периодически, то их называют периодическими кометами. Если период небольшой — меньше 200 лет — её называют короткопериодической кометой (например, комета Галлея, которая прилетает раз в 76 лет). Сегодня известно более 400 короткопериодических комет. Если период большой — более 200 лет — то её называют долгопериодической кометой (например, кометы Хейла-Боппа, МакНота, Люлин. ). Рано или поздно периодические кометы разрушаются.

Существуют и непериодические, «одноразовые» кометы. Нидерландский учёный-астроном Ян Оорт выдвинул теорию существования на окраинах Солнечной системы (100 — 150 тысяч а.е. от Солнца) гигантского облака, состоящего из ледяных глыб. Облако с тех пор называют облаком Оорта. Если по той или иной причине какая-либо из глыб постепенно приближается к Солнцу, то она становится кометой. Многие такие кометы подлетают к Солнцу всего один раз, после чего навсегда удаляются от него обратно в своё кометное облако. Объекты пояса Койпера и облака Оорта часто называют транснептуновыми (т.е. занептуновыми) объектами.

Кометы могут обращаться не только вокруг Солнца, но и вокруг самых больших планет — Юпитера и Сатурна. Некоторые кометы потом сталкиваются с этими планетами. Например, в 1994 г. комета Шумейкеров-Леви-9 (за 2 года до этого она распалась на 22 осколка) столкнулась с планетой Юпитер.

Более крупный метеороид даёт более яркую вспышку, которая называется болидом (более точно болид определяется как метеор, блеск которого больше -4 m или тело, у которого различим видимый размер). Крупные метеороиды могут не успеть сгореть в атмосфере и выпадают на поверхность Земли. Упавшее метеорное тело называют метеоритом, причём такое, которое можно найти и потрогать. Например, Тунгусский метеорит неправильно называть метеоритом, потому что он не обнаружен. Правильнее — Тунгусское тело. Скорее всего это был ледяной осколок кометы, который при падении испарился.

Полагают, что за 1 сутки на поверхность Земли выпадает 5-6 тонн метеоритов. После столкновения метеорита с твёрдой поверхностью остаётся круглое углубление — кратер («кратер» в переводе с греческого означает «чаша»). Гигантские кратеры поперечником в несколько сотен километров иногда называют астроблемами («блема» в переводе с греческого означает «рана»).

На протяжении веков как только ни называли метеориты — и аэролитами, и сидеролитами, и уранолитами, и метеоролитами, а также небесными, воздушными, атмосферными и метеорными камнями!

Наиболее часто на землю падают каменные метеориты (состоят в основном из силикатных пород) — 93% от всех падений. Реже падают железные метеориты (состоят из железо-никелевого сплава) — 6% от всех падений. 1% от всех падений составляют железо-каменные метеориты. Понятное дело, что метеориты не могут быть обломками ледяных комет. Это обломки астероидов.

В 1977 г. был открыт астероид диаметром 166 км, у которого в 1988 г. обнаружили кому, как у кометы. С удалением объекта от Солнца кома исчезла. Этот объект с двойственной природой (астероид-комета) назвали Хироном. В древнегреческой мифологии Хирон — это имя кентавра (человек-конь). Все подобные Хирону космические тела объединили в класс кентавров. Сегодня известно более сотни кентавров. Все они движутся между орбитами Юпитера и Нептуна.

Дамоклоиды — небольшие космические тела, обращающиеся вокруг Солнца по орбитам, похожим на кометные (сильно вытянуты и сильно наклонены к плоскости земной орбиты), но не проявляющие кометной активности (не дающие комы и не образующие хвостов). Самый большой дамоклоид имеет диаметр 72 км, а всего открыто таких объектов на сегодняшний день чуть более 40. Дамоклоиды — одни из самых тёмных тел Солнечной системы. Считается, что дамоклоиды являются ядрами комет, зародившихся в облаке Оорта, но потерявших свои летучие вещества. Некоторые дамоклоиды обращаются вокруг Солнца в направлении, противоположном движению больших планет.

Источник

ОРБИТА

ОРБИТА, в астрономии, – путь небесного тела в пространстве. Хотя орбитой можно называть траекторию любого тела, обычно имеют в виду относительное движение взаимодействующих между собой тел: например, орбиты планет вокруг Солнца, спутников вокруг планеты или звезд в сложной звездной системе относительно общего центра масс. Искусственный спутник «выходит на орбиту», когда начинает двигаться по циклической траектории вокруг Земли или Солнца. Термин «орбита» используется также в атомной физике при описании электронных конфигураций. См. также АТОМ.

Абсолютные и относительные орбиты.

Абсолютной орбитой называют путь тела в системе отсчета, которую в каком-то смысле можно считать универсальной и потому абсолютной. Такой системой считают Вселенную в большом масштабе, взятую как целое, и называют ее «инерциальной системой». Относительной орбитой называют путь тела в такой системе отсчета, которая сама движется по абсолютной орбите (по искривленной траектории с переменной скоростью). Например, у орбиты искусственного спутника обычно указывают размер, форму и ориентацию относительно Земли. В первом приближении это эллипс, в фокусе которого находится Земля, а плоскость неподвижна относительно звезд. Очевидно, это относительная орбита, поскольку она определена по отношению к Земле, которая сама движется вокруг Солнца. Удаленный наблюдатель скажет, что спутник движется относительно звезд по сложной винтовой траектории; это его абсолютная орбита. Ясно, что форма орбиты зависит от движения системы отсчета наблюдателя.

Необходимость различать абсолютную и относительную орбиты возникает потому, что законы Ньютона верны только в инерциальной системе отсчета, поэтому их можно использовать только для абсолютных орбит. Однако мы всегда имеем дело с относительными орбитами небесных тел, ибо наблюдаем их движение с обращающейся вокруг Солнца и вращающейся Земли. Но если абсолютная орбита земного наблюдателя известна, то можно либо перевести все относительные орбиты в абсолютные, либо представить законы Ньютона уравнениями, верными в системе отсчета Земли.

Абсолютную и относительную орбиты можно проиллюстрировать на примере двойной звезды. Например, Сириус, кажущийся невооруженному глазу одиночной звездой, при наблюдении с большим телескопом оказывается парой звезд. Путь каждой из них можно проследить отдельно по отношению к соседним звездам (принимая во внимание, что и сами они движутся). Наблюдения показали, что две звезды не только обращаются одна вокруг другой, но и перемещаются в пространстве так, что между ними всегда есть точка, движущаяся по прямой линии с постоянной скоростью (рис. 1). Эту точку называют центром масс системы. Практически с ней связана инерциальная система отсчета, а траектории звезд относительно нее представляют их абсолютные орбиты. Чем дальше отходит звезда от центра масс, тем она легче. Знание абсолютных орбит позволило астрономам вычислить по отдельности массы Сириуса А и Сириуса В.

Если же измерять положение Сириуса В относительно Сириуса А, то получим относительную орбиту (рис. 2). Расстояние между этими двумя звездами всегда равно сумме их расстояний от центра масс, поэтому относительная орбита имеет ту же форму, что и абсолютные, а по размеру равна их сумме. Зная размер относительной орбиты и период обращения, можно, используя третий закон Кеплера, вычислить лишь суммарную массу звезд. См. также НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА.

Более сложный пример представляет движение Земли, Луны и Солнца. Каждое из этих тел движется по своей абсолютной орбите относительно общего центра масс. Но поскольку Солнце значительно превосходит всех по массе, принято изображать Луну и Землю в виде пары, центр масс которой движется по относительной эллиптической орбите вокруг Солнца. Однако эта относительная орбита весьма близка к абсолютной. См. также ЛУНА.

Движение Земли относительно центра масс системы Земля – Луна наиболее точно измеряется с помощью радиотелескопов, определяющих расстояние до межпланетных станций. В 1971 при полете аппарата «Маринер-9» к Марсу по периодическим вариациям расстояния до него определили амплитуду движения Земли с точностью 20–30 м. Центр масс системы Земля – Луна лежит внутри Земли, на 1700 км ниже ее поверхности, а отношение масс Земли и Луны составляет 81,3007. Зная их суммарную массу, найденную по параметрам относительной орбиты, можно легко найти и массу каждого из тел.

Говоря об относительном движении, мы можем произвольно выбирать точку отсчета: относительная орбита Земли вокруг Солнца в точности такова, как относительная орбита Солнца вокруг Земли. Проекцию этой орбиты на небесную сферу называют «эклиптикой». В течение года Солнце передвигается по эклиптике приблизительно на 1° в сутки, а если смотреть от Солнца, то так же точно движется Земля. Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного экватора на 23°27ў, т.е. таков угол между земным экватором и ее орбитальной плоскостью. Все орбиты в Солнечной системе указывают относительно плоскости эклиптики.

Орбиты Луны и планет.

На примере Луны покажем, как описывается орбита (рис. 3). Это относительная орбита, плоскость которой наклонена примерно на 5° к эклиптике. Этот угол называют «наклонением» лунной орбиты. Плоскость лунной орбиты пересекает эклиптику по «линии узлов». Тот из них, где Луна проходит с юга на север, называют «восходящим узлом», а другой – «нисходящим».

Если бы Земля и Луна были изолированы от гравитационного влияния других тел, узлы лунной орбиты всегда имели бы неизменное положение на небе. Но из-за влияния Солнца на движение Луны происходит обратное движение узлов, т.е. они перемещаются по эклиптике на запад, совершая полный оборот за 18,6 лет. Подобно этому, узлы орбит искусственных спутников перемещаются из-за возмущающего влияния экваториального вздутия Земли.

Земля расположена не в центре лунной орбиты, а в одном из ее фокусов. Поэтому в некоторой точке орбиты Луна ближе всего к Земле; это «перигей». В противоположной точке она дальше всего от Земли; это «апогей». (Соответствующие термины для Солнца – «перигелий» и «афелий».) Полусумму расстояний в перигее и апогее называют средним расстоянием; оно равно половине наибольшего диаметра (большой оси) орбиты, поэтому его называют «большой полуосью». Перигей и апогей называют «апсидами», а соединяющую их линию – большую ось – «линией апсид». Если бы не возмущения от Солнца и планет, линия апсид имела бы фиксированное направление в пространстве. Но из-за возмущений линия апсид лунной орбиты движется к востоку с периодом 8,85 лет. То же происходит с линиями апсид искусственных спутников под влиянием экваториального вздутия Земли. У планет линии апсид (между перигелием и афелием) движутся вперед под влиянием других планет. См. также КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ.

Размер орбиты определяется длиной большой полуоси, а ее форма – величиной, называемой «эксцентриситетом». Эксцентриситет лунной орбиты вычисляется по формуле:

(Расстояние в апогее – Среднее расстояние) / Среднее расстояние

либо по формуле

(Среднее расстояние – Расстояние в перигее) / Среднее расстояние

Для планет апогей и перигей в этих формулах заменяют на афелий и перигелий. Эксцентриситет круговой орбиты равен нулю; у всех эллиптических орбит он меньше 1,0; у параболической орбиты он в точности равен 1,0; у гиперболических орбит он больше 1,0.

Орбита полностью определена, если указаны ее размер (среднее расстояние), форма (эксцентриситет), наклонение, положение восходящего узла и положение перигея (для Луны) или перигелия (для планет). Эти величины называют «элементами» орбиты. Элементы орбиты искусственного спутника задаются так же, как для Луны, но обычно по отношению не к эклиптике, а к плоскости земного экватора.

Луна обращается вокруг Земли за время, называемое «сидерическим периодом» (27,32 сут); по истечении его она возвращается на исходное место относительно звезд; это ее истинный орбитальный период. Но за это время Солнце перемещается по эклиптике, и Луне требуется еще двое суток, чтобы оказаться в исходной фазе, т.е. в прежнем положении относительно Солнца. Этот промежуток времени называют «синодическим периодом» Луны (ок. 29,5 сут). Так же и планеты обращаются вокруг Солнца за сидерический период, а проходят полный цикл конфигураций – от «вечерней звезды» до «утренней звезды» и обратно – за синодический период. Некоторые элементы орбит планет указаны в таблице. См. также СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.

Орбитальная скорость.

Среднее расстояние спутника от главного компонента определяется его скоростью на некотором фиксированном расстоянии. Например, Земля обращается по почти круговой орбите на расстоянии 1 а.е. (астрономическая единица) от Солнца со скоростью 29,8 км/с; любое другое тело, имеющее на этом же расстоянии такую же скорость, будет также двигаться по орбите со средним расстоянием от Солнца 1 а.е., независимо от формы этой орбиты и направления движения по ней. Таким образом, для тела в заданной точке размер орбиты зависит от значения скорости, а ее форма – от направления скорости (рис. 4).

Это имеет непосредственное отношение к орбитам искусственных спутников. Чтобы вывести спутник на заданную орбиту, необходимо доставить его на определенную высоту над Землей и сообщить ему определенную скорость в определенном направлении. Причем сделать это нужно с высокой точностью. Если требуется, например, чтобы орбита проходила на высоте 320 км и не отклонялась от нее более чем на 30 км, то на высоте 310–330 км его скорость не должна отличаться от расчетной (7,72 км/с) более чем на 5 м/с, а направление скорости должно быть параллельно земной поверхности с точностью 0,08°.

Сказанное выше имеет отношение и к кометам. Обычно они движутся по очень вытянутым орбитам, эксцентриситеты которых нередко достигают 0,99. И хотя их средние расстояния и орбитальные периоды очень велики, в перигелии они могут приближаться к большим планетам, например к Юпитеру. В зависимости от направления, с которого комета подлетает к Юпитеру, он может своим притяжением увеличить или уменьшить ее скорость (рис. 5). Если скорость уменьшится, то комета перейдет на орбиту меньшего размера; в этом случае говорят, что она «захвачена» планетой. Все кометы с периодами менее нескольких миллионов лет, вероятно, были захвачены именно таким образом.

Если же скорость кометы относительно Солнца увеличится, то и орбита ее возрастет. Причем с приближением скорости к определенному пределу рост орбиты стремительно ускоряется. На расстоянии 1 а.е. от Солнца эта предельная скорость равна 42 км/с. С большей скоростью тело движется по гиперболической орбите и никогда уже не возвращается к перигелию. Поэтому данную предельную скорость называют «скоростью убегания» с земной орбиты. Ближе к Солнцу скорость убегания выше, а вдали от Солнца – меньше.

Если комета приближается к Юпитеру с большого расстояния, ее скорость близка к скорости убегания. Поэтому, пролетая вблизи Юпитера, комете достаточно лишь немного увеличить свою скорость, чтобы превысить предел и никогда больше не вернуться в окрестности Солнца. Такие кометы называют «выброшенными».

Скорость убегания от Земли.

Понятие о скорости убегания очень важно. Кстати, нередко ее называют также скоростью «ухода» или «ускользания», а еще «параболической» или «второй космической скоростью». Последний термин применяют в космонавтике, когда речь идет о запусках к другим планетам. Как уже было сказано, для движения спутника по низкой круговой орбите ему нужно сообщить скорость около 8 км/с, которую называют «первой космической». (Точнее, если бы не мешала атмосфера, у поверхности Земли она была бы равна 7,9 км/с.) С увеличением скорости спутника у земной поверхности его орбита становится все более вытянутой: ее среднее расстояние возрастает. Когда будет достигнута скорость убегания, аппарат покинет Землю навсегда.

Рассчитать эту критическую скорость довольно просто. Вблизи Земли кинетическая энергия тела должна быть равна работе силы тяжести при перемещении тела с поверхности Земли «на бесконечность». Поскольку притяжение быстро убывает с высотой (обратно пропорционально квадрату расстояния), то можно ограничиться работой на расстоянии радиуса Земли:

Здесь слева кинетическая энергия тела массы m, движущегося со скоростью V, а справа работа силы тяжести mg на расстоянии радиуса Земли (R = 6371 км). Из этого уравнения найдем скорость (причем это не приближенное, а точное ее выражение):

Поскольку ускорение свободного падения у поверхности Земли составляет g = 9,8 м/с 2 , скорость убегания будет равна 11,2 км/с.

Орбита Солнца.

Само Солнце вместе с окружающими его планетами и малыми телами Солнечной системы движется по своей галактической орбите. По отношению к ближайшим звездам Солнце летит со скоростью 19 км/с в направлении точки в созвездии Геркулеса. Эту точку называют «апексом» солнечного движения. А в целом вся группа ближайших звезд, включая Солнце, обращается вокруг центра Галактики по орбите радиусом 25ґ10 16 км со скоростью 220 км/с и периодом 230 млн. лет. Эта орбита имеет довольно сложный вид, поскольку движение Солнца постоянно подвергается возмущению со стороны других звезд и массивных облаков межзвездного газа.

Источник