Układ Słoneczny

Układ Słoneczny
Juliusz Domański
Do 1610 roku Układ Słoneczny stanowiły Słońce, Ziemia z Księżycem oraz 5 gwiazd błądzących (planet).
Widoczne niekiedy na niebie komety bardzo długo uważano za zjawiska atmosferyczne (wyziewy atmosfery).
Dopiero Tycho de Brahe (1546–1601) wykazał, że kometa z roku 1577 znajdowała się w odległości większej
niż Księżyc. Z kolei Edmund Halley wysunął przypuszczenie, że przynajmniej część z nich pojawia się okresowo.
Sprawdziło się to dla komety z lat 1456, 1531, 1607 i 1682. Przyjęte założenia potwierdziły się w pełni, kometa
pojawiła się w 1758 roku. Później została nazwana kometą Halleya.
Poza planetami (i ewentualnymi kometami) miała być tylko bliżej nieokreślona sfera gwiazd stałych. Odległości planet od Słońca obliczył już Kopernik (a także inni badacze). Jednak były to odległości względne, wyrażone
w odległościach Ziemia–Słońce.
Największa kątowa odległość Wenus od Słońca wynosi 46o.
Kierunki Ziemia–Wenus i Wenus–Słońce tworzą wówczas kąt
prosty (rys. 1). Jak widać:
rW = rZ . sin 46o = 1 j.a. . 0,719 = 0,719 j.a.
(j.a. – jednostka astronomiczna to odległość Ziemia–Słońce)
Rys. 1
Odległość Merkurego od Słońca obliczono w ten sam sposób. Odległości planet zewnętrznych obliczono nieco inaczej, wykorzystując dwa inne szczególne położenia planet.
Kwadratura Marsa występuje 106 dni po opozycji.
Okres obiegu Ziemi wokół Słońca wynosi 365 dni,
Marsa 687 dni (rys. 2). Jaka jest odległość Słońca
od Marsa?
Promień wodzący Ziemi zakreśla w ciągu 106 dni
kąt a = 360o . 106/365 = 104,5o. Promień wodzący
Marsa kąt b = 55,5o.
rM 
Strona 1
1 j.a.
rZ
rZ


 1, 52 j.a.
cos( a  b) cos 49 0, 6561
Rys. 2
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Data utworzenia:
2010-12-13
Zam Kor
W obu przypadkach były to odległości względne. Klucz do znalezienia odległości bezwzględnych stanowiło
wyznaczenie odległości Ziemia–Słońce. Zadanie to okazało się niezwykle trudne. Co prawda próbę tę podjął już
w III wieku p.n.e. Arystarch, jednak wyznaczona przez niego odległość była ok. 20 razy mniejsza od rzeczywistej. Odległość tę udało się ustalić dopiero w 1672 roku dzięki jednoczesnemu wyznaczeniu położenia Marsa
z dwóch różnych, odległych miejsc (Paryż i Cayenne w Ameryce Południowej). Dopiero wówczas zorientowaliśmy
się w prawdziwych rozmiarach Układu. A są one, w naszej skali, olbrzymie. Przelot ze Słońca do najdalszej planety układu, Neptuna, samolotem naddźwiękowym Concorde lecącym z szybkością 2150 km/h trwałby prawie
240 lat! Jednak jest to bardzo niewiele, jeśli porównamy tę odległość z odległością do najbliższej nam gwiazdy
– Proxima Centauri. Światło tej gwiazdy, poruszając się z zawrotną szybkością 300 000 km/s, dociera na Ziemię
dopiero po ponad 4 latach!
Zbudowanie lunety pozwoliło Galileuszowi na dostrzeżenie 4 największych satelitów Jowisza, nazywanych często
księżycami galileuszowymi. Było to pierwsze powiększenie
liczby ciał tworzących Układ Słoneczny. Dziś znamy 63 księżyce Jowisza. Galileusz zaobserwował też dziwne wybrzuszenia na Saturnie. Swoje odkrycia opisał w niewielkiej książeczce Siderus Nuncius już w marcu 1610 roku. Dziś wiemy,
że jest to układ pierścieni. Pierścienie mają też Jowisz
i Uran. Dopiero w 1781 roku W. Herschel, dysponując dość
przyzwoitym teleskopem (fot. 1), odkrywa kolejną planetę
o nazwie Uran. W 1801 roku G. Piazzi odkrywa niewielką
planetę (Ceres) między orbitami Marsa i Jowisza. Z czasem
okazuje się, że jest tam znacznie więcej małych ciał. Układ
Słoneczny wzbogaca się o pas planetoid. Dziś znamy ich
ok. 500 000. Jedna z nich, odkryta w 1990 roku, otrzymała
nazwę Woszczyk od nazwiska toruńskiego astronoma.
Rok 1846 – rok odkrycia Neptuna to prawdziwy triumf
mechaniki niutonowskiej. Zobaczył go J. Galle prawie dokładnie w miejscu obliczonym przez J. Leverriera (i niezależnie J. Adamsa). O wrażeniu, jakie to odkrycie wywarło
Fot. 1
nie tylko na astronomach i fizykach, może świadczyć list
F. Chopina do rodziny. Zacytujmy fragment : „Zapewne już
wiecie o planecie nowej pana Leverrier. Leverrier, uważając pewne nieregularności w planecie Uranus, przypisał
to innej planecie, jeszcze nieznanej, której opisał odległość, kierunek, wielkość, słowem wszystko... Co za tryumf
dla nauki, żeby rachunkiem dojść do odkrycia podobnego.”
W 1877 roku A. Hall zauważa dwa małe księżyce Marsa – Deimosa i Phobosa. W 1930 C. Tombaugh odkrywa
dziewiątą planetę układu – Plutona. Na odkrycie jego satelity, Charona, musieliśmy poczekać aż do roku 1978.
Rok 1977 przynosi kolejną niespodziankę [1], [2]. Na 10 marca przewidywano zakrycie gwiazdy SAO 158
687 przez planetę Uran. Miało być ono widoczne z południowej półkuli (z rejonu Oceanu Indyjskiego). Ponieważ
obserwacja zakrycia może dostarczyć istotnych danych o atmosferze planety, przygotowano się do wykonania
pomiarów. W tym celu z Perth w Australii wystartowało Latające Obserwatorium Astronomicznne (Kuiper Airborne Observatory – KAO) należące do NASA (fot. 2). Na pokładzie samolotu C-141 znajdował się m.in. 36-calowy
(ok. 90 cm) teleskop, oczywiście żyroskopowo stabilizowany. Zasadniczym przeznaczeniem KAO są obserwacje
w podczerwieni, w zakresie długości fal od 1 mm do 1000 mm. Bardzo silną absorbcję w tym zakresie powodują
Strona 2
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Data utworzenia:
2010-12-13
Zam Kor
atmosferyczne pasma cząsteczek wody, tlenu i ozonu. Jeśli jednak wyniesiemy instrumenty na odpowiednią
wysokość, wpływ atmosfery ziemskiej staje się minimalny.
Fot. 2
Na pokładzie KAO pomiarami zajmowała się grupa astronomów
z Cornell University. Obserwacje prowadzono w stratosferze na
wysokości ok. 12 500 m. W rejonie lotu zakrycie miało nastąpić
o 20h52m. Pomiary polegały na rejestracji prądu fotomnożnika
zainstalowanego w ognisku teleskopu. O 20h11m43s samopiszący miernik zarejestrował stromy, kilkusekundowy spadek sygnału.
Spowodowało to sprawdzenie dokładności śledzenia Urana i stanu zachmurzenia nieba. Postanowiono nieprzerwanie kontrolować
układ śledzący, odciążając nieco tym samym Adamsa, czyli zainstalowany na pokładzie komputer. Podczas następnych 14 minut
zarejestrowano 4 dalsze, nieco płytsze spadki sygnału (rys. 3). Wywołało to zainteresowanie, zdziwienie, a w końcu entuzjazm całej
grupy. Podjęto próby formułowania hipotez mających wyjaśnić zaobserwowane zjawiska. Jedna z nich mówiła o przysłanianiu gwiazdy przez pierścienie Urana. Postanowiono to sprawdzić.
Zakrycie gwiazdy rozpoczęło się o 20h52m i trwało 25 minut.
Plan lotu przewidywał natychmiastowy powrót do Perth. Kontynuowano jednak obserwacje do 22h17m, gdy pojaśnienie nieba
uniemożliwiło skuteczną pracę fotomnożników. W tym czasie zarejestrowano również 5 wtórnych zakryć. Stało się jasne – odkryto
pierścienie Urana. Kolejna seria odkryć nastąpiła dzięki misji [3],
[4] Voyagerów (1977–1990), uruchomieniu orbitalnego teleskopu
Huble’a (1990) i teleskopu Kecka (1992). Uzyskano potwierdzenie
istnienia pierścieni Urana, odkryto pierścienie u Jowisza i Neptuna,
znacznie wydłużyła się lista znanych satelitów planet. Jowisz ma
Strona 3
Rys. 3
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Data utworzenia:
2010-12-13
Zam Kor
63 księżyce, Saturn 60, Uran 27, Neptun 13. Bardzo wiele informacji o Jowiszu i Saturnie oraz ich satelitach
uzyskaliśmy dzięki misji Voyagerów.
Jeszcze w 1950 roku G. Kuiper wysunął przypuszczenie, że za orbitą Plutona może istnieć pas planetoid
podobny do znanego od dawna pasa między orbitami Marsa i Jowisza. Ta hipoteza istniała do roku 1992, gdy
teleskop Kecka wykrył niewielki obiekt w tym rejonie. Szybko nastąpiły dalsze odkrycia. Dziś znamy już ok. 1000
takich obiektów (rys. 4).
Rys. 4
Fot. 3
Niedawno (marzec 2010 r.) polscy astronomowie, korzystając z największego polskiego teleskopu o średnicy
1,3 m (fot. 3) stojącego w Obserwatorium Las Campanas w Chile, odkryli 3 kolejne obiekty. Największy z nich –
2010 EK139 ma średnicę ok. 1200 km. Dokładniejszych badań tego regionu dokona wysłana w 2006 roku
sonda New Horizons. Dotrze ona do Plutona w 2015, a w latach 2016–2020 będzie badać pas Kuipera. Przypuszcza się, że może on zawierać nawet 70 000 obiektów. Układ Słoneczny znacznie powiększył swoje rozmiary. Jedna z transplutonowych planetoid – Eris, okazała się nawet nieco większa od Plutona. Sprowokowało to
astronomów do wprowadzenia pewnych zmian. W sierpniu 2006 roku Międzynarodowa Unia Astronomiczna
zdegradowała Plutona do klasy planet karłowatych (nazwa tymczasowa). Do tej klasy zaliczono też Ceres (z pasa
planetoid między orbitami Marsa i Jowisza). Być może do Układu Słonecznego zaliczymy też hipotetyczny Obłok
Oorta. Według sformułowanej przez Jana Oorta hipotezy w odległości od 300 do 100 000 j.a. od Słońca rozciąga
się obłok wypełniony przez drobne ciała (o średnicach rzędu kilometrów).
Strona 4
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Data utworzenia:
2010-12-13
Zam Kor
Niekiedy siły pływowe pobliskich gwiazd wytrącają z obłoku taką bryłkę i kierują ją w stronę Słońca. Jeśli przechodzi ona dostatecznie blisko Słońca, widzimy ją jako kometę. Niewątpliwie najsłynniejszą kometą jest kometa
Halleya (fot. 4) o okresie obiegu 76 lat. W czasie ostatniego przejścia w pobliżu Słońca w 1986 roku zbliżyła
się do niej sonda Giotto, wykonała szereg zdjęć i podstawowych badań. Większość komet pojawia się w okolicy
Słońca jednorazowo. Niekiedy jednak siły grawitacyjne tak zmieniają orbitę komety, że staje się ona stałym elementem Układu Słonecznego. Nazywamy je kometami okresowymi. Jest ich ok. 400.
Fot. 4
Fot. 5
Dziś Układ Słoneczny liczy już kilkaset tysięcy obiektów. Ponadto, jeśli w pełni potwierdzi się istnienie obłoku
Oorta, ich liczba może się nawet podwoić. Są to co prawda w większości obiekty bardzo małe, ale wiele z nich
może stanowić zagrożenie dla Ziemi. Oddziaływania grawitacyjne często zmieniają orbity małych ciał i może dojść
do ich zderzenia z którąś z planet. Nie tak dawno oglądaliśmy takie zderzenie. Jedno
z małych ciał (kometa o średnicy zaledwie kilku kilometrów) zostało przechwycone
przez Jowisza i stało się na krótko jego satelitą. Następnie w polu grawitacyjnym
planety zostało rozerwane na 6 części i skierowane na kurs zderzeniowy. 16 lipca
1994 roku obserwowano z Ziemi kolejne 6 kolizji (fot. 6). Wiemy, że wiele podobnych
zderzeń przytrafiło się w przeszłości Ziemi. Bardzo dobrze znany jest krater w Arizonie (fot. 5). Ma on 1200 m średnicy i 200 m głębokości. Powstał prawdopodobnie
ok. 50 000 lat temu na skutek uderzenia meteorytu żelaznego o średnicy ok. 50 m.
30 czerwca 1908 roku niezidentyfikowana bryła (prawdopodobnie kometa) uderzyła
w tajgę w głębi Rosji. Drzewa zostały powalone w promieniu ok. 40 km. Jeden z najFot. 6
słynniejszych kraterów, znany jako Chicxulub, to olbrzymie zagłębienie w powierzchni Ziemi mające 180 kilometrów średnicy. Znajduje się ono na północnym krańcu
półwyspu Jukatan w Meksyku i jest uważane za ślad po upadku komety lub planetoidy o średnicy 10 kilometrów.
Niektórzy sądzą, że zmiany klimatyczne wywołane tym uderzeniem były przyczyną wyginięcia dinozaurów oraz
innych zwierząt lądowych i morskich.
Strona 5
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Data utworzenia:
2010-12-13
Zam Kor
Znamy jeszcze kilka kraterów o zbliżonych rozmiarach. Większość śladów podobnych katastrof została skutecznie zatarta przez procesy erozyjne i tektoniczne. Powierzchnia Księżyca, na której procesy erozyjne nie występują, jest wprost upstrzona kraterami różnych rozmiarów (fot. 7). Przeważająca część z nich powstała bardzo
dawno, w początkowym okresie formowania się Układu Słonecznego, gdy większe globy łatwo przechwytywały
materiał niewykorzystany przy tworzeniu się planet.
Fot. 7
Wiemy już, że 13 kwietnia 2029 roku planetoida Apophis, obiekt o średnicy 320 m, przeleci w odległości
36 500 km od Ziemi, a więc odległości bliskiej tej, na której krąży wiele satelitów telekomunikacyjnych. Jej
następne przejście w pobliżu Ziemi w 2036 roku będzie jeszcze bliższe i dziś nie możemy wykluczyć jej zderzenia z Ziemią. Na szczęście mamy już środki prawdopodobnie pozwalające na „zepchniecie” planetoidy z kursu
zderzeniowego.
Na koniec warto sobie uświadomić, jak pusty jest nasz układ. W tym celu można wykonać (lub przynajmniej
zaprojektować) model układu w przyjętej skali. Dla przykładu – niech modelem Słońca będzie zegar słoneczny
stojący na pl. Rapackiego w centrum Torunia (rys. 5). Ma on średnicę 3,5 m.
W tej skali Merkurego w postaci kulki o średnicy 1,2 cm należy umieścić w odległości 145 m od zegara. Wenus to kulka o średnicy 3 cm w odległości 270 m.
Ziemię w postaci nieco większej kulki o średnicy 3,2 cm umieszczamy w odległości prawie 380 m. Teraz kolej na Marsa. Będzie to kulka o średnicy zaledwie
1,7 cm położona w odległości 570 m. Jowisz będzie kulą o średnicy 35 cm ustawioną w odległości ok. 2 km (rys. 6). Z kulą o średnicy 29 cm – Saturn – musimy
odejść na odległość 3,6 km. Urana, niewielką kulę o średnicy 14 cm, wynosimy
już poza miasto na odległość 7,2 km od zegara. I wreszcie Neptun, kulka o średnicy 12 cm, w odległości ponad 11 km. Być może gdzieś między orbitami Marsa
Rys. 5
i Jowisza warto jeszcze rozsypać garść pyłu i kilka ziarenek piasku (pas plane­
toid). I to już wszystko w olbrzymiej kuli o średnicy 11 km. Podobny model, w nieco innej skali zbudowali Szwedzi.
Modelem Słońca jest w nim kulisty budynek Globe Arena w Sztokholmie o średnicy 85 m.
Strona 6
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Data utworzenia:
2010-12-13
Zam Kor
Rys. 6
Inny model przedstawia program Skala.exe. Modelem Słońca jest w nim kopuła toruńskiego planetarium
o średnicy 23 m. Program oblicza też średnice i odległości planet w innej, wybranej przez nas skali. Można go
pobrać z naszej witryny.
Literatura
[1] Domański J., Entdeckung von Uranusringen, „Astronomie in der Schule”, 5/1979.
[2] Domański J., Experiments in astronomy lessons, Newsletter, IUA 5/80.
[3] Domański J., Niezwykła misja, „Fizyka w Szkole”, 3/1991.
[4] Domański J., Astronomia i grawitacja, ZDN, Toruń 1993.
Strona 7
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
Data utworzenia:
2010-12-13
Zam Kor