IX. Основные сведения о планетах

Определения и обозначения

Планета — небесное тело, которое обращается вокруг Солнца и не излучает собственного видимого света, а отражает солнечный. Планеты достаточно массивны, чтобы стать почти шарообразными, и расчистили окрестность своей орбиты от сопоставимых тел. Это отличает их от звёзд, производящих энергию и свет, и от малых тел, которые не выполнили все признаки определения планеты.

Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Они сравнительно невелики, обладают высокой средней плотностью и состоят преимущественно из каменных пород и металлов. По сходству строения Земля служит удобным ориентиром для сравнения их поверхностей, недр и атмосфер.

Планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их размеры намного больше размеров планет земной группы, а состав и строение иные: значительную роль играют лёгкие вещества, газовые и ледяные оболочки. Деление на две группы помогает объяснить, почему планеты отличаются не только величиной, но и устройством.

Спутник планеты — небесное тело, которое обращается вокруг планеты. У одних планет спутников нет, у других их несколько или много; наличие колец также различается. Чтобы определить, является ли тело спутником, нужно выяснить, вокруг чего оно обращается, а не только где находится.

Как это устроено

Планеты делят на две группы, потому что внутри Солнечной системы сложились разные условия формирования вещества. Ближе к Солнцу было слишком жарко, чтобы многие летучие вещества сохранялись в твёрдом виде, поэтому там сформировались небольшие плотные тела из камня и металла. Дальше от Солнца могли накапливаться льды, а крупные зародыши планет захватывали газ; так возникли гиганты. Поэтому их различия связаны и с составом, и с размерами, а не только с порядком расположения.

Расстояние от Солнца влияет на то, сколько энергии планета получает: при удалении поток солнечного излучения быстро ослабевает. Поэтому дальние миры обычно холоднее, но расстояние не задаёт температуру однозначно. Плотная атмосфера может удерживать тепло парниковым эффектом, а облака, состав поверхности и перенос тепла ветрами меняют условия. Именно сочетание этих факторов объясняет, почему Меркурий, несмотря на близость к Солнцу, не самый горячий мир.

Каждая планета совершает два разных движения: обращается по орбите вокруг Солнца и вращается вокруг собственной оси. Период обращения — время полного оборота по орбите, а период вращения — время одного оборота вокруг оси; эти промежутки нельзя путать. Для планет, обращающихся вокруг Солнца, действует третий закон Кеплера: T² = a³, если период T выражен в годах, а большая полуось орбиты a — в астрономических единицах. Чем дальше планета, тем длиннее её путь и тем слабее притяжение Солнца, поэтому орбитальный период возрастает.

Атмосферы планет различаются составом и плотностью, потому что газы удерживаются гравитацией, а нагрев влияет на скорость их движения. Крупной планете легче удержать лёгкие газы: её притяжение сильнее, а верхние слои атмосферы могут быть холоднее. Небольшие горячие планеты чаще теряют газы в космос или не способны долго сохранять плотную оболочку. Позднее поступление вещества и химические процессы тоже меняют состав, поэтому одного размера недостаточно, чтобы полностью предсказать атмосферу.

Для сравнения планет важны не только размеры и движения, но и спутники, кольца, поверхность и облачный покров. Спутники помогают исследовать влияние тяготения и историю планетной системы, а кольца показывают, как мелкие частицы могут удерживаться вокруг планеты. На планетах земной группы можно изучать твёрдую поверхность, кратеры и рельеф; у гигантов наблюдают главным образом облака и атмосферные явления. Эти особенности дополняют общие сведения и помогают увидеть, насколько неодинаковы миры Солнечной системы.

Основные характеристики планет Солнечной системы

В таблице средние расстояния даны в астрономических единицах (а.е.), где 1 а.е. — среднее расстояние от Земли до Солнца; периоды указаны в земных годах, диаметры — приблизительно в километрах. Число известных спутников меняется по мере открытий, поэтому значения для гигантов следует понимать как ориентировочные; кольца обозначены отдельно. Сравнивая строки, проследите, как с ростом расстояния обычно увеличивается период обращения, но не делайте по одному столбцу выводов о температуре или составе.

Разбор задач

Задача 1. Распределите восемь планет на планеты земной группы и планеты-гиганты. Укажите, по каким признакам выполнено деление. Не стоит ориентироваться только на положение планеты в ряду: важно сопоставить её свойства с общими особенностями двух групп.

1. Выпишем четыре внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Это планеты земной группы, поскольку они сравнительно малы, плотны и имеют преимущественно каменный состав.
2. Оставшиеся планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — относятся к гигантам. Они значительно крупнее, а их состав и внутреннее строение отличаются от каменных планет.
3. Проверим основание классификации: размеры, среднюю плотность и состав, а не одно лишь расстояние от Солнца. Такое сравнение объясняет физическое различие групп.

Ответ: земная группа — Меркурий, Венера, Земля, Марс; гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Деление основано прежде всего на размерах, плотности и составе.

Задача 2. Используя таблицу, сравните периоды обращения двух планет, указанных в условии. Например, определим, во сколько раз период Нептуна больше периода Земли. Сравнение периодов показывает, насколько медленнее дальняя планета завершает полный оборот вокруг Солнца.

1. Находим в таблице нужные величины: для Земли T₁ = 1 год, для Нептуна T₂ = 164,8 года.
2. Чтобы узнать, во сколько раз периоды отличаются, делим больший период на меньший: T₂ / T₁ = 164,8 / 1 = 164,8.
3. Проверяем смысл результата: Нептун находится гораздо дальше от Солнца, поэтому его орбитальный период намного длиннее. Если в задаче даны другие две планеты, применяем то же деление их периодов.

Ответ: период обращения Нептуна примерно в 165 раз больше периода Земли. Для любой другой пары нужно разделить больший период из таблицы на меньший.

Задача 3. Планета находится примерно в четыре раза дальше от Солнца, чем Земля. Оцените её период обращения в земных годах по третьему закону Кеплера и проверьте, согласуется ли результат с данными для гигантов. Сравнение выполняем при условии, что расстояние принимается за большую полуось орбиты.

1. Записываем закон в удобных единицах: T² = a³, где T — период в годах, а a — расстояние в а.е. Для Земли a = 1 и T = 1.
2. Подставляем a = 4: T = √(4³) = √64 = 8 лет. То же получается по формуле T = a^(3/2).
3. Проверяем порядок величины по таблице: Юпитер расположен примерно в 5,2 а.е. и обращается за 11,86 года. Значение для расстояния 4 а.е. должно быть меньше юпитерианского и действительно получается около восьми лет.

Ответ: период составляет примерно 8 земных лет. Результат согласуется с тем, что более далёкая планета-гигант Юпитер совершает оборот почти за 12 лет.

Типичные ошибки

Считать, что все планеты похожи на Землю. Такое представление возникает потому, что Земля — привычный пример планеты, но гиганты имеют совсем другие размеры, плотность и строение. Проверить себя можно по таблице: диаметры Юпитера и Сатурна во много раз превышают земной, а сами они не имеют твёрдой поверхности, подобной земной.

Смешивать период обращения и период вращения. Оба понятия описывают повторяющееся движение, поэтому их легко перепутать. Обращение — движение по орбите вокруг Солнца, вращение — движение вокруг собственной оси; проверяйте, вокруг чего именно движется планета и какой промежуток требуется найти.

Считать, что температура определяется только расстоянием до Солнца. Близость к звезде задаёт количество получаемого излучения, но не описывает, сколько тепла атмосфера удерживает и как оно распределяется. Если вывод о температуре основан лишь на расстоянии, проверьте, учтены ли состав и плотность атмосферы, облака и парниковый эффект.

Называть спутниками любые тела рядом с планетой. Такое тело может на самом деле обращаться вокруг Солнца и лишь временно находиться близко к планете. Чтобы проверить ответ, нужно установить орбиту тела: спутник совершает оборот вокруг планеты, а не просто располагается рядом с ней.

Связь с другими темами

Для изучения планет нужны понятия Солнечной системы, небесного тела и орбиты, а также различие между вращением и обращением. Законы Кеплера помогают сравнивать орбитальные периоды, а закон всемирного тяготения объясняет движение планет и спутников. Эти знания пригодятся при изучении малых тел Солнечной системы, которые отличаются от планет размерами и особенностями движения. Сравнение планет также даёт основу для поиска экзопланет и оценки условий, в которых может существовать жизнь.

Что запомнить

• В Солнечной системе восемь планет.
• Четыре ближайшие к Солнцу планеты относятся к земной группе.
• Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — планеты-гиганты.
• Планеты обращаются вокруг Солнца и вращаются вокруг собственных осей.
• Периоды обращения планет увеличиваются с удалением от Солнца.
• Планеты различаются атмосферой, поверхностью, спутниками и наличием колец.