Päikesesüsteem

12. klass > Füüsika > 5. kursus: Mikro- ja megamaailma füüsika

Päikesesüsteemi koostisosad

Päikesesüsteemi moodustavad

  • Päike (sisaldab umbes 99,8% süsteemi kogumassist),
  • 8 planeeti (Merkuur, Veenus, Maa, Marss, Jupiter, Saturn, Uraan, Neptuun);
  • koos oma kaaslastega (Maal – Kuu, Marsil – Phobos ja Deimos, Jupiteril vähemalt 67 kaaslast, Saturnil vähemalt 62 kaaslast, Uraanil on avastatud 27 kaaslast ning Neptuunil on siiani leitud 14 kaaslast, kaaslased on ka paljudel Päikesesüsteemi väikekehadel – näiteks Pluutol on 3 kaaslast jne) ja
  • Päikesesüsteemi väikekehad (Pluuto ja teised plutoidid, asteroidid ehk väikeplaneedid, komeedid, meteoorid ja meteoriidid).

Planeedi definitsioon

Sõna planeet tuleb kreeka keelsest väljendist planetes astres – mis tähendab ringi ekslevat tähte. Nende keeruline liikumine muidu nii muutumatu tähistaeva taustal on astronoomidele (ja ka planeetide liikumise põhjal tulevikku ennustada püüdvatele „teadlastele“ astroloogidele) tundunud nii salapärane ja huvipakkuv.

Rahvusvahelise Astronoomiaühenduse International (Astronomical Union – IAU) definitsiooni järgi nimetatakse Päikesesüsteemi planeediks taevakeha, mis

  • tiirleb ümber Päikese,
  • on piisava massiga, et ületada jäiga keha jõud ning hoida hüdrostaatiliselt tasakaalulist see tähendab keralähedast kuju
  • ning on oma gravitatsiooniga tõmmanud oma pinnale väiksemad kehad oma orbiidi ümbruses (on “puhastanud oma ümbruse”).

Kui täidetud on ainult kaks esimest tingimust, ei ole tegemist planeediga, vaid kääbusplaneediga. See¬tõttu on ka varem planeediks peetud Pluuto kääbusplaneet, sest tema ümbruses on Kuiperi vöö.

Kepleri seadused

Kepleri seadused kirjeldavad planeetide liikumist ümber Päikese. Kolm Kepleri seadust on:

I seadus: Iga planeedi orbiit on ellips, mille ühes fookuses on Päike.

147

II seadus: Planeedi raadiusvektor katab võrdsete ajavahemike jooksul võrdsed pindalad.

148

III seadus: Planeetide tiirlemisperioodide ruudud suhtuvad nagu nende orbiitide pikemate pooltelgede kuubid.

149

Kepleri seaduste juures on tähelepanu väärne asjaolu, et need on saadud planeetide liikumiste vaatlemise teel. Tänapäevaste täppismõõteriistade kasutusele võtmine on neid vaid pisut korrigeerinud, aga mitte muutnud nende olemuslikkust.

Imetlust väärib fakt, et planeetide orbiidid erinevad ringjoonest õige vähe – see et Kepler suutis neid identifitseerida ellipsitena, suurendab veelgi tema tööde tähtsust.

Maa-rühma planeedid

Niinimetatud Maa- või ka kiviplaneetide rühma kuuluvad Päikesest lugedes esimesed neli planeeti:

  • Merkuur
  • Veenus
  • Maa
  • Marss
Merkuur

Merkuur

Veenus

Veenus

Maa

Maa

Marss

Marss

Maa-tüüpi planeedid ehk kiviplaneedid ehk Maa-sarnased planeedid on planeedid, mis koosnevad peamiselt silikaatkivimitest. Need sarnanevad ehituselt Maaga: koosnevad täielikult või peaaegu täielikult tahketest koostisosadest ja on enamasti kihilise ehitusega: keskmes on rauast tuum, selle peal mantliks nimetatav silikaatidest ja oksiididest koosnev paks kiht ning kõige peal õhuke koor, mis koosneb samuti silikaatidest ja oksiididest, kuid sisaldab elemente, mis mantli kivimitesse ei sobi ja sealt aja jooksul välja tõrjutakse – näiteks kaalium, haruldased muldmetallid, uraan. Mõnel Maa-sarnasel planeedil on koore kohal atmosfäär, Maa puhul on maakoore ja atmosfääri vahel veel ka hüdrosfäär. Planeetide läbimõõt, mass ja keskmine tihedus (4…6 g/cm3), vaba langemise kiirendus jne on samuti Maa omadele lähedased.

Mainigem siinkohal ära vaid iga planeedi olulisimad ning huvitavamad tunnused.

Merkuur

Tähtsaimad karakteristikud: kaugus Päikesest 0,39 AU, kiirus orbiidil 47,9 km/s, tiirlemisperiood 0,24 Maa-aastat, kaaslaste arv 0, läbimõõt 0,38 Maa läbimõõtu, mass 0,055 Maa massi, tihedus 5,44 g/cm3, raskusjõud planeedi pinnal 0,37g, paokiirus 4,3 km/s, keskmine pinnatemperatuur +230°C, atmosfäärirõhk pinnal 0 atm.

Merkuur on Päikesele kõige lähem planeet, seetõttu on ta Maalt halvasti vaadeldav – nähtav vahetul peale Päikeseloojangut või enne tõusu, kui taevas on veel suhteliselt valge.

154

Merkuur on Päikesesüsteemi kõige väiksem planeet – ta on isegi väiksem kui mõned Jupiteri ja Saturni suuremad kaaslased. Merkuuril looduslikud kaaslased puuduvad.

Tema aasta (tiir ümber Päikese) on võrdne 2 tema ööpäevaga (täispööre ümber oma telje) see tähendab, et Merkuuri ööpäevas on 2 aastat – ööpäev = 176 Maa ööpäeva, aasta = 88 Maa ööpäeva.

Tema pinda on vähe uuritud, kuid sarnaneb väga Kuu pinnale (palju kraatermägesid ja tasandikke).

Merkuuril puudub atmosfäär, seetõttu kõigub tema pinnatemperatuur suures ulatuses – ehkki keskmine temperatuur on +230°C, võib päevane temperatuur ulatuda kuni +350°C, aga öösel olla vaid -170°C.

Merkuuril on küllaltki tugev magnetväli.

Veenus

Tähtsaimad karakteristikud: kaugus Päikesest 0,72 AU, kiirus orbiidil 35 km/s, tiirlemisperiood 0,62 Maa-aastat, kaaslaste arv 0, läbimõõt 0,93 Maa läbimõõtu, mass 0,815 Maa massi, tihedus 5,25 g/cm3, raskusjõud planeedi pinnal 0,88g, paokiirus 10,3 km/s, keskmine pinnatemperatuur +480°C, atmosfäärirõhk pinnal 90 atm.

Veenus on Maale lähim planeet – tema minimaalne kaugus Maast on „vaid“ 42 milj. km. Et Veenus on Maalt vaadates alati Päikese lähedal, siis ta paistab kas õhtu- või hommikutaevas. Esialgu ei teatud, et tegu on sama taevakehaga. Veenust nimetati eesti rahvaastronoomias vastavalt Ehatäheks või Koidutäheks. Veenus on heleduselt kolmas silmaga nähtav taevakeha taevas.

155

Veenus on mõõtmetelt Maale sarnane, looduslikud kaaslased puuduvad.

Veenusel on väga tihe (ca 100x tihedam kui Maal) süsihappegaasist, metaanist ja väävelhappest koosnev atmosfäär, mis katab planeeti paksu pilvekihina. Tänu atmosfääri koostisele valitseb tema pinnal väga tugev kasvuhooneefekt – keskmine temperatuur 460°C.

Pinnavormidelt on Veenus tänu sealsele tihedale atmosfäärile kiviplaneetidest kõige „siledama“ pinnaga planeet – kõrgeimate ja madalaimate punktide vahe on suhteliselt väike. Veenusel valitseb tänaseni väga kõrge vulkaaniline aktiivsus.

Marss

Tähtsaimad karakteristikud: kaugus Päikesest 1,52 AU, kiirus orbiidil 24,1 km/s, tiirlemisperiood 1,88 Maa-aastat, kaaslaste arv 2, läbimõõt 0,53 Maa läbimõõtu, mass 0,107 Maa massi, tihedus 3,95 g/cm3, raskusjõud planeedi pinnal 0,38g, paokiirus 5,0 km/s, keskmine pinnatemperatuur -53°C, atmosfäärirõhk pinnal 0,006 atm.

Marss on Päikesest lugedes 4., tuntud ka kui „punane planeet“. Punase värvi annab planeedi pinnale raudoksiid (rooste!).

Marsil on 2 ebakorrapärase kujuga väikest ning ebakorrapärase kujuga looduslikku kaaslast – Phobos ja Deimos.

Marsil on Maaga võrreldes hõre atmosfäär, mis koosneb peamiselt süsihappegaasist ja lämmastikust. Pinnatemperatuur jääb vahemikku -87C … +20C (keskmine -53C).

Marsi pinnal on nii kõrgeid mägesid – siin asub Päikesesüsteemi kõrgeim mägi mõõdetuna mäe jalamist on Olympos Mons 27 km, sügavaid kraatreid ja kanjoneid kui ka süsihappegaasist „polaarjää mütsid“. Marsi poolustel võib jäämütside all leiduda tõenäoliselt ka vett.

156

Hiidplaneedid

Hiidplaneedid ehk Jupiteri tüüpi planeedid ehk gaasiplaneedid on Päikesesüsteemi Päikeselt vaadatuna neli kaugeimat suure massiga planeeti, mis koosnevad valdavalt erinevatest gaasidest ning jääst. Hiidplaneetidel pole tahket pinda, vaadeldav on vaid pilvkatte välispind. Hiidplaneetide sisemuses asub tõenäoliselt vedelas olekus mineraalidest ja gaasidest tuum.

Samuti on kõikidel hiidplaneetidel neid ümbritsev rõngaste süsteem (mis koosneb kindlal orbiidil tiirlevatest suurematest ning väiksematest kividest).

Hiidplaneedid on:

  • Jupiter
  • Saturn
  • Uraan
  • Neptuun
Jupiter

Jupiter

Saturn

Saturn

Uraan

Uraan

Neptuun

Neptuun

Mainigem siinkohal ära vaid iga hiidplaneedi olulisimad ning huvitavamad tunnused.

Jupiter

Tähtsaimad karakteristikud: kaugus Päikesest 5,20 AU, kiirus orbiidil 13,1 km/s, tiirlemisperiood 11,86 Maa-aastat, kaaslaste arv 67, läbimõõt 11,21 Maa läbimõõtu, mass 317,8 Maa massi, tihedus 1,32 g/cm3, raskusjõud planeedi pinnal 2,528g, paokiirus 59,5 km/s, keskmine pinnatemperatuur -108°C, atmosfäärirõhk pinnal* 1 atm. (*Jupiteri jt hiidplaneetide pinnaks loetaksegi tinglikult piirkonda, kus tema atmosfääri rõhk on võrdne Maa atmosfääri rõhuga)

Jupiter on Päikesesüsteemi kõige suurem planeet – tema läbimõõt 11,2 korda suurem kui Maal, mass aga vaid 318x suurem kui Maal. Jupiter on koguni nii suur, et tema sisse mahuksid lahedasti ära kõik ülejäänud 7 planeeti oma kaaslastega, Päikesesüsteemi väikekehadest rääkimata.

Jupiteri pöörleb oma suuruse kohta väga kiiresti – tema pöörlemisperiood (ööpäev) vaid umbes 10 tundi. Planeedi pöörlemistelje tasand on risti orbiidiga – Jupiteril puuduvad aastaajad.

Jupiter koosneb peamiselt vesinikust ja heeliumist, kui tema mass oleks moodustamise hetkel olnud veidi suurem, võinuks temast saada täht.

Jupiteril puudub (tõenäoliselt) konkreetne pind – tihe atmosfäär läheb sujuvalt üle vedelaks keskkonnaks. Jupiteri pinnaks loetaksegi tinglikult piirkonda, kus tema atmosfääri rõhk on võrdne Maa atmosfääri rõhuga – sellest „sügavamale“ liikudes rõhk suureneb, kõrgemale „pilvedesse“ tõustes aga alaneb.

Jupiteri pinnatemperatuur on umbes -100°C, kuid see on palju kõrgem kui oleks ainult Päikeselt saadavast energiast. Tõenäoliselt saab Jupiter lisaenergiat tema kokku tõmbumisel vabanevast potentsiaalsest energiast, mingisuguse panuse annab ka kasvuhooneefekt, sest Jupiter atmosfääris leidub metaani, ammoniaaki, etaani ja veeauru, kuid seda proportsionaalselt mitte just ülemäära suurtes kogustes.

Jupiteri ümbritseb rõngaste süsteem, tema ümber tiirleb vähemalt 63 looduslikku kaaslast. Suurimad neist: Io, Europa, Ganymedes, Callisto on suuruselt võrreldavad Merkuuriga.

Jupiteri kahtlemata iseloomulikuimaks tunnuseks on tema Suur Punane Laik – see on Jupiteri atmosfääris möllav hiiglaslik keeristorm, mis on kestnud juba vähemalt 300 aastat. Sellesse tormi mahuks vabalt sisse ka Maa. Tormituulte kiirus laigus küünib üle 400 km/h.

161

Saturn

Tähtsaimad karakteristikud: kaugus Päikesest 9,58 AU, kiirus orbiidil 9,7 km/s, tiirlemisperiood 29,5 Maa-aastat, kaaslaste arv 62, läbimõõt 9,45 Maa läbimõõtu, mass 95,2 Maa massi, tihedus 0,69 g/cm3, raskusjõud planeedi pinnal 1,07g, paokiirus 35,5 km/s, keskmine pinnatemperatuur -139°C, atmosfäärirõhk pinnal (vt Jupiteri kommentaari) 1 atm.

Tuntud kui „rõngastega“ planeet – lisaks selgelt nähtavale rõngaste süsteemile (fotol on rõngad arvutiga töödeldud – erineva tihedusega piirkonnad on toonitud erinevalt) on Saturnil ka vähemalt 62 „kuud“, mõni nendest isegi suurem kui Merkuur.

162

Ka Saturn pöörleb kiiresti ümber oma telje, tehes täispöörde ca 10 tunniga.

Saturni keskmine tihedus on 0,700 g/cm3 (Maa keskmine tihedus ca 5,5 g/cm3) olles sellega Päikesesüsteemi „hõredaim“ planeet.

Saturni keemiline koostis on peaaegu identne Jupiteri omaga, ka tema temperatuur on pisut kõrgem kui vaid Päikeselt saadava energia arvelt olla võiks. Saturnil, nagu Jupiterilgi puudub tahke pind, samuti möllavad Saturnil suured tormid.

Uraan

Tähtsaimad karakteristikud: kaugus Päikesest 19,2 AU, kiirus orbiidil 6,8 km/s, tiirlemisperiood 84 Maa-aastat, kaaslaste arv 27, läbimõõt 4,0 Maa läbimõõtu, mass 14,5 Maa massi, tihedus 1,27 g/cm3, raskusjõud planeedi pinnal 0,886g, paokiirus 21,3 km/s, keskmine pinnatemperatuur -197°C, atmosfäärirõhk pinnal (vt. Jupiteri kommentaari) 1 atm.

Uraani avastas üsnagi juhuslikult 1781 aastal William Herschel, pidades seda alguses täheks – tollastes teleskoopides nähti teda valguspunktina nagu tähti, mitte kettana nagu teisi planeete. Tema näiv liikumine lubas teda siiski planeediks liigitada.

Uraanil nähtavad detailid puuduvad – kaasaegsetes teleskoopides näeb teda helesinise kettana. Põhikoostiselt sarnane Jupiteri ja Saturniga – vesinik ja heelium, aga ka atsetüleeni ja metaani, viimasest tuleneb ka planeedi sinine värvus.

Uraan pöörleb suhteliselt kiiresti, tehes täispöörde 16 tunniga. Uraani pöörlemistelg paikneb tiirlemistasandi suhtes väga väikese nurga all – ta nagu veereks mööda orbiiti. Tänu pöörlemistelje orientatsioonile on Uraanil sarnaselt Maa poolustele polaarpäev ja polaaröö, mille kummagi kestvus on 42 Maa-aastat.

Ka Uraanil on rõngaste süsteem, paraku on need rõngad väga halvasti vaadeldavad. Sarnastelt eelmistele „suurtele“ on Uraanil vähemalt 15 looduslikku kaaslast. Uraani magnetpoolused asuvad (erinevalt enamikust teistest planeetidest) pöörlemispoolustega võrreldes suure (ca 60°) nurga all.

Neptuun

Tähtsaimad karakteristikud: kaugus Päikesest 30,1 AU, kiirus orbiidil 5,4 km/s, tiirlemisperiood 168,4 Maa-aastat, kaaslaste arv 14, läbimõõt 3,8 Maa läbimõõtu, mass 17,1 Maa massi, tihedus 1,64 g/cm3, raskusjõud planeedi pinnal 1,14g, paokiirus 23,5 km/s, keskmine pinnatemperatuur -201°C, atmosfäärirõhk pinnal (vt. Jupiteri kommentaari) 1 atm.

1846 a. arvutasid (teineteisest sõltumatult) John Adams ja Urbain Le Verrier välja Uraani mõjutaja teoreetilise asukoha, kust Johann Galle ta leidiski.

Neptuunil, nagu teistelgi hiidplaneetidel on nõrk rõngaste süsteem ja vähemalt 14 kaaslast.

Oma koostiselt ja omadustelt sarnaneb Jupiteri, Saturni ja Uraaniga. Neptuunil on samuti avastatud torme, on jälgitud ka ühe suure tormi (nn „must laik“) lagunemist väiksemateks atmosfäärikeeristeks.

Väikeplaneedid

Marsi ja Jupiteri vahele jääb loendamatu hulk (miljoneid) väikekehasid – asteroide, mis moodustavad „tiheda“ asteroidide vöö.

163

XVIII sajandil sõnastatud empiiriline Titius-Bode’ seadus määratles ka tänapäeva mõistes küllalt täpselt planeetide ringjooneliste orbiitide raadiused mõõdetuna astronoomilistes ühikutes:

165

kus m = -∞, 0, 1, 2, 3 tuleb planeedi asukohast lugedes Päikesest: Merkuur – m=-∞ => a=0,4 AU (tegelik a=0,39 AU), Veenus m=0 => a=0,7AU (tegelik a=0,72AU), Maa m=1 => a=1AU jne.

Seadus jättis Marsi ning Jupiteri orbiidi vahele tühimiku, kuid üks seaduse autoreist Johann Daniel Titius küsis valemi kirjelduses juures justkui ennustades: „Kas Taevane Arhitekt jättis tõepoolest selle ruumi täiesti tühjaks?“ ning vastas sellele ise: „Üldsegi mitte!“

164

Esimene planeetidega sarnaselt liikuv objekt Ceres, mis paistis teleskoobis siiski punktina nagu tähedki – siit ka nimetus asteroid – kreeka keelest „tähesarnane“ – avastati 1801. aastal (Giuseppe Piazzi), mõne aastaga leiti kümneid analoogilisi planeedikesi – Vesta, Pallas, Hygiea jpt.

Suurimad asteroidid: Ceres, Vesta, Pallas ja Hygiea on suuruselt võrreldavad Pluuto, Kuu ja isegi Merkuuriga, väikseimate läbimõõt võib jääda mõne kilomeetri kanti.

Asteroidide sattumise kohta Marsi ja Jupiteri vahele on kaks vastandlikku teooriat. Ühe kohaselt jäid nad sinna Päikesesüsteemi tekkimisel – neist lihtsalt ei moodustunud mingil põhjusel planeeti, teine – katastroofi teooria – ütleb, et asteroidid tekkisid selles piirkonnas tiirelnud planeedi kokkupõrkel mingisuguse kosmilise „tulnukaga“ – eksoplaneet, hiidkomeet vms. Enam poolehoidu astrofüüsikute hulgas leiab neist esimene.

1906 aastal avastas Percival Lowell Neptuuni liikumise häiritust uurides tollel hetkel Päikesesüsteemi kõige kaugema „planeedi“ – Pluuto. Hiljem selgus, et Pluuto ei saanud kuidagi nii suurt Neptuuni liikumise häiritust põhjustada.

Pluuto on suuruselt palju väiksem kui Maa Kuu – läbimõõt 67% Kuu omast, mass vaid 20% Kuu massist. Kuni 2008 aastani loeti teda 9-ndaks planeediks, alates sellest kääbusplaneediks ehk plutoidiks.

166

Pluuto orbiit on väga välja venitatud, ulatudes kohati Päikesele lähemale kui Neptuuni oma. Pluutol on vähemalt 3 kaaslast – suurim neist on Charon, olles oma „planeedi“ suhtes suhteliselt suurim kaaslane Päikesesüsteemis.

Pluuto on esimene suurem objekt Päikesesüsteemi ümbritsevas Kuiperi vöös (ka Neptunitagused objektid TNO – inglise keeles Trans Neptunian Object), mis koosneb paljudest Pluutoga võrreldavatest ja veelgi väiksematest objektidest.

167

Komeedid

Komeedid on äärmiselt väljavenitatud orbiidiga väga väikeste mõõtudega väikekehad nn sabatähed. Kokku on komeete loetletud Päikesesüsteemis umbes 4200 tükki.

Komeet koosneb tuumast, mis koosneb peamiselt jääst ja kividest, koomast, tuuma ümbritsev aurustunud veest ja tolmust väga hõre „atmosfäär“ ning sabast veelgi hõredam jääkristallidest ja tolmust moodustis. Komeedi saba on Päikese valguse poolt sabale avaldatava rõhu tõttu alati suunatud Päikesest eemale.

Komeedi tuum ja kooma

Komeedi tuum ja kooma

Komeeti saatev saba on neile iseloomulikuks tunnuseks.

Komeeti saatev saba on neile iseloomulikuks tunnuseks.

Komeedi saba on alati suunatud Päikesest eemale

Komeedi saba on alati suunatud Päikesest eemale

Komeetide tiirlemisperioodid võivad olla kas:

  • lühikesed – see tähendab 20 … 200 aastat – näiteks Halley komeet, Hyakutake komeet, Hale-Bopp. Selliste komeetide orbiit ulatub kaugeimas punktis napilt Jupiteri orbiidi taha.
  • pikad – see tähendab üle 200 aasta – näiteks McNaugh’i komeet (92,6 tuh. aastat), Westi komeet (6 milj. aastat). Nende orbiit ulatub kaugeimas punktis kaugele Päikesesüsteemist välja

Leidub ka ühekordseid, mitteperioodilisi komeete, mille orbiit pole ellips vaid parabool (või koguni hüperbool) – sellistele komeetidel pole antud nime vaid neid tähistatakse C2000, C2001 jne.

Meteoorid ja meteoriidid

Meteoorid on peamiselt asteroidide vööst pärit kosmiline „prügi“, mis sattudes Maa raskusvälja tõttu Maa atmosfääri kuumeneb ja süttib. Meteoore ehk „langevaid tähti“ on selge taeva korral võimalik märgata peaaegu igal öösel.

171

Kaks korda aastas läbib Maa meteooride vööndit – perseiide (juuli lõpp … augusti keskpaik) ja leoniide (novembris), siis võib ühe tunni jooksul loendada tuhandeid meteoore.

Meteoriidid on sellised meteoorsed taevakivid, mis ei jõua atmosfääris ära põleda ning jõuavad seetõttu maapinnale. Igal aastal langeb Maale sadu tonne meteoriite.

Suurimate meteoriitide kokkupõrked maapinnaga võivad tekitada suuri Maapinnale suuri löökkraatreid ja ökokatastroofe.

Tuntuimad meteoriidikraatrid on Kaali (Saaremaal) ja Arizona (USA); suurim on arvatavasti Vredefort’i kraater, mille läbimõõt on ca 300 km ning mis tekkis arvatavasti umbes 2 miljardit aastat tagasi kokkupõrkel objektiga, mille läbimõõt oli 5 … 10km.

Kaali meteoriidikraater

Kaali meteoriidikraater

Arizona meteoriidikraater

Arizona meteoriidikraater

Vredefort’i kraater

Vredefort’i kraater