Орбитальные скорости планет Солнечной системы: характеристики и траектории. Планеты Солнечной системы: восемь и одна

Опытные астрономы прекрасно знают о том, что орбитальная скорость планет напрямую связана с их расстоянием от центра системы - Солнца. Ну, а людям, которые только начинают изучать удивительную науку о небесных телах, наверняка было бы интересно узнать об этом побольше.

Что такое орбитальная скорость?

Орбитой называют траекторию, по которой конкретная планета движется вокруг Солнца. Она вовсе не представляет собой идеальную окружность, как думают некоторые люди, не разбирающиеся в астрономии. Более того, она даже не слишком напоминает овал - ведь существует большое количество факторов за исключением силы притяжения Солнца, которые могут повлиять на движение небесных тел.

Также стоит сразу развеять другой известный миф - Солнце вовсе не всегда находится ровно в центре орбиты планет, вращающихся вокруг него.

Наконец, следует отметить, что не все орбиты планет лежат в одной плоскости. Некоторые значительно выбиваются из нее - например, если изобразить стандартные орбиты Земли и Венеры на астрономической карте, то можно убедиться в том, что они имеют всего несколько точек пересечения.

Теперь, когда с орбитами более или менее разобрались, можно вернуться к определению термина орбитальной скорости планет. Именно так астрономы называют скорость, с которой планета движется по своей траектории. Она может немного изменяться - в зависимости от того, какие небесные тела проходят поблизости. Особенно это заметно на примере Марса: каждый раз, когда он проходит в сравнительной близости от Юпитера, он немного замедляется, притягиваясь гравитационным полем этого гиганта.

Ученые давно установили зависимость скорости движения планет вокруг Солнца от расстояния до него.

То есть самая ближайшая к Солнцу планета - Меркурий - движется быстрее всего, в то время как скорость Плутона является самой маленькой в Солнечной системе.

С чем это связано?

Дело в том, что скорость каждой планеты соответствует той силе, с которой Солнце притягивает ее на определенном расстоянии. Если скорость будет меньше, то планета будет постепенно приближаться к звезде и в результате сгорит. Если же скорость слишком большая, то планета просто улетит от центра нашей Солнечной системы.

Каждый астроном, даже начинающий, прекрасно знает, что сила притяжения уменьшается по мере удаления от Солнца. Именно поэтому, чтобы сохранить свое место в Солнечной системе, Меркурий вынужден носиться с бешеной скоростью, Марс может двигаться помедленнее, а Плутон и вовсе едва перемещается.

Меркурий

Самая близкая к Солнцу планета - Меркурий. Вот с него и начнем изучение скорости планет Солнечной системы.

Он может похвастать не только самым малым радиусом орбиты, но и небольшими размерами. В нашей системе это самая маленькая полноценная планета. Расстояние от Меркурия до Солнца - менее 58 миллионов километров, благодаря чему температура на его экваторе жарким днем может дорасти до 400 градусов по Цельсию и даже больше.

Кроме того, чтобы удержаться на своей орбите при такой близости Солнца, планете приходится двигаться с огромной скоростью - около 47 километров в секунду. Так как протяженность орбиты из-за малого радиуса совсем невелика, то полный оборот вокруг звезды он совершает всего за 88 суток. То есть Новый год там можно встречать значительно чаще, чем на Земле. А вот скорость вращения планеты вокруг собственной оси очень небольшая - полный оборот Меркурий делает почти за 59 земных суток. Так, сутки здесь не намного короче года.

Венера

Следующая планета в нашей системе - Венера. Единственная, на которой Солнце встает на западе и садится на востоке. Расстояние до центра системы - 108 миллионов километров. Благодаря этому скорость движения планеты по орбите значительно меньше, чем у Меркурия (всего 35 километров в секунду). Причем это единственная планета, у которой орбита действительно представляет собой практически идеальную окружность - погрешность (или, как говорят эксперты, эксцентриситет) крайне мала.

Правда, протяженность орбиты (по сравнению с Меркурием) у нее значительно больше, из-за чего полный путь Венера проделывает только за 225 дней. Кстати, еще один интересный факт, отличающий Венеру от всех других планет Солнечной системы: период вращения вокруг оси (одни сутки) здесь составляет 243 земных дня. Следовательно, год здесь длится меньше, чем сутки.

Земля

Теперь можно рассмотреть и планету, которая стала домом для человечества - Землю. Среднее расстояние до Солнца - почти 150 миллионов километров. Именно это расстояние принято называть одной астрономической единицей - их используют при подсчете небольших (по меркам Вселенной) расстояний в космосе.

Сложно поверить, но пока вы читаете эту статью, вы движетесь вместе с Землей на скорости почти 30 километров в секунду. Но даже при столь внушительной скорости, чтобы сделать полный оборот вокруг Солнца, планета тратит на это больше 365 суток или 1 год. Зато вокруг своей оси вращается довольно быстро - всего за 24 часа. Впрочем, эти и многие другие факты о Земле очевидны всем, поэтому подробно рассматривать нашу родную планету не станем. Перейдем сразу к следующей.

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.

Юпитер

Свое название Юпитер получил в честь самого могущественного древнеримского бога. Неудивительно, именно эта планета может похвастать самыми большими размерами в Солнечной системе - его радиус составляет почти 70 тысяч квадратных километров (у Земли, например, всего 6 371 километр).

Удаленность от Солнца позволяет Юпитеру вращаться довольно медленно - всего 13 километров в секунду. Из-за этого на то, чтобы сделать полный круг, у планеты уходит почти 12 земных лет!

Зато сутки здесь самые короткие в нашей системе - 9 часов и 50 минут. Наклон оси вращения здесь крайне мал - лишь 3 градуса. Для сравнения - у нашей планеты этот показатель составляет 23 градуса. Из-за этого на Юпитере совершенно не бывает смен времен года. Всегда стоит одинаковая температура, изменяющаяся лишь в течение коротких суток.

Эксцентриситет у Юпитера довольно маленький - меньше 0,05. Поэтому он равномерно наматывает круги строго вокруг Солнца.

Сатурн

Эта планета не слишком уступает Юпитеру по размерам, являясь вторым по размеру космическим телом в нашей солнечной системе. Его радиус - 58 тысяч километров.

Скорость планеты по орбите, как уже говорилось выше, продолжает падать. Для Сатурна этот показатель составляет всего 9,7 километра в час. А пройти со столь малой скоростью приходится действительно большое расстояние - дистанция до Солнца равна почти 9,6 астрономических единицы. Всего на этот путь уходит 29,5 лет. Зато сутки одни из самых коротких в системе - всего 10,5 часов.

Эксцентриситет планеты почти такой же, как у Юпитера - 0,056. Поэтому окружность получается довольно ровной - перигелий и афелий различаются всего на 162 миллиона километров. Если учитывать огромное расстояние до Солнца, то разница совсем небольшая.

Интересно, что кольца Сатурна тоже вращаются вокруг планеты. Причем скорость внешних слоев значительно меньше, чем внутренних.

Уран

Еще один гигант Солнечной системы. Только Юпитер и Сатурн превосходят его по размерам. Правда, по весу его обходит еще и Нептун, но это благодаря высокой плотности ядра. Среднее расстояние до Солнца действительно огромно - целых 19 астрономических единиц. Движется он довольно медленно - вполне может позволить себе это при столь большом расстоянии. Скорость движения планеты по орбите не превышает 7 километров в час. Из-за такой неспешности на то, чтобы пройти огромное расстояние вокруг Солнца, у Урана уходит целых 84 земных года! Весьма приличный срок.

А вот вокруг своей оси он вращается удивительно быстро - полный оборот совершается всего за 18 часов!

Удивительной особенностью планеты является то, что вращается она вокруг себя не вертикально, а горизонтально. Другими словами, все другие планеты Солнечной системы делают оборот "стоя" на полюсе, а Уран просто "катится" по своей орбите, будто лежа на боку. Ученые объясняют это тем, что во времена формирования планета столкнулась с каким-то крупным космическим телом, из-за чего просто завалилась на бок. Поэтому, хотя в общепринятом смысле сутки здесь очень короткие, на полюсах день длится 42 года, а потом столько же лет стоит ночь.

Нептун

Свое гордое название Нептуну подарил древнеримский повелитель морей и океанов. Недаром даже символом планеты стал его трезубец. По размерам Нептун является четвертой планетой в Солнечной системе, лишь совсем немного уступая Урану - его средний радиус составляет 24 600 км против 25 400.

От Солнца он держится на расстоянии в среднем 4,5 миллиарда километров или 30 астрономических единиц. Поэтому путь, который он проделывает, проходя орбиту, действительно огромен. А если учесть, что круговая скорость планеты составляет всего 5,4 километра в секунду, то нет ничего удивительного в том, что один год здесь приравнивается к 165 земным.

Интересный факт: здесь имеется довольно плотная атмосфера (правда, состоит она преимущественно из метана), и иногда бывают ветра удивительной силы. Их скорость может достигать 2100 километров в час - на Земле даже одиночный порыв такой мощи моментально разрушил бы любой город, не оставив там камня на камне.

Плутон

Наконец, последняя планета в нашем списке. Точнее, даже не планета, а планетоид - недавно его вычеркнули из списка планет из-за малых размеров. Средний радиус составляет всего 1187 километров - даже у нашей Луны этот показатель 1737 километров. Тем не менее название у него довольно грозное - его присвоили в честь бога подземного царства мертвых у древних римлян.

В среднем расстояние от Плутона до Солнца составляет около 32 астрономических единиц. Это позволяет ему чувствовать себя в безопасности и двигаться со скоростью лишь 4,7 километра в секунду - на раскаленную звезду Плутон все равно не свалится. А вот, чтобы сделать полный оборот вокруг Солнца со столь огромным радиусом, эта крохотная планета тратит 248 земных лет.

Вокруг своей оси он вращается тоже очень медленно - на это уходит 152 земных часа или больше 6 суток.

К тому же эксцентриситет самый большой в Солнечной системе - 0,25. Поэтому Солнце находится далеко не в центре орбиты, а смещено почти на четверть.

Заключение

На этом можно заканчивать статью. Теперь вы знаете про скорость планет нашей Солнечной системы, а также узнали множество других факторов. Наверняка теперь вы разбираетесь в астрономии значительно лучше, чем раньше.

Как двигаются планеты?

Невооруженным глазом мы можем различить семь небесных тел, положение которых относительно звезд меняется.

Эти небесные тела древние астрономы называли планетами (в переводе с греческого «странниками»), к ним относится Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.

Как определить положение Солнца относительно звезд? Подобно тому, как это делали древние египтяне, вавилоняне и греки, нужно наблюдать звездное небо непосредственно перед восходом Солнца либо сразу после заката. Именно так можно убедиться, что Солнце каждый день меняет свое положение относительно звездного неба и смещается приблизительно на 1 градус к востоку. А ровно через год Солнце возвращается в прежнюю точку относительно расположения звезд. По результатам этих наблюдений естественным образом определяется эклиптика- видимая траектория движения Солнца между звезд.

Во время движения по эклиптике Солнце проходит через 12 созвездий: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей и Рыбы. Пояс вдоль эклиптики шириной около 16 градусов, в котором заключены эти созвездия, называется зодиаком.

Солнце во время видимого движения вдоль эклиптики в дни равноденствий находится на небесном экваторе, а затем постепенно отдаляется от него. Наибольшее отклонение в обе стороны от небесного экватора составляет примерно 23,5 градусов и наблюдается в дни солнцестояний. Греки заметили, что скорость видимого движения Солнца вдоль эклиптики зимой несколько больше, чем летом.

Остальные планеты как и Солнце, помимо суточного движения на запад, также движутся на восток, но медленнее.

Луна движется на восток быстрее чем Солнце, и ее траектория более хаотична. Полный оборот вдоль зодиака с востока на запад Луна совершает в среднем за 27 и одну треть суток. Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот вдоль зодиака, двигаясь с востока на запад, называется сидерическим периодом обращения. Сидерический период обращения Луны может отличаться от среднего периода на целых 7 часов. Было также замечено, что траектория движения Луны по звездному небу в определенный момент совпадает с эклиптикой, после чего постепенно удаляется от нее, пока не достигнет максимального отклонения примерно в 5 градусов, затем вновь приближается к эклиптике и отклоняется от нее на такой же угол, но в противоположную сторону.

Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн- пять планет, которые видны на звездном небе как яркие точки. Их средние сидерические периоды обращения составляют: для Меркурия −1 год, для Венеры-1 год, для Марса −687 дней, для Юпитера- 12 лет, для Сатурна- 29,5 лет. Фактические периоды обращения для всех планет могут отличаться от приведенных средних значений.

Движение планет с запада на восток называется прямым или собственным. Скорость прямого движения этих пяти планет постоянно меняется.

Кроме того, стало неожиданным открытием то, что прямое движение планет на восток периодически прерывается и планеты движутся в обратном направлении, то есть на запад. В это время их траектории образуют петли, после чего планеты вновь продолжают прямое движение. Во время обратного или попятного движения яркость планет возрастает. На иллюстрации — попятное движение Венеры, которое начинается каждые 584 дня.

Меркурий начинает попятное движение каждые 116 дней, Марс- каждые 780 дней, Юпитер- каждые 399 дней, Сатурн- каждые 378 дней.

Меркурий и Венера никогда не отдаляются от Солнца на значительное угловое расстояние, в отличие от Марса, Юпитера и Сатурна.

Следует отметить, что увязать движение планет с движением звезд было настолько сложно, что всю историю развития представлений о мире можно рассматривать как последовательные попытки преодолеть наблюдавшиеся расхождения

Сегодня нет ни малейших сомнений в том, что Земля вращается вокруг Солнца. Если еще не так давно, в масштабах истории Вселенной, люди были уверены, что центром нашей галактики является Земля, то сегодня нет никаких сомнений, что все происходит с точностью до наоборот.

И сегодня мы разберёмся с тем, почему Земля и все остальные планеты движутся вокруг Солнца.

Почему планеты вращаются вокруг Солнца

Как Земля, так и все остальные планеты нашей солнечной системы движутся по своей траектории вокруг Солнца. Скорость их движения и траектория могут быть разными, однако все они держатся у нашего естественного светила.

Наша задача заключается в том, чтобы максимально просто и доступно разобраться с тем, почему именно Солнце стало центром вселенной, притягивающим к себе все остальные небесные тела.

Начнем мы с того, что Солнце является самым крупным объектом в нашей галактике. Масса нашего светила в разы превышает массу всех остальных тел в совокупности. А в физике, как известно, действует сила всемирного тяготения, которую никто не отменял, в том числе, и для Космоса. Ее закон гласит, что тела с меньшей массой притягиваются к телам с большей массой. Именно поэтому все планеты, спутники и другие космические объекты и притягиваются к Солнцу, самому крупному из них.

Сила тяготения, к слову, аналогичным образом работает и на Земле. Вспомните, например, что происходит с теннисным мячиком, брошенным в воздух. Он падает, притягиваясь к поверхности нашей планеты.

Понимая принцип стремления планет к Солнцу, возникает очевидный вопрос: почему они не падают на поверхность звезды, а движутся вокруг нее по собственной траектории.

И этому также имеется вполне доступное объяснение. Все дело в том, что Земля и другие планеты пребывают в постоянном движении. И, чтобы не вдаваться в формулы и научные разглагольствования, приведем еще один простой пример. Вновь возьмем теннисный мяч и представим, что вы смогли бросить его вперед с такой силой, которая недоступна никому из людей. Этот мяч будет лететь вперед, продолжая падать вниз, притягиваясь к Земле. Однако Земля, как вы помните, имеет форму шара. Таким образом, мяч сможет летать вокруг нашей планеты по определенной траектории бесконечно, притягиваясь к поверхности, но двигаясь так быстро, что траектория его движения будет постоянно огибать окружность земного шара.

Аналогичная ситуация происходит и в Космосе, где всё и все вращаются вокруг Солнца. Что же касается орбиты каждого из объектов, то траектория их движения зависит от скорости и массы. А эти показатели у всех объектов, как вы понимаете, разные.

Вот почему Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца, и никак иначе.

Изучение видимого движения планет на неизменном фоне звездного неба позволило дать полное кинематическое описание движения планет относительно инерциальной системы отсчета Солнце - звезды. Траектории планет оказались замкнутыми кривыми, получившими название орбит. Орбиты близки к окружностям с центром в Солнце, а движение планет по орбитам оказалось близким к равномерному. Исключение составляют только кометы и некоторые астероиды, расстояние от которых до Солнца и скорость движения которых меняются в широких пределах, а орбиты сильно вытянуты. Расстояния от планет до Солнца (радиусы орбит) и времена обращения этих планет вокруг Солнца весьма различны (табл. 2). Обозначения первых шести планет, приведенные в таблице, сохранились еще со времен астрологов.

Таблица 2. Сведения о планетах

В действительности орбиты планет не вполне круговые, а их скорости не вполне постоянны. Точное описание движений всех планет было дано немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630) - в его время были известны только первые шесть планет - в виде трех законов (рис. 199).

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Радиус-вектор планеты (вектор, проведенный от Солнца к планете) в равные времена описывает равные площади.

3. Квадраты времен обращения любых двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Из этих законов можно сделать ряд выводов о силах, под действием которых движутся планеты. Рассмотрим вначале движение какой-либо одной планеты. Ближайший к Солнцу () конец большой оси орбиты называют перигелием; другой конец называют афелием (рис. 200). Так как эллипс симметричен относительно обеих своих осей, то радиусы кривизны в перигелии и афелии равны. Значит, согласно сказанному в § 27, нормальные ускорения и в этих точках относятся как квадраты скоростей планеты и :

(123.1)

Рис. 199. Если из точки в точку планета перемещается за то же время, что из точки в точку , то площади, заштрихованные на рисунке, равны

Рис. 200. К определению отношения скоростей планеты в перигелии и афелии

Рассмотрим малые пути и , симметричные относительно перигелия и афелия и совершаемые за одинаковые промежутки времени . Согласно второму закону Кеплера площади секторов и должны быть равны. Дуги эллипса и равны и . На рис.200 для наглядности дуги сделаны довольно большими. Если же взять эти дуги крайне малыми (для чего промежуток времени должен быть малым), то отличием дуги от хорды можно пренебречь и рассматривать описанные радиус-вектором секторы как равнобедренные треугольники и . Их площади равны соответственно и , где и - расстояния от афелия и перигелия до Солнца. Значит, , откуда . Наконец, подставляя это соотношение в (123.1), найдем

. (123.2)

Так как в перигелии и афелии тангенциальные ускорения равны нулю, то и представляют собой ускорения планеты в этих точках. Они направлены к Солнцу (вдоль большой оси орбиты).

Расчет показывает, что и во всех других точках траектории ускорение направлено к Солнцу и изменяется по тому же закону, т. е. обратно пропорционально квадрату расстояния планеты от Солнца; поэтому для любой точки орбиты

где - ускорение планеты, - расстояние от нее до Солнца. Таким образом, ускорение планеты обратно пропорционально квадрату расстояния между Солнцем и планетой. Рассматривая угол, составляемый радиус-вектором планеты с касательной к траектории, видим (рис. 201), что при движении планеты от афелия к перигелию тангенциальная составляющая ускорения положительная скорость планеты растет; наоборот, при движении от перигелия к афелию скорость планеты уменьшается. В перигелии планета достигает наибольшей скорости, в афелии - наименьшей скорости движения.

Для выяснения зависимости ускорения планеты от расстояния ее до Солнца мы воспользовались первыми двумя законами Кеплера. Эту зависимость удалось найти потому, что планеты движутся по эллипсам, изменяя свое расстояние от Солнца. Если бы планеты двигались по окружностям, расстояние от планеты до Солнца и ее ускорение не менялись бы, и мы не смогли бы найти эту зависимость.

Рис. 201. При движении планеты от перигелия к афелию сила притяжения уменьшает скорость планеты, при движении от афелия к перигелию – увеличивает скорость планеты

Но при сравнении между собой ускорений различных планет можно удовлетвориться приближенным описанием движения планет, считая, что они движутся равномерно по окружностям. Обозначим радиусы орбит двух каких-нибудь планет через и , а периоды их обращения - через

Подставляя отношение квадратов времен обращения в формулу (123.4), найдем

Этот вывод можно переписать в таком виде: для любой планеты, находящейся на расстоянии от Солнца, ее ускорение

где - одна и та же постоянная для всех планет солнечной системы. Таким образом, ускорения планет обратно пропорциональны квадратам их расстояний от Солнца и направлены к Солнцу.

Из курса школьной астрономии, которая входит в программу уроков по географии, все мы знаем о существовании Солнечной системы и ее 8 планет. Они «кружатся» вокруг Солнца, но далеко не все знают, что существуют небесные тела с ретроградным вращением. Какая планета вращается в обратном направлении? На самом деле, их несколько. Это Венера, Уран и недавно открытая учеными планета, расположенная на дальней стороне Нептуна.

Ретроградное вращение

Движение каждой планеты подчиняется одному порядку, а солнечный ветер, метеориты и астероиды, сталкиваясь с ней, заставляют вращаться вокруг своей оси. Однако основную роль в движении небесных тел играет гравитация. Каждое из них имеет свой наклон оси и орбиты, изменение которого и влияет на ее вращение. Против часовой стрелки движутся планеты, угол наклона орбиты которых составляет от -90° до 90° , а небесные тела с углом от 90° до 180° относятся к телам с ретроградным вращением.

Наклон оси

Что касается наклона оси, то у ретроградных данное значение составляет 90°-270°. Например, угол наклона оси у Венеры составляет 177,36°, что не дает ей возможности двигаться против часовой стрелки, а открытый недавно космический объект Ника имеет угол наклона 110°. Следует отметить, что влияние массы небесного тела на его вращение до конца не изучено.

Неподвижный Меркурий

Наряду с ретроградными, в Солнечной системе присутствует планета, которая практически не вращается – это Меркурий, который не имеет спутников. Обратное вращение планет – не такое уж редкое явление, однако чаще всего оно встречается за пределами Солнечной системы. Общепризнанной модели ретроградного вращения на сегодняшний день не существует, что дает возможность юным астрономам совершать потрясающие открытия.

Причины ретроградного вращения

Существует несколько причин, по которым планеты меняют курс своего движения:

• столкновение с более крупными космическими объектами
• изменение угла наклонения орбиты
• изменение наклона оси
• изменения в гравитационном поле (вмешательство астероидов, метеоритов, космического мусора и пр.)

Также причиной ретроградного вращения может быть орбита другого космического тела. Существует мнение, что причиной обратного движения Венеры могли стать солнечные приливы, затормозившие ее вращение.

Формирование планет

Практически каждая планета в период своего формирования подвергалась множеству ударов астероидов, в результате которых изменялась ее форма и радиус орбиты. Немаловажную роль играет также и тот факт близкого формирования группы планет и большого скопления космического мусора, в результате чего расстояние между ними минимальное, что, в свою очередь, приводит к нарушению гравитационного поля.