§ 11. Строение Солнечной системы

Определения и обозначения

Планета — крупное небесное тело, которое обращается вокруг звезды, имеет почти шарообразную форму и не излучает собственного видимого света. Планеты Солнечной системы видны потому, что отражают солнечный свет; в отличие от звёзд, они не поддерживают такое же самостоятельное излучение. Их отличают и от малых тел: планеты достаточно массивны, чтобы тяготение придало им округлую форму и очистило окрестность орбиты от большинства сопоставимых объектов. Это определение помогает понять, почему к планетам относят восемь крупных тел, а астероиды рассматривают отдельно.

Астрономическая единица (а. е.) — среднее расстояние от Земли до Солнца, приблизительно 149,6 млн км. Это удобная единица для сравнения размеров орбит: например, расстояние 2 а. е. означает примерно вдвое большее расстояние, чем расстояние Земли от Солнца. В километрах такие величины получаются длинными, поэтому астрономы часто записывают их в а. е. Для перевода в километры значение в а. е. умножают примерно на 149,6 млн.

Астероид — малое твёрдое тело, обращающееся вокруг Солнца. Большая часть известных астероидов сосредоточена в поясе между орбитами Марса и Юпитера, хотя отдельные астероиды движутся и в других областях Солнечной системы. Они состоят преимущественно из каменистого или металлического вещества и обычно не образуют заметной комы и хвоста. Понятие нужно, чтобы отличать такие тела от планет и от ледяных комет.

Комета — малое тело, в составе которого есть лёд, пыль и каменистое вещество; её орбита часто вытянутая, поэтому расстояние до Солнца заметно меняется. Когда комета приближается к Солнцу, лёд нагревается и выделяет газ с пылью. Вокруг ядра возникает облако газа и пыли — кома, а под действием солнечного излучения и потока частиц формируется хвост, направленный преимущественно от Солнца. Эти признаки объясняют характерный вид кометы вблизи Солнца.

Как это устроено

Солнце находится в центре планетной системы не потому, что неподвижно во всей Вселенной, а потому, что именно вокруг него обращаются планеты. Оно содержит почти всю массу Солнечной системы, поэтому его тяготение сильнее всего влияет на движение планет. Тяготение меняет направление их скорости и удерживает тела на орбитах, не позволяя им улететь прямо в космос. Планета не падает на Солнце, поскольку одновременно движется в сторону, поперечную к силе притяжения.

Порядок планет от Солнца таков: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Первые четыре образуют земную группу: они сравнительно компактны, плотны и имеют твёрдую поверхность. Дальше расположены планеты-гиганты, значительно превосходящие их по размеру; их вещество в основном состоит из газов и льдов. Деление связано не только с расстоянием: оно отражает различия в размерах, составе и строении планет.

Орбиты планет различаются размером, а период обращения — временем одного полного оборота вокруг Солнца. Чем дальше планета, тем больше её орбита и тем дольше путь, который ей нужно пройти; кроме того, на большом расстоянии планета движется медленнее из-за более слабого воздействия солнечного тяготения. Поэтому период обращения обычно возрастает с удалением от Солнца. Количественную связь описывает третий закон Кеплера: для планет Солнечной системы T² = a³, если T измерен в годах, а большая полуось орбиты a — в астрономических единицах.

Естественный спутник — небесное тело, которое обращается вокруг планеты, а не непосредственно вокруг Солнца. Поэтому движение спутников не противоречит тому, что планеты входят в систему, связанную с Солнцем: планета вместе со спутником движется по собственной орбите вокруг звезды. Спутники есть не у всех планет, и их количество различается: у Земли один, а у некоторых планет-гигантов — много. Это разнообразие связано с историей формирования планет и захватом тел их тяготением.

Планетами Солнечная система не ограничивается: в ней есть астероиды, кометы и метеорное вещество. Астероиды — преимущественно каменистые тела, основная масса которых находится в поясе между Марсом и Юпитером; кометы содержат лёд и при сближении с Солнцем проявляют активность. Метеорное вещество — мелкие частицы и обломки, движущиеся в межпланетном пространстве; при попадании в атмосферу они могут наблюдаться как метеоры. Эти малые тела сохраняют материал ранних этапов формирования системы и дополняют картину её строения.

Основные группы тел Солнечной системы

Сначала определите, к какой группе относится тело, а затем сравните его положение, состав и движение. Строки о спутниках и кольцах описывают общие тенденции, а не обязательное свойство каждого объекта. Малые тела особенно разнообразны, поэтому сведения в их столбце нельзя считать одинаковыми для каждого астероида и кометы.

Разбор задач

Распределение планет по группам

Условие. Распределите Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун на планеты земной группы и планеты-гиганты. Нужно использовать не порядок перечисления, а признаки классификации. Сначала отделим близкие к Солнцу каменистые планеты от крупных внешних.

1. Вспоминаем, что к земной группе относят четыре ближайшие к Солнцу планеты с твёрдой поверхностью.
2. Записываем в эту группу Меркурий, Венеру, Землю и Марс.
3. Оставшиеся четыре планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — относим к гигантам: они крупнее и расположены дальше.

Ответ. Земная группа: Меркурий, Венера, Земля, Марс; планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Проверка проста: в каждой группе по четыре планеты, а граница между группами проходит после Марса. Такой способ полезен, если названия в условии даны в случайном порядке.

Перевод астрономических единиц в километры

Условие. Планета находится на расстоянии 5,2 а. е. от Солнца. Переведите расстояние в километры, используя 1 а. е. ≈ 149,6 млн км. Сначала важно определить единицу: число 5,2 задано не в километрах, а в астрономических единицах.

1. Записываем соотношение: расстояние в километрах = расстояние в а. е. × 149,6 млн км.
2. Подставляем значение: 5,2 × 149,6 млн км = 777,92 млн км.
3. Округляем результат, потому что исходное значение а. е. приблизительное: получаем около 778 млн км, или 7,8 × 10⁸ км.

Ответ. 5,2 а. е. — это приблизительно 778 млн км. Порядок величины составляет 10⁸ км, что согласуется с полученным числом. Не следует записывать 5,2 как число километров: сначала нужно выполнить перевод единиц.

Сравнение периодов обращения

Условие. Большие полуоси орбит двух планет равны 1 а. е. и 4 а. е. Найдите отношение их периодов обращения и определите, у какой планеты он больше. Большая полуось задаёт характерный размер орбиты, а для планет вокруг Солнца применим третий закон Кеплера.

1. Используем соотношение T² = a³, где расстояние a выражено в а. е., а период T — в годах.
2. Для орбиты 1 а. е.: T₁² = 1³, значит, T₁ = 1 год.
3. Для орбиты 4 а. е.: T₂² = 4³ = 64, значит, T₂ = 8 лет. Берём положительное значение, так как период — время.
4. Сравниваем результаты: T₂ / T₁ = 8 / 1 = 8.

Ответ. У планеты с орбитой 4 а. е. период обращения больше в 8 раз. Перед вычислением нужно проверить, что расстояния даны в а. е., а периоды получаются в годах. Если бы требовались другие единицы времени, результат следовало бы дополнительно перевести.

Типичные ошибки

• Ошибочно считать, что все тела Солнечной системы движутся непосредственно вокруг Солнца: естественные спутники сначала обращаются вокруг планет. Такое заблуждение возникает из-за упрощённого представления о единой орбите для каждого тела. Проверяйте, вокруг какого объекта тело совершает ближайшее движение: Луна обращается вокруг Земли, а Земля вместе с Луной — вокруг Солнца.

• Планету иногда принимают за звезду, потому что оба объекта видны на небе как светлые точки. Но планета не является источником собственного видимого света, а отражает солнечный свет; звезда излучает его сама. Чтобы проверить себя, спросите, светится ли тело самостоятельно или наблюдается благодаря освещению звездой.

• Астероид и комету нельзя различать только по размеру: оба относятся к малым телам, но их состав и поведение неодинаковы. Комета содержит лёд и при сближении с Солнцем может образовать кому и хвост, а у астероидов обычно таких признаков нет. Проверяйте не только размеры тела, но и его состав, а также то, меняется ли оно при нагревании.

• Если расстояние указано в астрономических единицах, это не означает, что оно уже выражено в километрах. Ошибка возникает, когда числа сравнивают или подставляют в вычисления, не проверив обозначение единицы. Посмотрите на подпись а. е. и, если нужны километры, умножьте значение на 149,6 млн км за одну а. е.

Связь с другими темами

Для понимания устройства Солнечной системы нужны понятия силы тяготения, орбиты и периода обращения небесного тела. Тяготение объясняет, почему планеты и их спутники удерживаются на орбитах, а период позволяет описать, сколько длится один оборот. Без этих понятий сложно понять, чем различаются движение планеты вокруг Солнца и движение спутника вокруг планеты.

Сведения о планетах и размерах их орбит пригодятся при изучении законов Кеплера и движения небесных тел. Сравнивая расстояния и периоды, можно проверять закономерности движения планет и делать расчёты по астрономическим данным. Представление о разнообразии тел также помогает разобраться, какие объекты наблюдают и исследуют космические аппараты.

Что запомнить

• Солнечная система включает Солнце и обращающиеся вокруг него небесные тела.
• Планеты движутся вокруг Солнца по орбитам.
• Планеты делят на земную группу и планеты-гиганты.
• Астрономическая единица используется для выражения расстояний в Солнечной системе.
• У многих планет есть естественные спутники.
• К малым телам Солнечной системы относятся, в частности, астероиды и кометы.