Układ Słoneczny

Astronomowie częściej używają określenia wspomaganie grawitacyjne, ale to "dokładnie" to samo.
Pierwszy raz w historii lotów kosmicznych manewr wspomagania grawitacyjnego zastosowany został podczas misji Mariner 10 do wyhamowania sondy w pobliżu Wenus i wejścia na orbitę wokół Merkurego. Za majstersztyk w wykorzystaniu takiego manewru uznawana jest misja Cassini.

Aby odpowiedzieć na postawione pytanie trzeba najpierw zdefiniować pojęcie sfery oddziaływania lub sfery wpływu. Sfera wpływu jest to sfera działania planety, w której względne zaburzenia planetocentrycznej orbity ciała przez Słońce (tzn. orbity rozpatrywanej w układzie odniesienia związanym z planetą) są mniejsze od względnych zaburzeń heliocentrycznej orbity ciała przez planetę (tzn. orbity rozpatrywanej w układzie odniesienia związanym ze Słońcem). Uwaga (!) - to nie jest tożsame ze stwierdzeniem, że ciało jest silniej przyciągane przez planetę niż przez Słońce, gdyż np. Księżyc jest około dwa razy silniej przyciągany przez Słońce niż przez Ziemię, ale znajduje się wewnątrz sfery wpływu Ziemi (promień tej sfery dla Ziemi wynosi ok. 10⁶ km) i porusza się wokół niej.
Aby móc wykorzystać grawitację planety do przyspieszenia (lub zwolnienia) sondy, musi ona wejść w sferę oddziaływania planety z prędkością większą od prędkości ucieczki (tzw. prędkość hiperboliczna lub druga prędkość kosmiczna) i odpowiednio skierowanym wektorem prędkości.

Rozpatrzmy przykład:
chcemy nadać przyspieszenie sondzie, która porusza się po orbicie wokół Słońca i zbliża do planety.
Co stanie się z sondą, gdy osiągnie sferę wpływu planety pokazuje rys.1, który rozpatruje ruch w układzie związanym z planetą.

W przybliżeniu możemy uznać, że sonda zbliża się do planety z nieskończoności, przyjmijmy też, że planetocentryczny wektor prędkości V₁ jest równoległy do asymptoty hiperboli, po której porusza się sonda. Podobnie jest z wektorem V₂ - gdy opuszczamy sferę wpływu planety prędkość sondy jest równoległa do asymptoty hiperboli. Skoro sonda wchodzi w sferę oddziaływania w tej samej odległości od planety co wychodzi z niej, musimy uznać że wartość prędkości nie zmieniła się a zmienił się tylko jej kierunek.

To już cały manewr wspomagania grawitacyjnego, pozostaje jeszcze tylko skorygować tor lotu naszej sondy a zrobimy to przy małym wydatku paliwa.

Aby zrozumieć co się stało trzeba pamiętać, że sonda i planeta poruszają się wokół Słońca. Teraz dopiero możemy zobaczyć, co się zmieniło (rys.2).

Zatem aby zobaczyć jak zmieniła się prędkość sondy trzeba dodać wektor prędkości V_p układu odniesienia związanego z planetą, która porusza się wokół Słońca. Dopiero teraz widać co tak naprawdę dał nam manewr wspomagania grawitacyjnego: planeta zmieniając kierunek prędkości sondy zwiększyła jej prędkość w układzie związanym ze Słońcem.
Możemy tak dobierać parametry przelotu aby zmiana prędkości ΔV była największa. Teoretycznie ΔV_max=2V₁ ale w praktyce osiąga się mniejsze wartości (można zabawić się konfiguracją wektorów tak aby uzyskać maksymalny efekt, nie zderzając się przy tym oczywiście z planetą).

Wspomaganie grawitacyjne pozwala na znaczne oszczędności - wynoszona z Ziemi sonda jest lżejsza o ilość paliwa jaką należałoby zabrać aby później nadać jej odpowiednią prędkość do osiągnięcia celu.
Czy to jest pewien rodzaj perpetuum mobile? Może się tak wydawać, ale grawitacja działa w obie strony (planeta działa na sondę i sonda na planetę) - planeta przekazała część swojej energii sondzie, część proporcjonalną do ułamka (masa sondy)/(masa planety).

Odpowiedź:

dr Krzysztof T. Chyży:

Większość obserwowanych pól magnetycznych w obiektach astrofizycznych jest wytwarzana przez mechanizm dynama oparty o zasadę indukcji elektromagnetycznej. Jest to zjawisko zamiany energii mechanicznej (ruchu) na prąd elektryczny w obecności pola magnetycznego, a ponieważ przepływ prądu generuje pole magnetyczne również ono jest efektem działania dynama. Idee dynama wprowadził Micheal Faraday w IXX stuleciu. W oparciu o nią sam skonstruował pierwsze urządzenia generujące prąd. W dzisiejszym świecie korzystamy z nich na co dzień, od prądnicy w samochodzie po konwencjonalne elektrownie.

Kosmiczne dynama różnią się od tych implementowanych w ziemskich urządzeniach. Prądy powstają tam w wyniku ruchu materii, która zachowuje się jak przewodząca ciecz i może być plazmą lub płynną substancją. Już w 1919 r. Sir Joseph Larmor zapostulował powstawanie pól magnetycznych na Słońcu w procesie takiego plazmowego dynama.

We wnętrzu Ziemi za dynamo odpowiedzialna jest warstwa ciekłego żelaza, której z pewnością brak na Jowiszu, Saturnie, Uranie i Neptunie. Jak zauważono jednak w pytaniu, te gazowe planety Układu Słonecznego mają pola magnetyczne. Rekordzistą jest oczywiście Jowisz, który ma najsilniejsze pole, 10-krotnie silniejsze od ziemskiego!

Zorza wokół północnego bieguna Jowisza sfotografowana w ultrafiolecie przez Teleskop Kosmiczny. Zorze są wynikiem wpadania szybkich (energetycznych) elektronów poruszających się wzdłuż linii pola magnetycznego w górne warstwy atmosfery. Elektrony te wzbudzają atomy gazu powodując ich wyświecanie. Najdziwniejsze są jednak na tym zdjęciu ślady prądów elektrycznych generowanych przez trzy księżyce Jowisza: Io - z lewej strony, Ganimedesa (w środku) i Europę (poniżej). Źródło: HST

Zorze polarne na Saturnie (różowe obszary wokół biegunów) sfotografowane przez Teleskop Kosmiczny. Źródło: HST

Wielka masa Jowisza pociąga za sobą nieco odmienny jego skład w stosunku do pozostałych planet. Jowisz składa się głównie z wodoru i helu. Niezwykle silne pole grawitacyjne planety ściska te składniki do tak dużych ciśnień, że przechodzą one w stan ciekły. Co więcej, już na głębokościach poniżej 0.7 promienia ciśnienie jest tak duże, że wodór przechodzi w tzw. stan metaliczny i może przewodzić prąd. Właśnie ta warstwa jest odpowiedzialna za generację pól magnetycznych w procesie dynama. Podobna warstwa ciekłego wodoru metalicznego, lecz znacznie cieńsza (poniżej 0.3 promienia) występuje we wnętrzu Saturna. Natomiast słabe i skomplikowane pola magnetyczne Urana i Neptuna wskazują na istnienie u nich warstwy znacznie słabiej przewodzącej prąd, typu morza wodnego (z dodatkami jak amoniak i metan).

Jeśli chodzi o źródło energii do dynama to w przypadku Jowisza energia ta bierze się głównie z pierwotnego ciepła planety, z okresu jej formowania, które do tej pory jest powoli uwalniane w procesie oziębiania się planety. W przypadku Saturna wiadomo, że dochodzi jeszcze energia grawitacyjna kropel helu osadzających się w głębszych warstwach jądra (tzw. deszcz helowy). Niezależnie od źródeł energii, to ona właśnie utrzymuje w ciekłej, przewodzącej warstwie konwekcję (wymianę ciepła poprzez ruch). Ten ruch połączony z wirowaniem planet indukuje prąd i pole magnetyczne. Zatem szczegóły generacji pól magnetycznych są na różnych planetach odmienne ale wszędzie mamy do czynienia z mechanizmem dynama.

Warto zauważyć, że metaliczny wodór otrzymano doświadczalnie na Ziemi dopiero w 1996 roku i to w bardzo krótkotrwałym procesie. W 1998 roku w laboratorium Lawrence Livermore National Laboratory w Kaliforni otrzymano na nieco dłużej fazę metaliczną ciekłego wodoru, symulując warunki we wnętrzu Jowisza (patrz artykuł w Nature). Natomiast "ciekłe" dynamo udało się zrealizować w warunkach laboratoryjnych, po wielu nieudanych próbach, dopiero w 2000 roku (doniesienie naukowe o tym doświadczeniu ukazało się w Phys.Rev.Lett. 84, 4365, z 8 maja 2000).

Odpowiedź:

dr Adam Michalec:

Mars - wielka opozycja: 28.VIII. 2003 godz. 18.00 UT
minimalna odległość od Ziemi: 27.VIII. 2003
odległość wyniesie wtedy: 55.76 mln km; średnica tarczy Marsa: 25.1 sekund łuku

Poprzednia opozycja Marsa (nie wielka) była: 23.VI. 2001. Podczas obecnej Mars będzie najbliżej Ziemi od 1924 roku. Następnym razem planeta zbliży się do Ziemi na taką odległość dopiero w 2287 roku!

Podczas opozycji Mars jest dokładnie po drugiej stronie nieba co Słońce. Z powodu eliptyczności orbit Ziemi i Marsa podczas opozycji planety raz są trochę bliżej, a innym razem dalej od siebie. Źródło: Nasa.

W XX wieku było siedem wielkich opozycji Marsa, najbliższa w czasie była: 28.IX. 1988; odl. 59.2 mln. km. Największe zbliżenie do Ziemi Marsa wystąpiło 23.VIII. 1924 - 55.7 mln km.

Wyróżniamy następujące cykle obiegów synodycznych Marsa (w latach): 2, 15, 32, 47, 64, 79, 94, 111, 126, 143, 158. Z tymi okresami powtarzają się z dokładnością do tygodnia podobne opozycje Marsa.

Położenie innych planet w sierpniu 2003 nie będzie miało żadnego znaczenia i wpływu na zjawiska niezwykłe na Ziemi.

Odpowiedź:

dr Stanisław Ryś:

Tylko trzy księżyce posiadają atmosferę: Io, Tytan, Tryton. Jednak nie ma potwierdzonych obserwacyjnie danych o istnieniu w ich atmosferach tlenu molekularnego (O₂). Należy jednak zauważyć, że tlen w postaci molekuły O₂ – taki jak w atmosferze Ziemi - wykryto Teleskopem Hubble’a metodami spektroskopowymi podczas badań Europy (księżyc Jowisza). Jest go jednak niezmiernie mało (~1/10 000 000 000 ciśnienia na Ziemi), dlatego nie wszyscy zgadzają się nazywać tak małe ilości gazu „atmosferą tlenową”.

W odróżnieniu od tlenu w atmosferze Ziemi, który produkowany jest przez organizmy żywe, tlen w atmosferze Europy pochodzi z procesów niebiologicznych. Lodowa powierzchnia Europy wystawiona jest na działanie promieni słonecznych oraz uderzenia drobin pyłowych i cząstek naładowanych uwięzionych w silnym polu magnetycznym Jowisza. Prawdopodobnie te procesy na lodowej powierzchni Europy prowadzą do powstania drobinek pary wodnej i cząsteczek gazowych. Następnie wskutek reakcji chemicznych powstaje wodór molekularny (który jako bardzo lekki szybko opuszcza powierzchnię księżyca) i molekularny tlen (który jako cięższy mocniej związany jest z polem grawitacyjnym Europy). Produkowany tlen chociaż powoli też rozprasza się w przestrzeni, przez co musi być stale uzupełniany, a procesy prowadzące do jego powstania muszą wciąż działać.

Jowiszowy księżyc Europa sfotografowany ze statku Gailileo w 1996 roku przypomina ziemskie kry lodowe widoczne w okolicach biegunów na naszej planecie (Fot. NASA). Europa posiada lodową skorupę o grubości ok. 100km (w części również w postaci ciekłej). Jest ona silnie spękana i tworzy mnóstwo osobnych płyt z oddzielającymi je ciemniejszymi pasami (rysami). W momencie tworzenia płyt (ruchy tektoniczne, działania pływowe Jowisza, uderzenia meteorytów) lód na granicach płyt zmieszał się ze śniegiem lub wodą z głębszych warstw skorupy, gdzie jest więcej skalistego gruzu, prowadząc do ciemniejszego ich zabarwienia.

Odpowiedź:

dr Jan Mietelski:

Układ Słoneczny zakończył względnie "szybki" etap swojej ewolucji ok. 4 mld lat temu. Na podstawie obserwacji i obliczeń analityczno-liczbowych stwierdza się obecnie w krótkich przedziałach czasowych (rzędu 10 mln lat) jego względną stabilność.

Formalnie z tzw. całki energii w zagadnieniu n-ciał wynika, że układ taki jak Układ Słoneczny nie może "rozpełznąć" się w przestrzeni zupełnie; muszą w nim pozostać przynajmniej 2 ciała. Przybliżona liniowa analiza perturbacji, przeprowadzona niegdyś przez Lagrange'a, wyklucza możliwość ucieczki jakiejkolwiek planety, aczkolwiek dopuszcza ich wzajemne zderzenia. Mniej optymistyczna jest analiza Poissona, który uwzględniając kwadraty mas doszedł do wniosku, że ucieczka planet jest jednak możliwa; jeszcze bardziej wydaje się to prawdopodobne przy uwzględnianiu trzecich potęg mas w odpowiednich szeregach, co ukazały prace rumuńskiego badacza, Spiru-Haretu.

Próby całkowania numerycznego, rozciągniętego na okresy rzędu 10 mln lat ujawniają także możliwość zaistnienia poważnych modyfikacji wyglądu Układu w takich przedziałach czasu. Próby tego rodzaju były podejmowane kilkakrotnie w ciągu ostatnich 20 lat. Jednak w przeciwieństwie np. do zagadnienia ewolucji gwiazd, mamy tu do czynienia ze stosunkowo znaczną liczbą czynników niewiadomych lub parametrów niedokładnie znanych, co osłabia (jeśli chodzi o szczegóły) wiarygodność wyników takiej "gry" modelami, ograniczającymi się zresztą na ogół do oddziaływań tylko grawitacyjnych.

Odpowiedź:

dr Marian Soida:

Najprościej na to pytanie można odpowiedzieć dość żartobliwie: "można, ale nie zawsze osiągnie się zamierzony cel". Pomijam tu problemy natury 'technicznej' jak utrzymanie w ręce rozpalonego do prawie 500°C kompasu na powierzchni Merkurego, czy zobaczenia igły kompasu w gęstej atmosferze Jowisza.

Ale żarty na bok. Skuteczne używanie kompasu wymaga istnienia dostatecznie silnego pola magnetycznego na danej planecie. Wystarczająco silne pole magnetyczne posiadają Ziemia, Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Merkury również posiada własne pole magnetyczne, choć nie jestem pewien czy jego pole, około tysiąc razy słabsze niż ziemskie pozwoli na sprawne posługiwanie się kompasem.

Kolejną niespodziankę może sprawić kierunek pola magnetycznego planety, na której odbywamy naszą podróż. Na Ziemi oś magnetyczna jest nachylona pod kątem około 10° do osi obrotu, podobnie jest na Jowiszu, na Merkurym ok. 15°. Na Saturnie obie osie praktycznie się pokrywają, zaś na Uranie i Neptunie ich kierunki różnią się odpowiednio aż o ok. 60° i 50°.

Mimo, że Wenus i Mars praktycznie nie mają własnego pola magnetycznego, planety te oddziałują z polem międzyplanetarnym i dostatecznie czuły kompas mógłby wyznaczać jego kierunek. Napotkamy tu jednak na dość trudny problem. Kierunek takiego pola zależy od tego z której strony planety się znajdujemy i na dodatek zmienia się w czasie, wraz ze zmianami międzyplanetarnego pola magnetycznego, czyli m.in. ze zmianami aktywności Słońca. Polecałbym tam raczej użycie kompasu żyroskopowego, który wyznacza kierunek obrotu planety wokół swej osi.

Odpowiedź:

dr Krzysztof T. Chyży:

Starożytni oprócz gwiazd stałych, które na firmamencie niebieskim tworzyły niezmieniające się konstelacje rozróżniali także gwiazdy błądzące, które przemieszczały się w różny sposób względem gwiazd stałych. Oprócz Merkurego, Wenus, Marsa, Jowisza i Saturna zaliczali oni do gwiazd błądzących również Słońce i Księżyc.

Dziś wiemy, że gwiazdy stałe to gwiazdy w dzisiejszym tego słowa znaczeniu (odległe Słońca). Księżyc to naturalny satelita Ziemi, który zmienia położenie względem gwiazd ponieważ krąży wokół Ziemi. Pozostałe gwiazdy błądzące nazywamy dzisiaj planetami (od greckiego planao - błądzę), wespół z później odkrytymi: Uranem, Neptunem i Plutonem.

Błądzenie planet na niebie jest przede wszystkim wynikiem ich ruchu wokół Słońca (czego dowodził już Kopernik). Nawet obserwator umieszczony poza naszym Układem Słonecznym będzie widział przemieszczanie się planet (ich błądzenie) na tle gwiazd. Obserwator na Ziemi, poruszającej się wokół Słońca, może dodatkowo obserwować ruch wsteczny planety, kiedy na pewien czas zawraca ona ze swej drogi i porusza się w drugą stronę nieba. Przedstawia to np. dla Marsa rysunek i animacja. Pozostałe planety, od Merkurego do Plutona, również poruszają się czasami ruchem wstecznym.

Podobnie obserwator na Marsie zaobserwuje ruch wsteczny Jowisza. To samo dotyczy również wszystkich innych planet, na każdej z nich każda pozostała będzie się co jakiś czas poruszać ruchem wstecznym. Jak długo, wynika to z rozmiaru ich orbit (czyli z okresów ich obiegu wokół Słońca).

Odpowiedź:

Prof. Paweł Artymowicz:

Decydującą rolę w znacznym zróżnicowaniu planet wewnętrznych i zewnętrznych (olbrzymów od Jowisza do Neptuna), odegrały masy skalistych protoplanet utworzonych w dysku protoplanetarnym. Jeśli masa ta była mniejsza niż 5-10 mas Ziemi, wówczas planeta pozostawała skalista. Natomiast powyżej tej granicy, pierwotna atmosfera stawała się tak masywna, że zapadała się i rozpoczynał się krótki okres gromadzenia gazu dyskowego przez planetę, która osiągała masę i gazową budowę podobną do Jowisza. Wiadomo, że masa protoplanety skalistej zależy od ilości materiału skalnego rozproszonego początkowo w dysku protoplanetarnym. W Układzie Słonecznym, zgodnie ze standardową teorią jego powstawania stworzoną w latach 80-tych, ta masa była dostateczna do transformacji planety ziemskiej w olbrzyma takiego jak Jowisz lub Saturn tylko i wyłącznie z dala od Słońca (poza granicą kondensacji lodu H₂O).

Odkrycia planet pozasłonecznych w latach 90-tych, a także studia teoretyczne nad tzw. migracją planet (spowodowany wzajemnym przyciąganiem grawitacyjnym dryf protoplanety wewnątrz macierzystego dysku), postawiły wiele trudnych pytań. Dlaczego układy te nie przypominają budową naszego? Wiele z nich ma planety typu Jowisza w odległościach od gwiazd nie większych niż Merkury-Słońce. Jeśli, jak chce teoria, przyroda preferuje tworzenie wielkich planet gazowych daleko od gwiazd, a następnie ich migrację, dlaczego nasz układ planetarny NIE NOSI śladów takiej dalekiej wędrówki wielkich planet? Jest to jedno z pytań fascynujących obecnie astronomów. Być może dysk wokół młodego Słońca zaniknął szybciej niż normalnie, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego pobliskich, nowo narodzonych gwiazd. Wskazywałoby to na narodziny naszego układu w gromadzie gwiazd bardzo podobnej do tej, którą obserwujemy w mgławicy Oriona (w obszarze gromady trapeza, w mieczu Oriona).

Odpowiedź:

dr Tomasz Kwiatkowski (pl.sci.kosmos):

W epoce poprzedzającej badania kosmiczne Układu Planetarnego (UP), niewiele wiedziano o własnościach fizycznych planet i ksieżycow. Obecnie teorie powstania i ewolucji UP skłaniają do zastanowienia nad definicją planety. Czym bowiem (jeśli chodzi o własności fizyczne, a nie orbitę), różni się Merkury od największego ksieżyca UP, Ganimedesa? Poza księżycami, podobnymi cechami wykazują się też największe planetoidy. W wielu ksiażkach (patrz np. ARTYMOWICZ P. Astrofizyka Ukladow Planetarnych) stosuje się więc astrofizyczną definicję planety, pozwalającą rozpatrywać łącznie Merkurego, Ksiezyc, Europę i Ceres. Wg. niej obiekty te łączy wewnętrzne zróżnicowanie na jądro, plaszcz i skorupę, czego nie obserwuje się u mniejszych planetoid i jąder kometarnych.

Z drugiej strony, przyjmując terminologię stosowaną przez MUA (Miedzynarodową Unię Astronomiczną) w nazewnictwie cial UP widać wyraźnie, że Pluton odstaje od charakterystyk pozostałych planet. Chodzi tu tym razem o elementy orbity, rozmiary i budowę wewnętrzną. Tylko gwałtowny sprzeciw Amerykanow zniechecił MUA od stopniowego zdegradowania Plutona do rangi obiektu Pasa Kuipera (Kuiper Belt Object, KBO) - najpierw podwójny status planety i KBO, potem już tylko KBO. Formalnie więc Pluton nadal jest planetą, ale w praktyce często opisuje sie go łącznie z KBO.

Anglik David Jewitt, odkrywca pierwszego obiektu z dysku Kuipera, uważa Plutona za reprezentanta całej grupy podobnych ciał, którą nazwał Plutonkami (ang. Plutinos). Od czasu, gdy wokół Neptuna zaroiło się od małych ciał o średnicach kilkudziesięciu do kilkuset kilometrów, Pluton utracił należne mu miejsce wśród planet. Ale to tylko kwestia klasyfikacji - i tak od dawna nie pasował ewolucyjnie do innych planet-olbrzymow.

Obecnie wydaje się więc, że na peryferiach UP znajduje się rozległy Pas Kuipera, który -- być może -- przechodzi płynnie w wewnętrzną część Chmury Oorta.

Odpowiedź:

dr Tomasz Kwiatkowski (pl.sci.kosmos):

Niestety, nie. Nomenklatura astronomiczna jest obecnie nadzorowana przez komisję 5 Miedzynarodowej Unii Astronomicznej. Planetami i ich ksiezycami zajmuje się -- w ramach MUA -- specjalna grupa robocza. W aktualnym spisie planet Układu Słonecznego figuruje planeta Pluton:

Pytanie:

Odpowiedź:

Roman Ratajczak:

Pytanie:

Odpowiedź:

dr Krzysztof T. Chyży:

Pytanie:

Odpowiedź:

dr Adam Michalec:

Pytanie:

Odpowiedź:

dr Stanisław Ryś:

Pytanie:

Odpowiedź:

dr Jan Mietelski:

Pytanie:

Odpowiedź:

dr Marian Soida:

Pytanie:

Odpowiedź:

dr Krzysztof T. Chyży:

Pytanie:

Odpowiedź:

Prof. Paweł Artymowicz:

Pytanie:

Odpowiedź:

dr Tomasz Kwiatkowski (pl.sci.kosmos):

Pytanie:

Odpowiedź:

dr Tomasz Kwiatkowski (pl.sci.kosmos):