§ 13. Физическое строение планет группы Юпитера

Определения и обозначения

Планеты группы Юпитера — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, расположенные во внешней части Солнечной системы. Они крупнее планет земной группы и состоят в основном из лёгких или сравнительно летучих веществ. Это понятие нужно, чтобы объединять планеты с похожими общими свойствами и одновременно сравнивать различия их недр.

Газовый гигант — планета, состоящая преимущественно из водорода и гелия и не имеющая твёрдой поверхности земного типа. К газовым гигантам относят Юпитер и Сатурн. Термин подчёркивает состав планеты, а не то, что всё её вещество находится в обычном газообразном состоянии.

Ледяной гигант — планета, в недрах которой значительную долю составляют вода, аммиак и метан, называемые в астрономии льдами. В Уране и Нептуне эти вещества находятся при огромных давлениях и высоких температурах, поэтому не похожи на обычный лёд. Понятие помогает отличить их внутренний состав от состава Юпитера и Сатурна.

Металлический водород — состояние водорода, возникающее при чрезвычайно высоком давлении внутри Юпитера и Сатурна. Водород становится электропроводящим, поэтому его движение может поддерживать магнитное поле планеты. Этот термин нужен для объяснения того, почему газовая планета способна иметь мощную магнитосферу.

Как это устроено

Большая масса планет-гигантов сочетается с невысокой средней плотностью потому, что значительную часть их объёма занимают водород и гелий. Эти элементы намного легче веществ, преобладающих в каменных планетах. Уран и Нептун содержат больше тяжёлых соединений, поэтому в среднем плотнее Юпитера и Сатурна, хотя тоже имеют огромные размеры.

У планет-гигантов нет резкой границы между атмосферой и недрами. Верхние слои состоят из газа, но по мере погружения давление сжимает вещество, а температура повышается. Поэтому газ постепенно становится плотной жидкостью или переходит в другие состояния, и облачный слой нельзя считать твёрдой поверхностью.

В Юпитере и Сатурне над более глубокими областями расположены слои молекулярного водорода и гелия. При дальнейшем увеличении давления молекулы водорода разрушаются, а вещество приобретает металлические свойства и хорошо проводит электрический ток. В центре предполагается ядро из тяжёлых веществ, но переходы между слоями могут быть постепенными, а не похожими на чёткие оболочки.

Уран и Нептун устроены иначе: над центральной областью, вероятно, находится толстый слой веществ, богатых водой, аммиаком и метаном. Выше располагается атмосфера, в которой преобладают водород и гелий, а в центре предполагается каменное ядро. Такое распределение объясняется тем, что при формировании эти планеты накопили больше тяжёлого вещества, чем Юпитер и Сатурн.

Сильное сжатие недр создаёт колоссальные давления и высокие температуры, поэтому свойства вещества там отличаются от привычных земных. Если проводящее вещество движется, в нём могут возникать электрические токи, формирующие магнитное поле. У Урана и Нептуна магнитные поля особенно необычны: их оси заметно наклонены и смещены относительно центра планеты.

Сравнение физического строения планет группы Юпитера

Таблица позволяет сначала сравнить состав планет, а затем связать его с предполагаемыми слоями недр. Обратите внимание, что описания внутреннего строения являются моделями, построенными по наблюдаемым свойствам. Отличительная черта показывает, чем каждая планета особенно выделяется среди остальных.

Разбор задач

Сравнение плотности Юпитера и Сатурна с плотностью воды

Условие. Средняя плотность Юпитера примерно 1,33 г/см³, а Сатурна — около 0,69 г/см³; плотность воды равна 1 г/см³. Нужно объяснить, почему меньшая средняя плотность Сатурна не означает отсутствия массивных недр. Сравнение должно учитывать не только массу, но и огромный объём планеты.

1. Сравним числа с плотностью воды: Юпитер плотнее воды примерно в 1,33 раза, а Сатурн имеет плотность около 0,69 плотности воды.
2. Свяжем результат с составом: в обеих планетах много лёгких водорода и гелия, причём у Сатурна их доля и общий объём особенно велики.
3. Учтём давление: в глубине газ сжимается, поэтому вещество становится плотным и образует массивные внутренние области, даже если среднее значение для всей планеты невелико.

Ответ. Сатурн в среднем менее плотен воды, потому что его огромный объём в основном заполнен лёгкими газами. Это не исключает массивного ядра и плотных слоёв, сжатых высоким давлением.

Определение типа планеты по составу

Условие. В недрах планеты много воды, аммиака и метана, а её атмосфера содержит водород и гелий. Нужно определить, к какой группе она относится. Наличие газовой атмосферы само по себе не решает задачу.

1. Выделим главный признак: состав основной части недр, а не только верхнего слоя атмосферы.
2. Сопоставим его с определениями: вода, аммиак и метан относятся к веществам, которые астрономы называют льдами.
3. Сделаем вывод: атмосфера из водорода и гелия не превращает такую планету в газового гиганта, если её недра преимущественно состоят из более тяжёлых веществ.

Ответ. Это ледяной гигант — Уран или Нептун. Газовая оболочка есть у обоих типов планет, но решающим является состав внутренних областей.

Сопоставление моделей Юпитера и Урана

Условие. Нужно объяснить, почему для Юпитера ожидается слой металлического водорода, а у Урана основную долю недр составляют вещества тяжелее водорода и гелия. Сравним не только названия планет, но и их состав, размеры и давление внутри. Это позволит связать модель с физическими условиями.

1. Юпитер очень массивен и в основном состоит из водорода и гелия, поэтому в его глубине давление достаточно велико для перехода водорода в металлическое состояние.
2. Уран содержит значительно больше воды, аммиака и метана, чем Юпитер, поэтому эти тяжёлые вещества формируют обширную внутреннюю область.
3. Следовательно, одинаковое наличие атмосферы не означает одинакового строения: состав и давление определяют, какие состояния вещества возникнут в недрах.

Ответ. Металлический водород характерен для глубин массивного водородно-гелиевого Юпитера. Уран относится к ледяным гигантам, поэтому в его недрах преобладает область из воды, аммиака и метана, а не металлический водородный слой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать облака твёрдой поверхностью Юпитера или Сатурна. Её допускают, потому что видимый верх атмосферы выглядит как чёткая граница. Проверьте себя: если с глубиной газ уплотняется и переходит в другие состояния, земной поверхности там нет.

Ошибка: называть Уран и Нептун газовыми гигантами в том же смысле, что Юпитер и Сатурн. Причина — у всех четырёх планет есть газовая атмосфера. Сверяйте не атмосферу, а состав основной части недр: у ледяных гигантов много воды, аммиака и метана.

Ошибка: изображать внутренние слои как точно известные оболочки с резкими границами. Такие схемы удобны для обучения, поэтому легко забыть, что они построены по моделям. Проверка проста: помните, что переходы между состояниями вещества могут быть постепенными.

Ошибка: думать, будто «лёд» означает холодные недра Урана и Нептуна. Название связано с составом веществ, а не с их температурой на планете. Высокие давление и температура могут сохраняться даже там, где вещество называют астрономическим льдом.

Связь с другими темами

Для понимания строения планет нужны масса, объём и средняя плотность: по ним судят о составе небесного тела. Знание зависимости состояния вещества от давления и температуры объясняет появление металлического водорода и слоистую структуру недр. Эти сведения связаны с темами магнитных полей планет, атмосфер и спутников. Они также помогают сравнивать планеты земной группы и планеты внешней Солнечной системы.

Что запомнить

• К планетам группы Юпитера относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
• Юпитер и Сатурн — газовые гиганты, Уран и Нептун — ледяные гиганты.
• У планет-гигантов нет твёрдой поверхности, подобной земной.
• С глубиной давление и температура в недрах возрастают.
• В моделях недр Юпитера и Сатурна выделяют область металлического водорода.
• Уран и Нептун богаче водой, аммиаком и метаном, чем Юпитер и Сатурн.
• Детали внутреннего строения планет устанавливают по наблюдениям и уточняют с помощью моделей.