Реферат: Вращение небесных тел. Наклон плоскостей экваторов небесных тел

Вращение небесных тел. Наклон плоскостей экваторов небесных тел

Паршаков Евгений Афанасьевич

Периоды и направления осевого вращения у небесных тел Солнечной системы имеют, по-видимому, наибольшее разнообразие из всех их характеристик. Все крупные тела Солнечной системы в зависимости от типа их осевого вращения можно разделить на три большие группы. К одной группе относятся те небесные тела, которые имеют прямое несинхронное вращение. К этой группе относятся семь планет Солнечной системы: Меркурий, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Нептун, Плутон и спутник Сатурна Титан. К другой группе относятся небесные тела с прямым синхронным вращением вокруг своей оси. К этой группе относятся крупнейшие спутники Солнечной системы: Луна, Ио, Европа, Ганимед, Каллисто, Тритон, Харон и др. К третьей группе относятся всего три небесных тела Солнечной системы: Солнце, Венера и Уран, которые имеют обратное вращение вокруг своей оси.

Что же касается малых тел Солнечной системы, то все они относятся к одной из этих групп, поэтому мы их рассматривать отдельно не будем.

Скорость и направление осевого вращения небесных тел определяются в основном двумя факторами, один из которых, как правило, усиливает осевое вращение, другой замедляет его. Фактором, усиливающим прямое осевое вращение небесных тел, является выпадение на их поверхность космических осадков: диффузной материи и небесных тел. Усиление осевого вращения небесных тел в прямом направлении происходит по той причине, что встречные космические осадки имеют гораздо большую скорость относительно небесного тепа, на которое они выпадают, чем попутные, а из встречного потока космических осадков большую скорость имеют те осадки, которые падают на поверхность небесных тел со стороны центрального тела, что объясняется увеличением их скорости под воздействием гравитационного притяжения со стороны центрального тела, к которому они расположены ближе, чем космические осадки, падающие на внешнюю сторону небесного тела (см. рис. 9).

Если небесное тело перед наступлением галактической зимы вращалось в прямом направлении, то его скорость вращения вокруг своей оси во время галактической зимы увеличится. Если же небесное тело вращалось до галактической зимы в обратном направлении, то его скорость осевого вращения будет при наступлении галактической зимы замедляться. Следовательно, почти у всех крупных тел Солнечной системы скорость осевого вращения при наступлении очередной галактической зимы будет увеличиваться. И только у Венеры и Урана осевое вращение будет замедляться. Увеличиваться скорость осевого вращения будет и у Солнца, хотя оно вращается по отношению к своему орбитальному обращению в обратную сторону.

Дело в том, что звезды обращаются по своим орбитам вокруг центра Галактики по иным законам, чем, скажем, планеты Солнечной системы вокруг Солнца. В Солнечной системе планеты имеют тем большую скорость, как линейную, так и угловую, чем ближе они находятся к Солнцу. Сравним крайние планеты Солнечной системы - Меркурий и Плутон. Орбитальная скорость Плутона равна 4, 7 км/сек, а Меркурия - 47, 9 км/сек, т. е. в 10 раз больше. Период обращения Меркурия равен 0, 24 года, а период обращения Плутона - 248, 4 года, т. е. в 1000 раз больше. Следовательно, и угловая скорость Меркурия в 1000 раз больше, чем у Плутона.

Ближние же звезды, в том числе Солнце, двигаются вокруг центра Галактики, как утверждают астрономы, с одинаковой угловой скоростью. А это значит, что орбитальная линейная скорость у звезд тем выше, чем они дальше находятся от центра Галактики. Если у одной из двух звезд расстояние от центра Галактики будет в 2 раза больше, чем у второй, то и линейная скорость у этой звезды будет тоже в 2 раза больше. Если бы планеты Солнечной системы двигались по этим законам, то не Меркурий бы двигался по орбите с линейной скоростью в 10 раз большей, чем Плутон, а наоборот, Плутон бы двигался быстрее Меркурия, причем в 100 раз, поскольку он находится дальше от Меркурия именно в 100 раз.

Но если звезды двигаются с одинаковой угловой скоростью, то и космические осадки, двигающиеся навстречу им, также двигаются с одинаковой угловой скоростью. Линейная же скорость у космических осадков будет несколько различной: осадки, падающие на внутреннюю строну Солнца, т.е. со стороны центра Галактики, будут иметь меньшую линейную скорость, чем те осадки, которые будут падать на поверхность Солнца с внешней стороны. Эта разница в их скоростях незначительна, но она все же существует и космические осадки, выпадающие на поверхность Солнца, постепенно раскручивают Солнце в обратном направлении относительно его направления орбитального движения. В результате Солнце обращается вокруг центра Галактики по часовой стрелке, а вращается вокруг своей оси против часовой стрелки.

Фактором, замедляющим осевое вращение небесных тел, является приливное трение, вызываeмoe в их литосфере, гидросфере и атмосфере центральным телом, спутниками и соседними небесными телами - планетами, спутниками, астероидами и кометами. Торможение приливным трением тем сильнее, чем ближе и массивнее тела, оказывающие приливное торможение. Наибольшее торможение осевого вращения небесных тел приливным трением вызывают центральные тела на свои ближайшие спутники. В результате мощного приливного трения, которое вызывает Солнце на Меркурии и Венере, последние имеют небольшую скорость осевого вращения. А Земля, Юпитер, Сатурн и другие планеты настолько затормозили вызываемым ими приливным трением осевое вращение своих спутников, по крайней мере ближних, что последние вращаются вокруг своих осей вращения синхронно, т.е. с периодами, равными периодами их обращения вокруг своих планет и, вследствие этого, всегда повернуты к центральным телам одной стороной.

Но и спутники тормозят осевое вращение своих планет, хотя и медленно, из-за их малой массы по сравнению с планетами. А спутник Плутона Харон, имеющий большую, относительно массы Плутона, массу и находящийся довольно близко от него, настолько затормозил осевое вращение Плутона, что последний тоже всегда повернут к Харону одной стороной, т.е. вращается относительно своего спутника синхронно. Планеты также тормозят осевое вращение Солнца, хотя и незначительно.

Любопытно, что самая близкая к Солнцу планета - Меркурий, не повернута к нему всегда одной стороной, как ближние спутники к планетам, а имеет хотя и медленное, но прямое вращение. Это можно объяснить тем, что Меркурий имеет значительный эксцентриситет (0, 206) и, вследствие этого, его расстояние от Солнца и скорость движения по орбите сильно изменяются. Если бы Меркурий двигался по орбите с постоянной скоростью, то его период осевого вращения в точности соответствовал бы его периоду обращения вокруг Солнца. Но, поскольку наибольшее приливное воздействие на Меркурий вызывается Солнцем в перигелии, где Меркурий имеет наибольшую орбитальную скорость, это накладывает отпечаток на его осевое вращение. Если в афелии скорость осевого вращения Меркурия больше угловой скорости орбитального движения, то в перигелии, наоборот, угловая скорость перемещения по орбите больше скорости осевого вращения и, в результате, приливное трение на Меркурий, вызываемое Солнцем, действует то в одну сторону, увеличивая скорость осевого вращения Меркурия, то в другую, уменьшая ее. На одной части орбиты Меркурия, с той стороны, где находится его афелий, Солнце тормозит осевое вращение Меркурия, а на другой части орбиты, с той ее стороны, где находится перигелий Меркурия, Солнце, наоборот, ускоряет его осевое вращение.

Тот участок орбиты Меркурия, где осевое вращение ускоряется Солнцем, меньше другого участка, где осевое вращение Меркурия замедляется, но на меньшем по длине участке орбиты, где осевое вращение Меркурия ускоряется, он находится в полтора раза ближе от Солнца, поэтому сила притяжения здесь в 2, 3 раза больше, чем в афелии, и Солнце на этом участке оказывает, по-видимому, такое же суммарное ускорение на осевое вращение Меркурия, какое суммарное замедление оно оказывает на осевое вращение Меркурия на втором, более протяженном участке. Короче, на сколько Солнце ускоряет осевое вращение Меркурия на одной, меньшей части его орбиты, на столько же оно его замедляет на другой, большей части его орбиты. В целом же период вращения Меркурия вокруг своей оси, в силу этого обстоятельства, является меньше периода его обращения вокруг Солнца.

Выше мы говорили, что семь планет Солнечной системы имеют прямое несинхронное вращение вокруг своей оси. Однако в осевом вращении планет этой группы имеются также значительные различия. Во-первых, Плутон, в отличие от других планет, вращается синхронно по отношению к своему спутнику Харону, т. е. период вращения Плутона равен периоду обращения Харона вокруг Плутона. Во-вторых, планеты Земля, Марс, Сатурн и Нептун имеют значительные наклоны плоскостей экватора к плоскостям своих орбит, от 230 до 290. Причина синхронного вращения Плутона легко объяснима: Плутон вращается синхронно под влиянием приливного трения со стороны его относительно массивного спутника. А вот наличие большого угла наклона плоскостей экваторов у ряда планет, а также обратное направление вращения Урана и Венеры, небулярные гипотезы объяснить не в состоянии. С точки же зрения предлагаемой гипотезы объяснение больших наклонов плоскостей экваторов планет является довольно простым.

Малые тела Солнечной системы, из которых, по мере их постепенного роста, образуются планеты, имеют самые различные наклонения своих орбит к плоскости экватора Солнца, в том числе свыше 900, т. е. имеют обратные направлен ия обращения. При этом малые тела, как и планеты, вращаются вокруг своих осей вращения, причем углы наклона плоскостей их экваторов к плоскостям их орбит незначительны, и тем более близки к нулю, чем меньшими являются их размеры и массы и чем дальше они находятся от центрального тела, хотя могут быть и исключения. Со временем же наклонения их орбит к плоскости экватора центрального тела уменьшаются, причем обратное направление обращения меняется на прямое. Углы наклонения орбит небесных тел с каждой галактической зимой все более и более уменьшаются, приближаясь к нулю. И между плоскостями орбит небесных тел и плоскостями их экваторов возникает несовпадение, возникает угол наклона плоскости экватора к плоскости орбиты небесного тела. Допустим, угол наклонения орбиты какого-то небесного тела в какой-то момент времени был равен 400, а угол наклона плоскости экватора к плоскости орбиты был равен 00. Если через некоторое время угол наклонения уменьшится на 100 и будет равен 300, а плоскость экватора при этом относительно плоскости эклиптики не изменится, то у этого небесного тела возникнет наклон плоскости экватора к плоскости его орбиты, равный 100.

Тот факт, что многие небесные тела, большие и малые, имеют наклоны плоскостей экватора к плоскостям своих орбит, говорит лишь о том, что ранее эти тела обращались вокруг центрального тела с большими наклонениями, чем сейчас. Потом наклонения уменьшились, зато наклоны плоскостей их экваторов возросли. Если бы плоскости экваторов небесных тел со временем не изменялись, в отличие от плоскостей их орбит, то было бы чрезвычайно просто определить их первоначальные направления обращения вокруг центрального тела. Для этого достаточно было бы сложить угол наклона плоскости экватора небесного тела к плоскости орбиты с углом наклонения плоскости орбиты к плоскости экватора Солнца. Если угол наклонения какого-то небесного тела равен в настоящее время 30, а угол наклона равен 250, то можно бы было сделать вывод, что первоначально это небесное тело обращалось вокруг центрального тела с наклонением орбиты в 280, а наклон плоскости экватора его был равен нулю. Но дело в том, что со временем изменяется не только наклонение плоскости орбиты небесных тел, все более и более уменьшаясь, но и наклон плоскости экватора, который, как и наклонение, также стремится уменьшиться, все более приближаясь к нулю. Поэтому в нашем примере мы можем лишь сказать, что ранее рассматриваемое нами небесное тело обращалось вокруг центрального тела с углом наклонения большим, чем 280.

Мы можем, следовательно, сказать, что в далеком прошлом Земля обращалась вокруг Солнца по орбите, имевшей угол наклонения с ее современной орбитой свыше 230, Нептун - с углом наклонения свыше 290, Уран - с углом наклонения свыше 980 и т.д.

Каким образом изменяется наклонение орбит небесных тел, мы уже рассмотрели. Изменение же направления осевого вращения небесных тел определяется в каждый данный момент времени исключительно направлением их обращения вокруг центрального тела. Направление вращения небесных тел вокруг своей оси определяется направлением их обращения вокруг центрального тела во время выпадения космических осадков на их поверхность, т. е. преимущественно во время галактических зим, по той причине, что встречные космические осадки, падающие на внутреннюю, по отношению к центральному телу, часть поверхности небесного тела, приобретают под действием гравитационного притяжения со стороны центрального тела большую кинетическую энергию, большую скорость, чем те осадки, которые выпадают на внешнюю часть небесного тела. Это избыточное количество движения космических осадков превращается во вращательное движение небесных тел в прямом направлении и в плоскости орбиты небесного тела. Поэтому прямое вращение небесных тел усиливается, обратное - замедляется, а плоскость экватора сближается с плоскостью орбиты, поскольку наибольшую скорость относительно небесного тела имеют как раз те космические осадки, которые движутся навстречу небесному телу в плоскости его орбиты.

В результате за время очередной галактической зимы происходит не только ускорение прямого вращения или замедление обратного, но и изменение наклона плоскости экватора к плоскости орбиты небесного тела. Но в это же самое время, как мы видели выше, происходит и изменение наклонения плоскости орбиты. Вследствие этого изменение наклона плоскости экватора происходит с опозданием. Плоскость экватора стремится приблизиться к плоскости орбиты, а плоскость орбиты удаляется от нее, стремясь приблизиться к плоскости экватора центрального тела. В конечном счете и плоскость орбиты, и плоскость экватора каждого небесного тела совместятся с плоскостью экватора центрального тела, но сначала с плоскостью экватора центрального тела совместится плоскость орбиты небесного тела, а потом уже - плоскость его экватора. Изменение наклонения плоскости орбит и наклона плоскости экватора небесного тела происходит одновременно и в одном направлении - в направлении плоскости экватора центрального тела, но темпы изменения наклонения плоскости орбиты и наклона плоскости экватора весьма и весьма различны. И в этом все дело. Предположим, что наклонение орбиты Урана изменялось в 2, 5 раза быстрее, чем наклон его экватора.

Тогда получится, что в то время, когда наклон экватора был равен нулю, наклонение орбиты равнялось, примерно, 1630. За многие галактические зимы и наклон экватора, и наклонение орбиты Урана изменились. При этом наклон экватора изменился на 650 и стал равен современному, т. е. 980, а наклонение орбиты изменилось в 2, 5 раза больше, т. е. на 162, 50 и почти совпадает с плоскостью экватора Солнца.

Изменение и наклонений орбит небесных тел, и наклонов их экваторов во время галактических зим постоянно происходит и будет происходить до тех пор, пока и наклонение орбиты, и затем наклон экватора небесного тела не будут равны нулю. Их же наличие говорит о том, что раньше наклонения орбит были иными, чем сейчас, несколько большими, чем их современные наклоны экваторов.