§ 18. Планеты-гиганты

Определения и обозначения

Планеты-гиганты — крупнейшие планеты Солнечной системы, состоящие преимущественно из лёгких и летучих веществ и не имеющие твёрдой поверхности земного типа. К этой группе относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их изучают, чтобы понять разнообразие планетных миров и условия формирования Солнечной системы. Большой размер не означает, что такая планета обязательно очень плотная.

Газовые гиганты — Юпитер и Сатурн, в которых преобладают водород и гелий. Внешне это газовые планеты, но их недра нельзя представлять как пустую оболочку: с глубиной вещество становится всё плотнее. Такое название помогает отличать их по главному составу от Урана и Нептуна. Плотные состояния водорода формируются под огромным давлением.

Ледяные гиганты — Уран и Нептун, в которых значительна доля воды, аммиака и метана. В астрономии слово «лёд» обозначает вещества, которые в холодной области формирования планет могли замерзать; внутри планет они нагреты и сжаты. Поэтому это не ледяные шары в бытовом смысле. Такое деление показывает различие состава и внутреннего строения гигантов.

Кольца планет — системы многочисленных частиц льда, пыли и камней, обращающихся вокруг планеты. Частицы движутся по орбитам, то есть кольца не являются сплошным твёрдым диском. Они могут различаться яркостью, шириной и размером частиц. Изучение колец помогает исследовать движение вещества вокруг планет.

Как это устроено

Гиганты сформировались во внешней, более холодной области Солнечной системы. Там вода, аммиак и другие летучие вещества могли замерзать, образуя твёрдые частицы и крупные зародыши планет. Растущие зародыши Юпитера и Сатурна получили достаточно сильное притяжение, чтобы захватить большие оболочки водорода и гелия из окружающего вещества. Близко к молодому Солнцу эти лёгкие газы было труднее удержать.

Внешний слой планеты образует атмосфера, а ниже давление и температура постепенно увеличиваются. У Юпитера и Сатурна молекулярный водород на глубине становится плотной жидкостью, а ещё глубже — металлическим водородом, который проводит электрический ток. Центральная область, вероятно, содержит тяжёлые элементы, хотя её точное строение различается у разных планет и продолжает изучаться. У Урана и Нептуна большую роль играют горячие плотные смеси воды, аммиака и других веществ.

У гигантов нет ясной границы между атмосферой и твёрдой поверхностью. Газовые слои постепенно уплотняются, поэтому переход к жидкости или другому плотному состоянию происходит не на одной резко очерченной поверхности. Чем глубже, тем выше давление и температура, а свойства вещества меняются вместе с ними. Поэтому радиус планеты обычно задают по уровню верхних облаков или по условно выбранному давлению.

Большие планеты часто вращаются быстро, потому что при их образовании облако вещества сжималось, а вращение при этом ускорялось. Быстрое вращение создаёт центробежный эффект: экваториальные области выпячиваются, и планета становится сплюснутой у полюсов. Движение электропроводящего вещества в недрах помогает создавать магнитные поля; у Урана и Нептуна их геометрия необычна. Сильное притяжение также позволяет гигантам удерживать многочисленные спутники, часть которых могла возникнуть вместе с планетой, а часть — быть захвачена позднее.

Кольца образуются из частиц, которые могли остаться от формирования планеты, быть выброшены при разрушении спутников или пополниться веществом от столкновений. Близко к планете приливные силы могут мешать обломкам собраться в единое тело, поэтому они продолжают обращаться отдельными частицами. Кольца Сатурна заметнее других благодаря большой протяжённости и яркому льду, хорошо отражающему солнечный свет. Кольцевые системы есть у всех четырёх гигантов, хотя многие из них тусклые и узкие.

Сравнительные характеристики планет-гигантов

Значения округлены: отдельные источники могут приводить немного отличающиеся параметры, особенно для периода вращения и температуры облаков. Сравнивайте характеристики одного типа: например, диаметр с диаметром, а плотность с плотностью. Таблица показывает, что размер и плотность — разные свойства: Сатурн крупнее Урана, но его средняя плотность меньше.

Разбор задач

1. Средняя плотность планеты

Условие. Радиус планеты-гиганта R = 69 900 км, масса M = 1,90 × 10²⁷ кг. Найдите её среднюю плотность и сравните с земной, равной примерно 5,51 г/см³. Для решения считаем планету шаром. Сравнение плотностей поможет сделать вывод о преобладающем составе.

1. Находим объём шара: V = 4πR³/3. Переводим радиус в метры: R = 6,99 × 10⁷ м. Тогда V ≈ 1,43 × 10²⁴ м³.

2. Используем формулу средней плотности ρ = M/V. Получаем ρ ≈ 1,90 × 10²⁷ / 1,43 × 10²⁴ ≈ 1,33 × 10³ кг/м³. Так как 1000 кг/м³ = 1 г/см³, это примерно 1,33 г/см³.

3. Сопоставляем результат с плотностью Земли: 1,33 г/см³ заметно меньше 5,51 г/см³. Это согласуется с тем, что в составе планеты преобладают лёгкие вещества, прежде всего водород и гелий. Однако плотность сама по себе не позволяет точно определить строение недр.

Ответ: средняя плотность составляет примерно 1,33 г/см³, то есть меньше земной. Планета богата лёгкими веществами.

2. Период обращения по большой полуоси

Условие. Большая полуось орбиты планеты равна 9,58 а. е. Определите период обращения вокруг Солнца. Используйте третий закон Кеплера в форме T² = a³. Эта упрощённая запись работает, когда T дан в годах, а a — в астрономических единицах.

1. Проверяем единицы: расстояние уже задано в астрономических единицах, поэтому переводить его в километры не нужно. Подставляем значение в закон Кеплера: T² = 9,58³. Важно возводить большую полуось в куб, а не в квадрат.

2. Извлекаем квадратный корень: T = √(9,58³) = 9,58^3/2. Численно получаем около 29,7. Поскольку единицы согласованы, результат выражен в земных годах.

3. Сверяем порядок величины: планета находится почти в десять раз дальше Земли от Солнца, поэтому её год должен быть намного длиннее земного. Полученное значение около 30 лет соответствует этому ожиданию.

Ответ: период обращения составляет примерно 29,7 года.

3. Ускорение свободного падения на Юпитере

Условие. Сравните ускорение свободного падения у верхней границы облаков Юпитера и на Земле. Для оценки примите массу Юпитера равной 1,90 × 10²⁷ кг, радиус — 6,99 × 10⁷ м, массу Земли — 5,97 × 10²⁴ кг, радиус Земли — 6,37 × 10⁶ м. Используйте G = 6,67 × 10⁻¹¹ Н·м²/кг². Нужно учесть и массу, и радиус каждой планеты.

1. Для каждой планеты применяем g = GM/R². На Юпитере получаем g ≈ 6,67 × 10⁻¹¹ × 1,90 × 10²⁷ / (6,99 × 10⁷)² ≈ 26 м/с². Подставляем радиус в метрах, иначе единицы результата не будут верными.

2. Для Земли тем же способом получаем g ≈ 9,8 м/с². Делим значения: 26/9,8 ≈ 2,7. Значит, оценка ускорения на уровне облаков Юпитера примерно в 2,7 раза выше земной.

3. Объясняем результат: масса Юпитера гораздо больше земной, но и его радиус больше, а радиус входит в знаменатель в квадрате. Поэтому нельзя судить о силе тяжести только по массе: нужно учитывать оба параметра. Реальное значение зависит от выбранного уровня в атмосфере и широты.

Ответ: ускорение свободного падения на уровне облаков Юпитера около 26 м/с², примерно в 2,7 раза больше земного.

Типичные ошибки

Ошибка: считать гиганты состоящими только из газа. Название газовых гигантов иногда заставляет представлять всю планету разреженной. Но под атмосферой давление увеличивается, и вещество переходит в плотные жидкие и проводящие состояния. Проверка: помните, что описание внешней оболочки не равно описанию всех недр.

Ошибка: называть Уран и Нептун газовыми гигантами без уточнения. Их атмосферы содержат водород и гелий, поэтому сходство действительно есть. Однако доля воды, аммиака и метана у них выше, и их выделяют в отдельную группу ледяных гигантов. Проверка: различайте планеты по составу внутренних областей, а не только по атмосфере.

Ошибка: представлять кольца сплошными дисками. На фотографиях отдельные частицы могут сливаться в непрерывную полосу. На деле между частицами есть промежутки, а сами они движутся по орбитам вокруг планеты. Проверка: мысленно увеличьте участок кольца — это множество обломков, а не цельная твёрдая пластина.

Ошибка: считать, что более крупная планета обязательно плотнее. Размер показывает линейную величину, а плотность зависит от отношения массы к объёму. Планета может быть очень большой и при этом состоять преимущественно из лёгких веществ; например, у Сатурна средняя плотность ниже земной. Проверка: плотность сравнивают отдельно, вычисляя ρ = M/V.

Связь с другими темами

Перед изучением планет-гигантов полезно знать строение Солнечной системы, закон всемирного тяготения, третий закон Кеплера и основные характеристики Земли. Эти знания нужны, чтобы сравнивать размеры и массы планет, оценивать орбиты и рассчитывать силу тяжести. Сама тема связана с происхождением Солнечной системы: состав гигантов помогает восстановить условия её ранних этапов. Она также пригодится при изучении спутников, колец, магнитосфер и способов обнаружения экзопланет.

Что запомнить

• Планеты-гиганты расположены во внешней части Солнечной системы.
• Юпитер и Сатурн — газовые гиганты, Уран и Нептун — ледяные гиганты.
• У планет-гигантов нет твёрдой поверхности, подобной поверхности планет земной группы.
• Главные компоненты атмосфер гигантов — водород и гелий; метан придаёт Урану и Нептуну голубоватый цвет.
• Быстрое вращение гигантов вызывает их заметное сплющивание.
• Все планеты-гиганты имеют кольца и многочисленные спутники.
• Планеты-гиганты обладают мощными магнитными полями и выделяют значительное внутреннее тепло.