Уран и Нептун: голубые гиганты космоса

XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Уран и Нептун: голубые гиганты космоса

Журавлев Т.П. 1
1ГБОУ Образовательный центр "Протон"
Журавлева Я.А. 1
1ГБОУ Образовательный центр "Протон"
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Седьмой – Уран, прилёг как лежебока,

Ведь труден путь его далёкий.

Восьмой – Нептун, четвертый газовый гигант

В красивой голубой рубашке франт.

Уран и Нептун занимают особое место в Солнечной системе. Расположенные на её внешних границах, они образуют отдельный класс «ледяных гигантов», который принципиально отличается от более крупных газовых гигантов — Юпитера и Сатурна. Долгое время эти планеты оставались лишь едва различимыми точками в телескопы, но развитие космических технологий и, в частности, миссия «Вояджер-2», позволили приподнять завесу тайны над их природой.

Объект данного исследования: планеты Солнечной системы – Уран и Нептун.

Предмет исследования: оптические свойства атмосфер планет – их цвет и причины его возникновения.

Цель проекта: определить физическую причину голубого окраса планет Уран и Нептун, выявить сходства и различия в их атмосферных характеристиках.

Задачи проекта:

  • изучить теоретический материал об открытии, строении и химическом составе планет;

  • сравнить цвет двух планет и выяснить, почему Нептун выглядит ярко-синим;

  • проанализировать роль метана в спектре поглощения и отражения солнечного света;

  • провести эксперимент, создать макет.

Гипотеза: доказать, что голубой цвет Урана и Нептуна обусловлен наличием в их верхних слоях атмосферы газа метана, который поглощает красную часть спектра солнечного света и отражает голубую и зеленую, что визуально придает планетам аквамариновый оттенок.

Для достижения целей проекта была совершена экскурсия в Московский планетарий, была изучена информация в книгах и журналах.

Этапы исследования:

  1. Выбор объекта исследования и постановка целей и задач.

  2. Визит в Московский планетарий и изучение информации.

  3. Анализ исторических данных.

  4. Выводы по итогам посещения Московского планетария, изучения теоретического материала и проведения экспериментов.

Открытие загадочной и уникальной планеты Уран

Открытие планеты произошло 13 марта 1781 года. Ее открыл британкий астроном Уильям Гершель с помощью телескопа. До этого момента астрономы на протяжении тысячелетий знали только 5 планет видимых глазом (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн), плюс Земля. Открытие Гершеля впервые расширило границы Солнечной системы.

Гершель предложил назвать новую планету в честь короля Георга III – «Звезда Георга», но научная общественность отклонила это предложение. В итоге, планета была названа в честь древнегреческого бога неба. (кстати, все другие планеты названы именами римских богов). Интересный нюанс в том, что Уран наблюдали и раньше, но принимали за звезду. Планету называют ледяным гигантом, потому что вокруг нее летают замершие кристаллы. Один год на Уране длится 84 земных года – период обращения вокруг Солнца. За это время на Земле человек рождается, взрослеет и стареет.

Атмосфера состоит преимущественно из водорода - 83% и гелия - 15%, метана - почти 2%. Голубой цвет планеты – это результат поглощения красных лучей атмосферным метаном. В недрах Урана есть разные льды: водный, метановый и аммиачный. Поэтому его называют «ледяным гигантом». (см. Приложение 1)

  • В центре Урана находится небольшое каменное ядро (20%),

  • в середине – оболочка из льда (60%),

  • вокруг водородно-гелиевая атмосфера (20%).

Уран - единственная планета Солнечной системы, которая вращается «лежа на боку», «катится» по орбите с северным полюсом внизу. Это приводит к смене дня и ночи, длящейся по 42 года. Самая холодная планета. Из-за дальнего расположения планеты от Солнца температура на поверхности очень низкая и составляет от -208 до -224 градусов по Цельсию. Зато она очень интенсивно проветривается: ветры, дующие параллельно экватору планеты, несутся со скоростью 140 - 580 км/ч. Малоизученная планета: космический аппарат «Вояджер-2» пролетал мимо нее всего один раз.  Примерно в 14,5 раз тяжелее Земли.

.

Кольца Урана и спутники

Кольца Урана чрезвычайно темные и узкие состоящие из водяного льда с включениями органики (пыли). Большинство колец Урана непрозрачны. Их ширина не больше нескольких километров. В системе Урана открыто 27 естественных спутников. Спутники Урана движутся не в плоскости его орбиты (как у всех других планет), а почти перпендикулярно ей. Это уникальный случай в Солнечной системе. Можно выделить пять основных самых крупных спутников: это Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон. (см. Приложение 2)

Нептун и его уникальность

Нептун — восьмая и самая дальняя от Солнца и Земли планета Солнечной системы. Планета названа в честь римского бога морей. Урбен Жан Жозеф Леверье, первооткрыватель Нептуна. Обнаруженный 23 сентября 1846 года, Нептун стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам, а не путём регулярных наблюдений. Самая ветреная планета. Скорость ветров достигает 2100 км\ч.

Уникален своим внутренним теплом. Он излучает в космос в 2,6 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Уран такого избытка тепла практически не проявляет. Ось Нептуна наклонена на 30 градусов, что делает смену сезонов более похожей на земную, хотя и длящейся десятилетиями. Каждый сезон длится более 40 лет. Один нептунианский год (полный оборот вокруг Солнца) длится почти 165 земных лет. Во время пролёта «Вояджера-2» в 1989 году в южном полушарии Нептуна было обнаружено так называемое Большое тёмное пятно. (см. Приложение 3). Масса Нептуна больше Земли в 17 раз.

Строение Нептуна, спутники и кольца

Нептун по составу близок к Урану. Атмосфера Нептуна, состоит в основном из водорода, гелия и метана, содержит высокую долю льдов: водного, аммиачного и метанового. Недра Нептуна, как и Урана, состоят главным образом изо льдов и камня. Следы метана во внешних слоях атмосферы являются причиной синего цвета планеты.

У Нептуна 14 спутников. Крупнейший спутник Нептуна Тритон был открыт всего через 17 дней после открытия планеты, который, возможно, был им похищен из Пояса Койпера. (см. Приложеиие 4)

Кольца Нептуна более разреженные и состоят по большей части из ледяных и пылевых компонентов.

Захватывающая гипотеза - некоторые исследователи полагают, что, в отличие от Урана, Нептун под своими облаками прячет океан воды (ионный океан), и именно поэтому планета имеет такой насыщенный синий цвет.

Макет и эксперименты со светом (см. Приложение 5)

Материалы для изготовления макета:

  1. Лист оргалита

  2. Пенопласт

  3. Краски акриловые (глянцевые)

  4. Гуашь

  5. Саморезы

  6. Светодиодная подсветка

  7. Камни

Опыт «Мутная вода». В стакан с водой нужно добавить каплю молока и посветить фонариком. Вода станет голубоватой, так как произойдет рассеивание коротковолнового света.

Опыт «Светофильтр». Посмотреть на белый лист бумаги через синий и красный целлофан, в результате увидим, что метан работает как синий светофильтр.

Заключение

Выводы по итогам изученного материала, проведенных экспериментов и посещения Московского планетария (см. Приложение 6)

  1. Уран и Нептун выделяют в отдельный класс «ледяных гигантов».

  2. Голубой цвет – результат взаимодействия метана со светом. Гипотеза о том, что голубой окрас или аквамариновый оттенок планет связан с метаном в их атмосферах полностью подтвердилась. Молекулы метана эффективно поглощают красную и частично зеленую части солнечного спектра и отражают синюю и голубую части, что было доказано теоретическим материалом и экспериментальной частью.

  3. Нептун синее и активнее Урана благодаря внутреннему теплу. Нептун имеет насыщенный синий цвет и активную атмосферу (сильные ветры, Большое Темное пятно). Уран выглядит светлее, его атмосфера спокойнее, а цвет кажется размытым.

Таким образом, Уран и Нептун, несмотря на внешнее сходство, являются уникальными и во многом загадочными объектами, дальнейшее изучение которых требует новых космических миссий.

Список литературы

  1. Леонид Петров «Планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун». – М. Росмэн, 2021. – 64 с. (серия «Астрономия для детей»).

  2. Дэвид А. Агилар «Планеты. Путешествие по Солнечной системе». – М.: Издательство АСТ, 2018. – 80 с.

  3. Ирина Позднякова «Астрономия. От планет до черных дыр». – СПб.: Питер, 2020. – 128 с.

  4. Е. П. Левитан «Малышам о звездах и планетах». – М.: Педагогика-Пресс, 2019. – 144 с.

  5. Журнал «Наука и жизнь». «Загадки Урана и Нептуна». - №7, 2020. – с. 42-48.

Приложение 1

Строение Урана и его наклон

Приложение 2

Кольца Урана и спутники

Приложение 3

Строение Нептуна и Большое темное пятно Нептуна

Приложение 4

Спутники Нептуна

Приложение 5

Макет – продукт исследования

Приложение 6

Просмотров работы: 15