Урок "Подібність та відмінність між планетами земної групи та планетами-гігантами. Планети земної групи. Фізичні та орбітальні характеристики"

Лекція

Тема. Подібність та відмінність між планетами земної групи та планетами-гігантами. Планети земної групи. Фізичні та орбітальні характеристики. Фізичні характеристики Землі. Внутрішня будова Землі. Будова атмосфери. Рухи в оболонках землі. Клімат. Причини змін пір року. Місяць: фізичні характеристики та проблема походження. Рельєф та фізичні умови на поверхні.

Мета: навчальна: розглянути основні особливості планет земної групи, їхні фізичні характеристики, установити причиново-наслідкові зв’язки явищ у Сонячній системі;

розвивальна: продовжити формування умінь самостійно працювати з навчальною, довідковою і науково-популярною літературою; продовжити розвиток інтересу до предмета;

виховна: продовжити формування уміння узагальнювати факти, аналізуючи їх; розвивати науковий світогляд у ході ознайомлення з історією вивчення і природою планет.

ХІД  ЗАНЯТТЯ

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ

ІІ. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ

Планети можна поділити на два основні класи: великі, що мають невисоку густину, - планети-гіганти, і менш великі землеподібні планети, що мають тверду поверхню. Згідно з визначенням Міжнародного астрономічного союзу, у Сонячній системі 8 планет. У порядку віддалення від Сонця – чотири земле подібні: Меркурій, Венера, Земля, Марс, потім – чотири планети-гіганти: Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун.

Починаючи з 1992 року, після того як було відкрито сотні планет навколо інших зір, названих екзопланетами, вчені почали розуміти, що планети можна виявити в Галактиці скрізь і їх характеристики схожі з аналогічними особливостями планет Сонячної системи. Станом на грудень 2010 відомо вже 505 екзопланет – від планет-гігантів до планет земної групи.

ІІІ. ПОЯСНЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Подорож до планет земної групи

Заняття з цієї теми проводять у вигляді рольової гри “Космічна подорож до планет Сонячної системи”.

Студентів за два-три тижні необхідно попередити про тему майбутнього заняття, розділивши усіх на групи. Кожна група має підготувати повідомлення за однією із запропонованих тем для вивчення планет земної групи. Студенти збирають повну інформацію про історію вивчення даних планет, методи вивчення фізичних характеристик цих планет (кожна група готує одну тему), а також заздалегідь готують питання за матеріалом, що опрацьовує інша група. Так, наприклад, студенти, що готують повідомлення про планету Меркурій, готують питання для групи студентів, що вивчають властивості планети Венера.

Студенти пропонують свої доповіді, супроводжуючи їх презентаціями, демонстрацією відеофрагментів.

Теми повідомлень

1. Меркурій – найближча до Сонця планета.

2. Венера – ранкова зоря.

3. Наша планета.

4. Червона планета.

Приблизний план повідомлення

1. Група, до якої належить планета.

2. Розмір і маса планети.

3. Відстань планети від Сонця.

4. Період її обертання та звернення.

5. Характеристика атмосфери.

6. Температурні умови.

7. Рельєф (для планет земної групи).

8. Число та характеристика супутників.

9. Цікаві подробиці про планету.

Додаткова інформація про планети

Меркурій

Меркурій швидше за все був відкритий найдавнішими пастушачими племенами, що жили в долинах Нілу або Тигру і Євфрату. Однак нелегко було здогадатися, що порівняно яскрава вечірня і ранкова зорі – одне і те саме світило. Недарма в давніх народів воно має 2 імені: у єгиптян – Сет і Гор, в індійців – Будда і Рогінея, греки ж його іменували Аполлон і Гермес ( у римській міфології богу Гермесу відповідав Меркурій).

До середини ХХ ст. астрономи досить добре знали елементи орбіти Меркурія. Однак про фізичні властивості, природу планети, період її обертання навколо осі до останнього часу було мало відомостей.

1974 р. американський космічний апарат “Марінер-10” пролетів поблизу Меркурія і передав на Землю зображення його поверхні. Астрономи було уражені. Перед ними постав другий Місяць.

Дослідження фотографічних зображень поверхні Меркурія дозволили скласти ймовірну картину еволюції планети. У початковий період Меркурій зазнав сильного внутрішнього розігрівання, наслідком чого було настання однієї чи кількох епох активного вулканізму.

Після завершення процесу формування планети її поверхня була гладкою (ділянки цієї давньої поверхні добре помітні). Далі настав період інтенсивного бомбардування Меркурія залишками допланетного рою (планетезималями).  Наступний етап характеризувався активним вулканізмом і виходом потоків лави, що заповнила великі басейни. Цей період завершився близько 3 млрд. років тому.

Розміри Меркурія незначні, він трохи більший за Місяць, середня густина його майже така сама, як у Землі. Імовірно, до центра планети густина підвищується до 9800 кг/м³. Це значить, що в Меркурія має бути залізне ядро R=1800 км (3/4 R планети).  На частку ядра припадає 80% маси Меркурія. У ядрі генеруються кільцеві електричні струми, що збуджують слабке магнітне поле планети.

Меркурій обертається навколо осі за 58 земних діб, що складає 2/3 меркуріанського року. День на Меркурії триває 88 діб, стільки ж триває ніч. Сонце втричі більше за видимим поперечником, ніж на Землі. Опівдні поверхня Меркурія нагрівається до 430^оС, і тому свинець і олово повинні там виплавлятися з гірських порід і розтікатися по поверхні сріблястими калюжами.

Урочі, навпаки, температура становить 180^о нижче нуля. Ці теплові контрасти не пом’якшуються бодай скільки-небудь густою атмосферою. Атмосфера навколо Меркурія є, але вона вкрай розріджена і створює біля поверхні тиск усього в 10^-12 бар. Головна складова меркуріанської атмосфери – це гелій. У незначній кількості наявні H₂, О₂, СО₂ з чадним газом.

Венера

Ця планета – одне з найкрасивіших світил неба. Не випадково саме її давні римляни назвали на честь богині любові і краси.

Для земного спостерігача Венера не відходить від Сонця далі, ніж на 48^о. Це пояснюється тим, що вона розташована ближче до Сонця, ніж до Землі. Протягом 585 діб чергуються періоди її вечірньої і вранішньої видимості.

У Венери найгустіша атмосфера серед планет земної групи, найповільніше обертання навколо осі і найменший ексцентриситет орбіти (е=0,007).

Рельєф планети складається з великих рівнин, перерізаних гірськими хребтами і височинами типу плато. Гірські області схожі на земні материки. Низовини, схожі на океанські басейни Землі, займають тільки шосту частину поверхні планети, тоді як на Землі 2/3.

У Венери має бути рідке залізне ядро, але руху речовини в ньому не відбувається – немає переміщення заряджених частинок, тобто електричного струму, а значить, і не виникає власне магнітного поля.

Марс

Вісь обертання Марса нахилена відносно площини орбіти на 22^о усього на 1,5^/ менше, ніж вісь обертання Землі нахилена до площини екліптики.

Марсіанський день мало чим відрізняється від земного: доба триває 24 год. 37 хв.

Унаслідок малої маси сила ваги на Марсі втричі нижче, ніж на Землі. На сьогодні структура гравітаційного поля Марса детально вивчена. Вона вказує на невеликі відхилення від однорідного розподілу густини в планеті. Ядро може мати радіус до половини радіуса планети. Очевидно, воно складається майже з чистого заліза або сплаву (Fe-S-Fe - сульфід заліза) і, можливо, розчиненого в них водню.

Очевидно, ядро Марса частково чи цілком перебуває в рідкому стані. Наявність у планети власного, хоча і слабкого магнітного поля підтверджує це.

Марс повинен мати щільну кору товщиною 70-100 км. Між ядром і корою знаходиться силікатна мантія, збагачена залізом. Червоні окисли заліза, що містяться в поверхневих породах, визначають колір планети. Зараз Марс продовжує остигати. Сейсмічна активність планети слабка.

Середня температура на Марсі значно нижче, ніж на Землі, близько -40^оС. Улітку вдень +25^оС, але вночі узимку до -125^оС. Це спричинено тим, що розріджена атмосфера Марса не може довго утримувати тепло.

Зміна пір року на Марсі відбувається так само, як і на Землі.

Планети земної групи

Планетам земної групи властиві порівняно невеликі розміри і маси, велика середня густина (для Меркурія, Венери і Землі відповідно 5,4,  5,2 і 5,5 г/см³, для Марса 3,97 г/см³) і тверда поверхня. Практично однакові значення густин свідчать про подібність співвідношень вмісту хімічних елементів, з яких утворені надра планет. Складаються переважно з силікатів і металевого заліза, кисню, кремнію, заліза, магнію, алюмінію та інших важких елементів.

Зовсім інший вигляд має порівняння хімічного складу атмосфер. Так, Меркурій має дуже розріджену газову оболонку, основним компонентом якої є гелій. Атмосфера Венери на 97% складається з вуглекислого газу; азоту в ній менше 2%, вміст водяної пари поблизу поверхні планети – всього 0,002%. Аналогічно в атмосфері Марса вуглекислого газу 95%, азоту 2,7%, водяної пари 0,1%. Щоправда, маси цих двох атмосфер різні. Атмосфера Марса дуже розріджена, і тиск біля його поверхні в середньому у 160 разів менший, ніж на рівні моря для Землі. Атмосфера Венери, навпаки, дуже густа, біля поверхні її густина лише у 15 разів менша від густини води і тиск – близько 90 атм. Отже, порівняно з іншими планетами земної групи, Земля має унікальний склад атмосфери, де переважають азот і кисень.

Згідно з сучасними теоріями колись у земній атмосфері також було багато вуглекислого газу, який посідав у ній друге місце за вмістом. Однак за наявності на Землі води, яка дуже добре розчиняє вуглекислий газ, під час формування осадових порід на дні океану він досить швидко був зв’язаний у вигляді карбонату в крейді та вапняку. Живі організми сприяють цьому процесу впродовж мільярдів років, тому практично весь вуглекислий газ зник з атмосфери планети. Якби зараз цей газ раптово виділився, тиск біля поверхні Землі  збільшився б до 40 атм.

Ще одна особливість планет земної групи: вони повільно обертаються навколо своїх осей. Зоряна доба на Меркурії триває близько 59 земних діб, а на Венері, як було виявлено у 1966 р. радіолокаційним методом, - 243,2 земної доби, причому планета обертається навколо осі у зворотному напрямку, тобто за годинниковою стрілкою, якщо дивитися на неї з боку північного полюса, а не проти, як більшість планет Сонячної системи. Земля і Марс обертаються навколо осей значно швидше, відповідно за 23 год. 56 хв. І 24 год. 37 хв.

2. Наша рідна планета та її супутник

Земля рухається навколо Сонця по близькій до колової орбіті, середній радіус якої – 149,6 млн.км – прийнято за 1 астрономічну одиницю. Період обертання по орбіті дорівнює часу 365,256 кульмінації “середнього Сонця”, або земної доби, швидкість руху по орбіті – 29,8 км/с. Нахил площини екватора до площини орбіти дорівнює 23^о 27^/.

Маса Землі – 5,510 кг/м³. Екваторіальний радіус планети становить R=6378 км, Земля має грушоподібну форму, звану геоїдом. Полярний радіус менше і дорівнює R₃=6356 км. Декомпозиція Землі з полюсів пояснюється її обертанням. Прискорення вільного падіння на поверхні становить в середньому g=9,78 м/с².

Вік Землі, за даними радіоізотопного методу й астрономічних досліджень, близький до 4,5 мільярда років.

Хімічний склад Землі: залізо – 39,9%, кисень – 27,7%, кремній – 14,5%, вуглець – 0,04% (усього 88 елементів).

Надра Землі як найбільш масивної з планет земної групи Сонячної системи відрізняються найбільшим ступенем диференційованості речовини і найбільшою інтенсивністю процесів гравітаційної диференціації. Еволюція земних надр триває і до сьогодні. Теплова енергія Землі – близько 1,3х10²⁷Дж.

Від межі земного ядра, із глибин 2900 км до літосфери мантію пронизують наскрізь мантійні плюми (“пера”) – стовпи розпеченої речовини діаметром 150-200 км і температурою, на 200-300 К вищою за навколишнє середовище. Вони переносять до поверхні Землі теплову енергію, що виділяється в ядрі планети. “Мантійний вітер” – рух розплавлених порід під впливом конвекції речовини – відхиляє плюми від вертикалі. У верхній мантії плюми розгалужуються; над ними відбуваються інтенсивні тектонічні і вулканічні процеси.

Літосфера (кора) завтовшки 4-6 км під океанами і 30-70 км під материками. Середній рівень земної кори – 2430 км. У будові  літосфери Землі виділяють 3 шари: осадових гірських порід (10-15 км), гранітів під материками і під ними щільних базальтів.

Густина літосфери становить 2,8 г/см³.

Середній хімічний склад літосфери: кисень – 49,4%, кремній – 25,8%, алюміній – 7,5%, залізо – 4,7%, вуглець – 0,087 %. Склад континентальної кори трохи інший: кисню – 45,2%; кремнію – 27,2%; алюмінію – 8,0%; заліза – 5,6%; кальцію – 5,1%; магнію – 2,8%; натрію – 2,3%; калію – 1,7%; титану – 0,9%; інших елементів близько 1%.

Місяць – єдиний природний супутник нашої планети. Це другий за яскравістю об’єкт на земній небозводі після Сонця і п’ятий за величиною природний супутник планет Сонячної системи. Він також є першим і єдиним позаземним об’єктом природного походження, на якому побувала людина. Середня відстань між центрами Землі і Місяця – 384 467 км.

• Радіус = 1738 км
• Велика піввісь орбіти = 384 400 км
• Орбітальний період = 27,321 661 діб
• Ексцентриситет орбіти = 0,0549
• Нахил орбіти екватора = 5,16^о
• Температура поверхні = від -160^оС до +120^оС
• Доба = 708 годин
• Відстань від Землі = 384 400 км.

Гравітаційні сили між Землею і Місяцем спричиняють деякі цікаві ефекти. Найвідоміший з них – морські припливи і відливи.

Вивчаючи геологічну будову Місяця, можна багато дізнатися про будову та розвиток Землі.

ІV. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Які типи об’єктів входять до складу Сонячної системи (назвіть у порядку віддаленості від Сонця великі планети)?

2. Перелічити основні відмінності планет земної групи порівняно з планетами-гігантами. (Очікувана відповідь: маса, розміри, періоди обертання, число супутників, густина, місце в Сонячній системі, умови виникнення).

3. Як відрізняються умови освітлення Сонцем планет земної групи і планет-гігантів? (Очікувана відповідь: планети земної групи одержують більше тепла від Сонця, температура на поверхні вища).

4. На яких планетах виявляється парниковий ефект? (Очікувана відповідь: на Венері, Землі).

5. З чого переважно складаються планети земної групи? (Очікувана відповідь: планети земної групи здебільшого складаються з густої кам’янистої речовини і металів).

6. Які планети земної групи мають густу атмосферу? (Очікувана відповідь: Венера, Земля. Марс має також атмосферу, але менш густу. Меркурій атмосфери практично не має).

V. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Читати с.269