II. СТРОЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Определения и обозначения

Солнечная система — Солнце и все тела, обращающиеся вокруг него или связанные с ним тяготением. К ним относятся планеты, спутники, карликовые планеты, астероиды и кометы. Это определение помогает отделить нашу систему от других планетных систем.

Планета — крупное небесное тело, движущееся по орбите вокруг звезды и имеющее почти шарообразную форму. Для планеты Солнечной системы также важно, что она очистила окрестность своей орбиты от сопоставимых тел. По этим признакам к планетам относят восемь крупных тел, а не Солнце или его спутники.

Карликовая планета — тело, обращающееся вокруг Солнца и имеющее почти шарообразную форму, но не очистившее область своей орбиты. Поэтому оно занимает промежуточное положение между планетой и малыми телами. Примером служит Плутон, который не стал планетой после уточнения классификации небесных тел.

Малое тело Солнечной системы — астероид, комета, метеороид или другое небольшое тело, обращающееся вокруг Солнца. Астероиды в основном каменные или металлические, а кометы богаты льдом и пылью. Понятие нужно, чтобы объединить многочисленные остатки вещества, не относящиеся к планетам и карликовым планетам.

Как это устроено

Солнце сосредоточивает почти всю массу Солнечной системы, потому что оно образовалось из центральной, наиболее плотной части протопланетного облака. Большая масса создаёт сильное гравитационное поле, удерживающее планеты и малые тела на орбитах. Поэтому движение большинства объектов определяется прежде всего притяжением Солнца, хотя планеты также влияют друг на друга.

Система возникла из огромного вращающегося газопылевого облака. При сжатии облака его вращение усилилось, а вещество расплющилось в диск; из центральной части сформировалось Солнце, из остального материала — планеты. Поэтому орбиты планет близки к одной плоскости и имеют преимущественно общее направление обращения.

Вблизи молодого Солнца температура была слишком высокой для сохранения льдов и лёгких газов. Здесь оставались тугоплавкие вещества — металлы и минералы, из которых возникли небольшие каменные планеты земной группы. Дальше от Солнца было холоднее, поэтому зародыши планет смогли накопить лёд, водород и гелий и превратились в гиганты.

Планеты земной группы меньше по размерам, имеют высокую среднюю плотность и твёрдую каменную поверхность. Планеты-гиганты намного крупнее, состоят преимущественно из водорода, гелия или льдов и окружены мощными атмосферами. Большая масса гигантов позволяет им удерживать больше спутников и колец, чем небольшим внутренним планетам.

Астероиды, кометы и карликовые планеты не прошли путь полного объединения вещества в крупные планеты. Они сохранили особенности разных областей первоначального диска и потому служат естественными «остатками» формирования системы. Изучая их состав и орбиты, учёные восстанавливают условия, существовавшие около 4,6 млрд лет назад.

Сравнительная характеристика планет Солнечной системы

Расстояния указаны примерно в астрономических единицах, где 1 а. е. — среднее расстояние от Земли до Солнца. При сравнении сначала определяйте тип планеты, затем сопоставляйте размеры и периоды обращения. Таблица показывает общую закономерность: с удалением от Солнца период обращения обычно увеличивается.

Разбор задач

Задача 1. Распределение планет по группам

Условие: распределите Меркурий, Землю, Юпитер и Нептун по группам планет земной группы и планет-гигантов. Нужно использовать не только положение планеты, но и её физические свойства. Главные признаки групп — размеры, состав и плотность.

1. Меркурий и Земля находятся во внутренней части системы, имеют каменный состав и сравнительно небольшие размеры.
2. Юпитер и Нептун расположены значительно дальше от Солнца, намного крупнее внутренних планет и окружены мощными атмосферами.
3. Следовательно, Меркурий и Земля относятся к планетам земной группы, а Юпитер и Нептун — к планетам-гигантам; Юпитер является газовым, Нептун — ледяным гигантом.

Ответ: планеты земной группы — Меркурий и Земля; планеты-гиганты — Юпитер и Нептун.

Задача 2. Сравнение периодов Земли и Марса

Условие: сравните периоды обращения Земли и Марса, если большие полуоси их орбит равны примерно 1 а. е. и 1,52 а. е. соответственно. Используем третий закон Кеплера: T²/a³ = const, поэтому T₂/T₁ = (a₂/a₁)³ᐟ². Это позволяет сравнить периоды без подстановки массы Солнца.

1. Возьмём Землю за первую планету: T₁ = 1 год, a₁ = 1 а. е.; для Марса a₂ = 1,52 а. е.
2. Вычислим отношение: T₂/T₁ = 1,52³ᐟ² ≈ 1,87.
3. Значит, марсианский год примерно в 1,87 раза длиннее земного, а его длительность составляет около 1,87 года, или 687 суток.

Ответ: Марс обращается вокруг Солнца примерно в 1,87 раза дольше Земли.

Задача 3. Изменение периода обращения

Условие: гипотетическую планету удалили от Солнца так, что большая полуось её орбиты увеличилась в четыре раза. Требуется определить, во сколько раз изменится период обращения. По третьему закону Кеплера квадрат периода пропорционален кубу большой полуоси: T² ∝ a³.

1. Обозначим новое расстояние как a₂ = 4a₁.
2. Для периодов получаем T₂/T₁ = (a₂/a₁)³ᐟ² = 4³ᐟ².
3. Так как 4³ᐟ² = √(4³) = √64 = 8, новый период будет в восемь раз больше прежнего.

Ответ: период обращения увеличится в 8 раз.

Типичные ошибки

Считать Солнце планетой. Центральное положение не делает тело планетой: Солнце излучает собственную энергию и является звездой. Проверяйте себя вопросом: тело светит само или отражает свет звезды?

Путать планету и карликовую планету. Ошибка возникает из-за почти шарообразной формы обоих типов тел. Сравните главное дополнительное условие: планета очистила окрестность орбиты, а карликовая планета — нет.

Называть астероиды и кометы спутниками. Спутник обращается вокруг планеты, тогда как астероид или комета обычно движется по орбите вокруг Солнца. Чтобы не ошибиться, сначала определите, вокруг какого тела происходит обращение.

Считать орбиты строго круговыми и лежащими на одной линии. В действительности орбиты близки к круговым и примерно coplanарны, но имеют различия по форме и наклону. Помните, что «примерно» не означает полного совпадения.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны понятия небесного тела, орбиты, силы тяготения и периода обращения. Третий закон Кеплера связывает период планеты с большой полуосью её орбиты. Эти знания позволяют объяснять движение планет количественно.

Дальше тема связана с законами Кеплера, происхождением Солнечной системы и поиском экзопланет. Сравнение планет помогает понимать, как по косвенным данным обнаруживают тела у других звёзд. Орбитальные закономерности применяются и в космической навигации.

Связь с физикой проявляется в действии тяготения, температуре протопланетного диска и законах сохранения. Состав и размеры планет зависят от того, какое вещество могло конденсироваться на разных расстояниях от Солнца. Вращение исходного облака объясняет общую плоскость орбит.

Что запомнить

• Солнечная система состоит из Солнца и всех тел, связанных с ним тяготением.
• Солнце содержит почти всю массу Солнечной системы.
• Планеты обращаются вокруг Солнца примерно в одной плоскости и одном направлении.
• Планеты земной группы небольшие, плотные и преимущественно каменные.
• Планеты-гиганты крупнее планет земной группы и имеют мощные атмосферы.
• Астероиды и кометы — остатки вещества, из которого формировалась Солнечная система.
• Карликовые планеты отличаются от планет тем, что не очистили окрестность своей орбиты.