§ 14. Планеты-гиганты

Определения и обозначения

Планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, большие внешние планеты Солнечной системы. По сравнению с планетами земной группы они имеют гораздо более протяжённые атмосферы и иное внутреннее строение. Их большие размеры не означают высокой средней плотности: она зависит от массы и объёма, а также от состава вещества. Это понятие помогает объединить четыре планеты, которые отличаются от Меркурия, Венеры, Земли и Марса.

Газовые гиганты — Юпитер и Сатурн, состоящие преимущественно из водорода и гелия. Эти лёгкие элементы составляют большую часть их внешних и внутренних слоёв. Однако называть планеты просто газовыми шарами неверно: глубоко внутри давление настолько велико, что свойства вещества меняются. Термин подчёркивает их состав и отличает их от Урана и Нептуна.

Ледяные гиганты — Уран и Нептун, в недрах которых значительную роль играют вода, аммиак и метан. В астрономии эти вещества называют льдами, имея в виду их состав и особенности планетного вещества, а не обязательно привычный холодный лёд. По доле таких компонентов эти планеты отличаются от Юпитера и Сатурна. Разделение на два типа помогает не смешивать гигантов с разным строением.

Большое красное пятно — долговременный вихрь в атмосфере Юпитера, то есть область вращающихся газовых потоков. Это не отдельное тело и не участок твёрдой поверхности: у Юпитера нет земной поверхности, на которой пятно могло бы находиться. Вихрь заметен благодаря облакам и отличается продолжительным существованием. Его наблюдение помогает изучать движения вещества в атмосфере планеты.

Как это устроено

Большие размеры гигантов связаны с тем, что при формировании планет на далёких от Солнца орбитах они смогли собрать много вещества, в том числе лёгких газов и соединений водорода. Водород и гелий имеют малую массу на единицу объёма по сравнению с железом и силикатными породами, преобладающими в Земле. Поэтому гиганты могут быть очень массивными и крупными, но иметь меньшую среднюю плотность. Плотность определяется отношением массы к объёму, а не одним лишь радиусом.

Снаружи гигант окружён газовой атмосферой, а при движении вглубь давление и температура возрастают. Газ становится всё более плотным, и граница между атмосферой и глубинными слоями не выглядит как чёткая поверхность. У Юпитера и Сатурна под внешней оболочкой водород при огромном давлении приобретает свойства жидкости и металла; у ледяных гигантов важны плотные слои соединений воды, аммиака и метана. Центральная область может быть богата тяжёлыми элементами, но точное строение недр изучают по косвенным данным.

Кольца есть у всех четырёх гигантов, потому что вокруг каждой планеты могут сохраняться частицы, движущиеся по орбитам. Гравитация планеты удерживает их, а спутники способны менять орбиты частиц, формировать промежутки и поддерживать узкие кольца. Яркость зависит от количества, размера и отражательной способности частиц: ледяные частицы колец Сатурна хорошо отражают свет, тогда как кольца остальных планет обычно тусклее. Кольца не сплошные — между отдельными частицами много пустого пространства.

Магнитное поле возникает благодаря движению электропроводящего вещества внутри планеты. Быстрое вращение помогает организовать эти движения, поэтому гиганты обладают сильными магнитными полями, хотя их строение и наклон относительно оси вращения различаются. У Юпитера и Сатурна важную роль играет движение водорода в глубинных слоях, а у Урана и Нептуна источник поля связан с проводящими веществами в недрах. Поле не обязательно совпадает с осью вращения: у ледяных гигантов оно заметно наклонено и смещено относительно центра.

Различия атмосфер видны по облакам и ветрам. На Юпитере чередуются светлые и тёмные полосы, а Большое красное пятно представляет собой крупный долгоживущий вихрь; у Сатурна тоже есть облачные полосы, но особенно заметна система колец. Ось Урана наклонена почти на 98°, поэтому планета вращается почти «лёжа на боку» и получает необычное сезонное освещение полюсов. Нептун находится далеко от Солнца, но его атмосфера активна: наблюдаются быстрые ветры и меняющиеся облачные образования, а внутренняя энергия помогает поддерживать движение.

Сравнительная характеристика планет-гигантов

В таблице собраны ориентировочные значения и признаки, которые позволяют сопоставить планеты. Плотность приведена в г/см³, расстояние от Солнца — среднее расстояние в астрономических единицах, равных средней дистанции от Земли до Солнца. Сравнивайте сразу несколько строк: один признак, например размер, не объясняет всех различий между планетами.

Разбор задач

Сравнение плотности Земли и Юпитера

Средняя плотность Юпитера примерно 1,33 г/см³, Земли — 5,51 г/см³. Нужно узнать, во сколько раз земная плотность больше, и по результату сделать вывод о составе. Для этого сравним значения в одинаковых единицах, разделив плотность Земли на плотность Юпитера.

1. Записываем отношение: ρЗемли / ρЮпитера = 5,51 / 1,33.
2. Выполняем деление: 5,51 / 1,33 ≈ 4,14.
3. Делаем вывод: средняя плотность Земли примерно в 4,1 раза выше, чем у Юпитера. Это согласуется с тем, что Земля богата плотными горными породами и металлами, а Юпитер — водородом и гелием.

Ответ: примерно в 4,14 раза; различие связано с составом и внутренним строением планет. Расчёт не означает, что каждый участок Земли плотнее любого участка Юпитера. Он сравнивает усреднённые значения для планет целиком.

Оценка плотности Сатурна

Масса Сатурна составляет около 95 масс Земли, радиус — около 9,5 радиуса Земли. Требуется найти отношение средних плотностей, считая обе планеты шарами. Поскольку объём шара пропорционален кубу радиуса, одного сравнения масс недостаточно: нужно учесть, во сколько раз различаются объёмы.

1. Записываем формулу отношения: ρСатурна / ρЗемли = (mСатурна / mЗемли) / (RСатурна / RЗемли)³.
2. Подставляем данные: ρСатурна / ρЗемли = 95 / 9,5³. Куб радиуса равен 9,5³ = 857,375.
3. Делим: 95 / 857,375 ≈ 0,111. Значит, средняя плотность Сатурна составляет примерно 11% средней плотности Земли.

Ответ: отношение плотности Сатурна к плотности Земли приблизительно равно 0,11. Масса Сатурна велика, но его объём растёт как куб радиуса и увеличивается ещё сильнее. Поэтому большой радиус сам по себе не означает высокой средней плотности.

Наклон оси Урана

Уран вращается почти «лёжа на боку», а его ось наклонена примерно на 98° к перпендикуляру орбиты. Нужно объяснить, как такой наклон влияет на освещение полюсов, и сравнить его с другими гигантами. Решение следует из того, что планета одновременно вращается вокруг оси и обращается вокруг Солнца.

1. При сильном наклоне оси направление на полюса в течение орбитального движения меняется относительно Солнца гораздо заметнее, чем у планет с небольшим наклоном.
2. Вблизи летнего солнцестояния один полюс долго обращён к Солнцу, а противоположный остаётся в темноте; через половину орбитального периода положение меняется.
3. У Юпитера, Сатурна и Нептуна оси наклонены намного меньше, поэтому их полюса не испытывают столь продолжительных периодов почти непрерывного освещения или темноты.

Ответ: полюса Урана по очереди переживают долгие сезоны освещения и темноты. Именно необычный наклон оси выделяет его среди остальных планет-гигантов. При этом наклон влияет на сезонное освещение, а не означает, что планета перестаёт вращаться.

Типичные ошибки

Ошибка — считать гигантов состоящими только из газа, как из однородного вещества. Так думают, потому что снаружи видны облака и атмосфера, но с глубиной давление и температура растут, а вещество образует разные плотные слои. Проверяйте себя вопросом: меняются ли условия внутри планеты? Если да, представление о единой газовой оболочке недостаточно.

Уран и Нептун иногда называют газовыми гигантами в том же смысле, что Юпитер и Сатурн. Причина ошибки — у всех четырёх есть атмосферы и водород, но состав их недр различается: у ледяных гигантов значительную роль играют вода, аммиак и метан. Чтобы проверить классификацию, вспомните, какие вещества преобладают в недрах и к какой группе относится планета.

Кольца можно ошибочно представлять как сплошные твёрдые обручи. На изображениях частицы сливаются в полосы, поэтому возникает впечатление цельной поверхности, но на самом деле между отдельными фрагментами есть большие промежутки. Проверка проста: кольцо — это множество частиц на орбитах, а не единый предмет, охватывающий планету.

Ещё одна ошибка — заключать, что большая планета обязательно плотнее маленькой. Её допускают, если путают массу с плотностью: объём растёт вместе с радиусом в кубе, и состав тоже влияет на результат. Для проверки используйте ρ = m/V и сравнивайте массу с объёмом, а не один радиус.

Связь с другими темами

Для сравнения гигантов нужны знания о строении Солнечной системы и умение различать массу, радиус, объём и среднюю плотность. Понятия атмосферы, давления и внутреннего строения связывают эту тему с изучением планет земной группы и эволюции планетных систем. Сведения о спутниках и кольцах пригодятся при знакомстве с малыми телами Солнечной системы и происхождением планетных систем.

Что запомнить

• К планетам-гигантам относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
• Юпитер и Сатурн — газовые гиганты, Уран и Нептун — ледяные гиганты.
• Планеты-гиганты имеют протяжённые атмосферы и слоистое внутреннее строение.
• У всех четырёх планет есть кольца и многочисленные спутники.
• Кольца состоят из отдельных частиц, а не из сплошных твёрдых оболочек.
• Уран выделяется большим наклоном оси вращения.
• Атмосферы гигантов отличаются мощными ветрами, полосами и вихрями.