Как изменяется период вращения планет с удалением от солнца

Решим задачу: какую часть длины своей орбиты пролетит Марс за то время, пока Земля пролетит половину длины своей орбиты?

1) Половину длины своей орбиты Земля пролетит за 365,26 суток : 2 = 182,63 суток.

2) Найдём, какую часть года Марса составляют 182,63 суток. 182,63 суток : (1,88 земных лет · 365,26 суток/году) ≈ 0,27 или ≈ 1/4. Соответственно, за 1/4 года Марс пролетит 1/4 своей орбиты.

В понимании учёных птолемеевской эпохи планеты обращались вокруг Солнца по идеальным окружностям. Только в начале XVII века великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер пришёл к выводу, что планеты должны обращаться вокруг Солнца не по окружностям, а по эллипсам. Открытый им первый закон движения планет (I закон Кеплера) так и гласит: «Каждая планета обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце». Эллипс выглядит так (точками показаны фокусы эллипса):

Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием, а наиболее удалённая — афелием. Орбиты планет, конечно, не так сильно вытянуты, как эллипс на рисунке. Они близки к окружностям, но у каждой из них имеется свой перигелий и афелий. Орбитальная скорость планеты в перигелии максимальна, а в афелии — минимальна. Например, у Земли в перигелии скорость 30,27 км/с, а в афелии — 29,27 км/с.

Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн были известны с древнейших времён. Их никто не открывал, поскольку они видны невооружённым глазом. Уран и Нептун невооружённым глазом не видны (Уран виден на пределе возможностей человеческого глаза), поэтому их смогли открыть только после изобретения телескопа. Уран был случайно открыт английским астрономом Вильямом Гершелем в 1781 г., а Нептун был найден в 1846 г. немецким астрономом Иоганном Галле по результатам вычислений английского математика Урбена Леверье. Долгое время к планетам относили Плутон — космическое тело диаметром всего 2 400 км, открытое американским астрономом Клайдом Томбо в 1930 г. С 2006 г. Плутон относят к классу карликовых планет.

Планеты вместе с Солнцем и Луной участвуют в суточном вращении звёздного неба, а значит восходят в восточной части горизонта, поднимаются, опускаются и заходят в западной части горизонта. Как известно, причиной суточного вращения является осевое вращение Земли. Но поскольку сами планеты обращаются вокруг Солнца и мы наблюдаем за ними с движущейся Земли, планеты постепенно смещаются относительно звёзд. Такое движение называют видимым годовым движением (или перемещением) планет. Видимое годовое движение планет и орбитальное движение — не одно и то же. По орбите планеты всегда движутся в одну и ту же сторону с почти постоянными скоростями. А на небе они могут замедлять своё движение, останавливаться, пятиться назад, описывая петли и зигзаги («планетес» в переводе означает «блуждающее светило»).

Видимое перемещение планет — кажущееся, мнимое. Вот так выглядела на небе петля Марса в 2009-2010 гг.:

По отношению к земной орбите планеты разделяют на внешние (верхние) и внутренние (нижние). Внутренние планеты находятся внутри земной орбиты (Меркурий и Венера), а внешние — снаружи (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). От этого во многом зависят условия видимости планет на звёздном небе. Условия видимости — это время суток, когда планета видна (вечером, ночью, под утро), это продолжительность видимости (от нескольких минут до 12 часов), это высота над горизонтом (чем выше поднимется планета, тем лучше её изображение в телескопе), это её видимый угловой диаметр (чем он больше, тем больше подробностей можно разглядеть на планете в телескоп). Условия видимости планеты постоянно изменяются, улучшаются или ухудшаются.

Важны и конфигурации (расположения), которые образуют планеты с Солнцем и Землёй.

Для внутренних планет (Меркурия и Венеры) характерны верхние и нижние соединения, а также западные и восточные элонгации (наибольшие видимые на небе у даления от Солнца). Для внешних планет (Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) характерны соединения, противостояния, а также западные и восточные квадратуры.

Нижнее соединение внутренней планеты — планета находится между Солнцем и Землёй и поэтому не видна, кроме случаев, когда диск планеты проецируется на диск Солнца (явление перемещения диска планеты по диску Солнца называется прохождением; пример — прохождение Венеры по диску Солнца 8 июня 2012 года). При этом планета находится на минимальном расстоянии от Земли.

Верхнее соединение внутренней планеты — планета не видна, так как находится за Солнцем. Расстояние от Земли до планеты максимальное.

Западная элонгация внутренней планеты — планета видна в виде серпа утром перед восходом Солнца. Элонгации — наилучшее время для наблюдений внутренней планеты.

Восточная элонгация внутренней планеты — планета видна в виде серпа вечером после захода Солнца.

Соединение внешней планеты — планета не видна, так как находится за Солнцем. Расстояние до планеты максимальное.

Противостояние внешней планеты — Земля находится между Солнцем и планетой; планета видна всю ночь в виде полностью освещённого диска. Противостояния — наилучшее время для наблюдений внешних планет. Расстояние до планеты минимальное, видимый диаметр диска максимальный.

Западная квадратура внешней планеты — планета видна во второй половине ночи в восточной стороне небосвода.

Восточная квадратура внешней планеты — планета видна в первой половине ночи в западной стороне небосвода.

Из схемы легко понять, что внутренние планеты никогда не бывают в противостоянии и не могут быть видны всю ночь. Внешние планеты никогда не проецируются на диск Солнца. Разберём следующую конфигурацию планет:

С Марса:

— можно увидеть Венеру вечером после захода Солнца (Солнце правее Венеры и, следовательно, раньше зайдёт за горизонт), Венера выглядит в форме серпа, повёрнутого вправо;

— можно увидеть Землю утром перед восходом Солнца (Солнце левее Земли и, следовательно, восходит позже Земли), диск Земли освещён чуть больше половины, выпуклость влево;

— Солнце, Венеру и Землю одновременно увидеть нельзя, т.к. все они находятся над горизонтом в дневное время суток, а небо на Марсе днём весьма светлое;

— Венера движется быстрее Марса, следовательно, расстояние между ними будет сокращаться, пока не наступит нижнее соединение;

— Венера на небе Марса будет приближаться к Солнцу и продолжительность её видимости по вечерам будет уменьшаться.

С Земли:

— Венеру не видно, она за Солнцем (расстояние до Венеры максимальное, но будет постепенно сокращаться);

— Венера восходит и заходит вместе с Солнцем;

— через несколько недель Венера выйдет из-за Солнца и будет видна по вечерам;

— Марс виден по вечерам, его диск освещён больше половины, выпуклость вправо;

— Земля движется быстрее Марса, убегает от него, расстояние между ними увеличивается;

— продолжительность видимости Марса уменьшается, вскорости наступит соединение Марса с Солнцем (Марс будет за Солнцем).

С Венеры (считаем, что атмосфера как у Земли):

— Землю не видно, она за Солнцем (соединение), расстояние до Земли максимально;

— Земля восходит и заходит одновременно с Солнцем;

— Венера движется быстрее Земли и будет постепенно догонять её, расстояние будет сокращаться;

— скоро Землю можно будет увидеть по вечерам после захода Солнца (Венера имеет обратное вращение);

— Марс виден по вечерам, расстояние между Венерой и Марсом сокращается, видимый размер Марса будет увеличиваться;

— условия видимости Марса улучшаются, скоро наступит противостояние и Марс будет виден всю ночь.

Расстояния между Землёй и планетами постоянно изменяются. Поэтому изменяются и видимые (угловые) размеры планет на земном небе. Вот в каких пределах они изменяются:

Меркурий 4,5 — 13,0”

Юпитер 29,8 — 50,1”

Сатурн 14,5 — 20,1”

Планеты также разделяют на планеты земной группы и планеты-гиганты.

Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) сравнительно близко расположены к Солнцу и поэтому получают от него значительное количество тепла и света. Для поддержания жизни на Земле, например, это является определяющим фактором. Планеты земной группы небольшие, сравнительно медленно вращаются вокруг своих осей, имеют твёрдую поверхность, высокую плотность, имеют мало спутников (Земля — 1, Марс — 2) или не имеют их вообще (Меркурий и Венера).

Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) расположены сравнительно далеко от Солнца и, следовательно, слабо освещаются и согреваются его лучами. Планеты-гиганты в несколько раз по диаметру превосходят Землю, довольно быстро вращаются вокруг своих осей, не имеют твёрдой поверхности, имеют низкую плотность, обладают обширными системами спутников (у Юпитера известно 67 спутников на сегодняшний день). Кроме того, у всех планет-гигантов обнаружены кольца (особенно мощными и красивыми кольцами обладает Сатурн). Кольца состоят из отдельных частиц различного размера. Частицы обращаются вокруг планет подобно спутникам.

Движение вокруг оси называется вращением, а движение вокруг Солнца или планеты — обращением.

Все звёзды и планеты вращаются вокруг своих осей. Такое вращение называется осевым. Осевое вращение звёзд и планет приводит к их сжатию с полюсов. Строго говоря, ни одна звезда, ни одна планета не является по форме шаром. Чем быстрее вращается планета, тем сильнее она сжата с полюсов. Сжатие с полюсов называется полярным сжатием. При этом полярный диаметр планеты всегда короче экваториального диаметра. Например, у Земли полярный диаметр на 43 км короче экваториального (43 км от среднего диаметра Земли 12 750 км составляет ≈ 0,003). Поскольку планеты земной группы твёрдые и сравнительно медленно вращаются, их полярное сжатие небольшое. В отличие от них планеты-гиганты являются газо-жидкими телами. Их быстрое осевое вращение придаёт им сплюснутую форму, которая хорошо заметна не только на фотографиях, но и в небольшие телескопы. Например, полярный диаметр Сатурна короче экваториального на 11 800 км (11 800 км от среднего диаметра Сатурна 114 000 км составляет ≈ 0,1). О планетах говорят, что они имеют форму эллипсоида вращения.

Период вращения планеты по отношению к звёздам называется сидерическим периодом вращения или звёздными сутками.

Самые длинные звёздные сутки на Венере. Весьма интересно также, что Венера вращается по отношению к другим планетам в обратную сторону, т.е. с востока на запад. Самые короткие звёздные сутки у Юпитера. Нужно помнить, что планеты-гиганты газо-жидкие и поэтому вращаются неравномерно, как и Солнце. Например, экваториальные зоны Юпитера совершают полный оборот за 9 часов 50,5 минут, а зоны в средних широтах — за 9 часов 55,5 минут, т.е. на 5 минут дольше! Поэтому не имеет смысла говорить о периодах вращения планет-гигантов с точностью до секунд (как у Земли и Марса). У планет-гигантов в таблице приведены периоды вращения на средних широтах.

Через орбиту любой планеты можно провести плоскость — плоскость орбиты. Плоскости орбит планет не совпадают. К плоскости орбиты Земли они наклонены под углами от 0,77º (Уран) до 7º (Меркурий).

Оси вращения планет наклонены к плоскостям их орбит под различными углами:

Источник