§ 13. Планеты земной группы

Определения и обозначения

Планеты земной группы — небольшие плотные планеты с твёрдой поверхностью, расположенные во внутренней части Солнечной системы. К ним относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Это понятие помогает отделить их от гораздо более крупных планет-гигантов и сравнивать тела сходного типа.

Кора — наружная твёрдая оболочка планеты. На Земле и Марсе её поверхность разнообразна: есть равнины, возвышенности и следы геологической активности; на Меркурии и Венере также преобладают каменистые породы, но поверхность изменена по-разному. Сравнение коры помогает выяснить, какие процессы формировали рельеф и продолжаются ли они сейчас.

Мантия — слой силикатных пород между корой и ядром. Силикаты — минералы, содержащие кремний и кислород; в мантии они образуют основную массу планеты. Перенос тепла и движение вещества в мантии могут поддерживать вулканизм и перемещение участков коры, поэтому этот слой важен для понимания геологической активности.

Ядро — центральная часть планеты, преимущественно состоящая из металлов, прежде всего железа. У планет различаются относительный размер ядра и его состояние: оно может иметь жидкую и твёрдую части, а у некоторых тел крупная металлическая часть занимает особенно значительную долю. Эти особенности связаны с внутренним теплом и возникновением магнитного поля.

Как это устроено

Планеты земной группы сформировались во внутренней области Солнечной системы. Там молодое Солнце сильно нагревало вещество, и лёгкие газы и летучие льды хуже сохранялись в составе зарождавшихся тел. Поэтому основой планет стали более тяжёлые вещества и силикаты, а получившиеся тела оказались сравнительно небольшими и плотными. Именно условия формирования объясняют их отличие от газовых гигантов.

У Меркурия, Венеры, Земли и Марса можно выделить кору, мантию и ядро, потому что при формировании тяжёлые вещества преимущественно опускались к центру, а более лёгкие оставались ближе к поверхности. Это разделение называют дифференциацией недр. Однако планеты различаются размерами и тем, сколько тепла сохранили после образования. Поэтому у них неодинаковы толщины оболочек, доля ядра и интенсивность процессов внутри.

Атмосферы планет различаются из-за сочетания гравитации, температуры и геологической активности. Достаточно сильное притяжение помогает удерживать газ, а нагрев может способствовать его потере; вулканизм, напротив, способен пополнять атмосферу выделившимися газами. У Венеры атмосфера очень плотная, у Земли — достаточно плотная, у Марса — разреженная, а у Меркурия почти нет устойчивой газовой оболочки. Различия отражают как свойства самих планет, так и их длительную эволюцию.

Температура поверхности зависит не только от того, насколько близко планета находится к Солнцу. Солнечное излучение нагревает поверхность, а атмосфера может удерживать часть тепла и возвращать его обратно. На Венере плотный углекислый газ создаёт сильный парниковый эффект, поэтому она горячее Меркурия, несмотря на большее расстояние от Солнца. У Марса атмосфера настолько разрежена, что удерживает тепло слабо, а на Меркурии большие перепады температуры связаны с почти отсутствующей атмосферой.

Вода, вулканизм, тектоника и магнитное поле у четырёх планет выражены неодинаково, потому что различаются их температура, запасы внутреннего тепла и строение недр. На Земле есть большие запасы жидкой воды на поверхности и действует активная тектоника; на Марсе обнаружены следы древней воды и льда. У планет также различаются магнитные поля: например, глобальное магнитное поле Земли связано с движением вещества в жидкой части ядра, а у Марса такого глобального поля сейчас нет. Спутники и следы старых процессов дополняют картину: по ним учёные восстанавливают историю планет и оценивают, как они меняются.

Сравнительные характеристики планет земной группы

Используйте таблицу для сравнения одной и той же характеристики сразу у четырёх планет: так проще увидеть и общие черты, и исключения. Значения округлены, а температура зависит от места и времени наблюдения; для Меркурия особенно важен большой перепад между освещённой и ночной сторонами. Средняя плотность помогает сравнивать состав в целом, но сама по себе не сообщает точное строение недр.

Разбор задач

1. Порядок планет и общий признак

Условие. Расположите Меркурий, Венеру, Землю и Марс по возрастанию среднего расстояния от Солнца и назовите общий признак, по которому их объединяют. Сначала определим, что значит «по возрастанию»: от ближайшей планеты к самой далёкой. Затем проверим порядок по средним расстояниям из таблицы.

1. У Меркурия расстояние около 57,9 млн км, у Венеры — 108,2 млн км.
2. Дальше идут Земля — около 149,6 млн км — и Марс — около 227,9 млн км.
3. Все четыре тела имеют твёрдую поверхность и относятся к сравнительно небольшим плотным планетам внутренней части Солнечной системы. Это общий признак группы, а не утверждение, что условия на них одинаковы.

Ответ: Меркурий, Венера, Земля, Марс. Их объединяют твёрдая поверхность, сравнительно небольшие размеры и высокая средняя плотность по сравнению с планетами-гигантами.

2. Диаметр и плотность Земли и Марса

Условие. Сравните диаметр и среднюю плотность Земли и Марса, затем сделайте вывод о сходстве и различии их состава. Чтобы сравнение было корректным, берём значения в одинаковых единицах: диаметр в километрах, плотность в г/см³. Диаметр показывает размер планеты, а средняя плотность характеризует массу вещества в единице объёма.

1. Диаметр Земли — примерно 12 742 км, Марса — примерно 6 779 км. Значит, Земля по диаметру почти в 1,9 раза больше Марса.
2. Средняя плотность Земли около 5,51 г/см³, Марса — около 3,93 г/см³. Земля в среднем плотнее, следовательно, в ней относительно больше тяжёлых веществ, прежде всего металлов.
3. Обе планеты имеют каменистые оболочки и металлические ядра, то есть принадлежат к одному типу. Но меньшая плотность Марса указывает на различия в доле и строении тяжёлых компонентов; по одной плотности нельзя установить точный состав всех слоёв.

Ответ: Земля почти вдвое больше Марса по диаметру и обладает большей средней плотностью. Планеты сходны общим каменисто-металлическим строением, но пропорции их вещества различаются.

3. Почему Венера горячее Меркурия

Условие. Венера находится дальше от Солнца, чем Меркурий, но её поверхность горячее. Нужно объяснить это, учитывая свойства атмосфер, а не только расстояние до Солнца. Сначала сравним, сколько тепла атмосфера способна удержать, затем учтём, что происходит с почти безатмосферной планетой.

1. Меркурий расположен ближе к Солнцу и получает сильное излучение, но его газовая оболочка крайне разрежена. Она почти не удерживает тепло, поэтому поверхность быстро нагревается на освещённой стороне и сильно остывает ночью.
2. Венера окружена очень плотной атмосферой, в которой преобладает углекислый газ. Солнечное излучение нагревает поверхность, а атмосфера задерживает значительную часть уходящего тепла; этот процесс называют парниковым эффектом.
3. Таким образом, расстояние влияет на поступление солнечной энергии, но не определяет температуру в одиночку. Для оценки нужно учитывать также состав и плотность атмосферы.

Ответ: Венера горячее Меркурия из-за сильного парникового эффекта в плотной углекислотной атмосфере. На Меркурии почти отсутствующая атмосфера не может эффективно удерживать тепло.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что температура определяется только расстоянием от Солнца. Так думают, потому что солнечное излучение действительно ослабевает с расстоянием. Но плотная атмосфера Венеры удерживает тепло гораздо эффективнее, чем почти отсутствующая атмосфера Меркурия. Проверьте объяснение, спросив себя, учтены ли состав и плотность атмосферы.

Ошибка: считать все планеты земной группы похожими на Землю по всем свойствам. Название группы создаёт впечатление сходства условий, хотя оно относится прежде всего к типу строения и твёрдой поверхности. На других планетах могут быть экстремальные температуры, иная атмосфера и совсем другие условия для воды. Для проверки разделяйте общие признаки группы и индивидуальные особенности каждой планеты.

Ошибка: путать планеты земной группы с планетами-гигантами. Причина путаницы — все они обращаются вокруг Солнца и называются планетами. Однако первые сравнительно малы, плотны и имеют твёрдую поверхность, а гиганты значительно крупнее и состоят преимущественно из лёгких веществ. Проверьте, к какому типу относится объект, сравнив его размеры, плотность и состав.

Ошибка: переносить земные условия на остальные планеты. Привычные условия могут казаться универсальными, но у каждой планеты своя история формирования и развития. Жидкая вода, плотная атмосфера и спутники есть не у всех: например, у Меркурия и Венеры спутников нет. Проверяйте отдельно каждую характеристику, а не выводите её наличие из сходства планет в одной группе.

Связь с другими темами

Для сравнения планет нужно знать строение Солнечной системы, порядок планет и смысл понятий «масса», «диаметр», «средняя плотность» и «атмосфера». Эти знания пригодятся при изучении планет-гигантов и происхождения Солнечной системы: сравнение помогает понять, как условия формирования повлияли на состав небесных тел. Данные о породах, воде и газовых оболочках используют в космических исследованиях, чтобы восстанавливать прошлое планет и оценивать возможность существования воды и жизни за пределами Земли.

Что запомнить

• К планетам земной группы относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс.
• Они расположены во внутренней части Солнечной системы.
• Это сравнительно небольшие и плотные планеты с твёрдой поверхностью.
• В их строении выделяют кору, мантию и ядро.
• Атмосферы четырёх планет заметно различаются по составу и плотности.
• Расстояние от Солнца — не единственный фактор, определяющий температуру поверхности.
• Условия на каждой планете зависят от её размеров, состава, атмосферы и истории развития.