1. Две группы больших планет

Определения и обозначения

Большие планеты — восемь планет Солнечной системы, обращающихся вокруг Солнца и не относящихся к карликовым планетам. Это Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Такое понятие позволяет отделить основные планеты от карликовых тел, например Плутона. Для сравнения их делят на две группы.

Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс; это сравнительно небольшие плотные планеты с твёрдой поверхностью. Их основа — каменные породы и металлы. Группа получила название по сходству строения с Землёй. Такое объединение помогает сравнивать внутреннее строение и состав планет.

Планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун; это крупные планеты с мощными атмосферами и большим числом спутников. Их размеры и состав заметно отличаются от земных планет. У каждой есть кольцевая система. Термин обозначает группу, внутри которой также выделяют два типа планет.

Ледяные гиганты — Уран и Нептун, в составе которых значительна доля водяного, аммиачного и метанового льда. Слово «лёд» здесь называет вещества, а не обязательно привычные ледяные поверхности: внутри планеты они находятся под огромным давлением и при высокой температуре. Это название отличает Уран и Нептун от газовых гигантов — Юпитера и Сатурна.

Как это устроено

Различия между двумя группами связаны с тем, на каком расстоянии от Солнца формировались планеты. В протопланетном диске — облаке газа и пыли вокруг молодого Солнца — температура менялась с расстоянием. Поэтому разные вещества могли превращаться в твёрдые частицы не везде. Состав доступного для роста планет материала определил их дальнейшее строение.

Вблизи Солнца было слишком тепло для устойчивого существования многих летучих веществ в твёрдом виде. Здесь в основном конденсировались тугоплавкие вещества — металлы и каменные соединения, способные оставаться твёрдыми при высокой температуре. Из них складывались сравнительно небольшие тела. Так возникли планеты земной группы с высокой средней плотностью и твёрдыми поверхностями.

Дальше от Солнца проходит область, которую называют снеговой линией: за ней вода и некоторые другие вещества могли замерзать. Льда в диске становилось больше, поэтому растущие ядра планет могли набирать массу быстрее и достигать крупных размеров. Массивные ядра притягивали и удерживали лёгкий водород и гелий. Так сформировались мощные газовые оболочки гигантов; Уран и Нептун отличаются заметной долей льдов.

У земных планет твёрдая поверхность — верхняя часть каменистого тела. У гигантов нет твёрдой поверхности, которую можно было бы сопоставить с земной: с глубиной газовая оболочка становится всё плотнее, а вещество переходит в другие состояния под высоким давлением. Это не означает, что внутри гигантов нет плотных областей или ядер. Просто граница, на которую можно было бы условно «поставить» аппарат, у них устроена иначе.

Массивные планеты сильнее притягивают тела поблизости, поэтому им легче удерживать спутники. Вокруг планет-гигантов также сохранялось вещество, из которого могли образоваться кольца и спутники. Кольца представляют собой множество частиц, обращающихся вокруг планеты; они есть у всех гигантов, хотя особенно заметны у Сатурна. У земных планет спутников мало или нет, а кольцевых систем не обнаружено.

Сравнение планет земной группы и планет-гигантов

Сначала определите, какие признаки сравниваются, а затем сопоставляйте планеты по нескольким строкам, а не по одному свойству. Например, атмосфера есть и у Земли, но это не делает её гигантом: важны также плотность, размеры и твёрдая поверхность. Периоды вращения и обращения различаются у отдельных планет, поэтому в таблице указаны общие тенденции.

Разбор задач

Распределение планет по группам

Распределите Меркурий, Землю, Юпитер и Нептун по двум группам и назовите общий признак каждой группы. Для ответа нужно узнать, к какой группе принадлежит каждая планета, а затем указать не отдельную особенность, а общее сочетание свойств. Сравним состав и строение выбранных планет.

1. Меркурий и Земля — планеты земной группы: обе имеют твёрдую каменистую поверхность и относятся к сравнительно плотным планетам.
2. Юпитер и Нептун — планеты-гиганты: они намного крупнее земных планет, имеют мощные атмосферы и кольца. Юпитер — газовый гигант, а Нептун — ледяной.
3. Проверим классификацию: Земля остаётся планетой земной группы, несмотря на атмосферу, поскольку наличие атмосферы само по себе группу не определяет.

Ответ: Меркурий и Земля относятся к планетам земной группы; Юпитер и Нептун — к гигантам. Для первой группы общий признак — сравнительно малые размеры, высокая плотность и твёрдая поверхность, для второй — большие размеры и мощные атмосферы.

Расчёт средней плотности

Масса планеты равна 6,0·10²⁴ кг, радиус — 6,4·10⁶ м. Найдём её среднюю плотность и определим вероятную группу. Средняя плотность — отношение массы тела к его объёму, поэтому сначала вычислим объём, считая планету шаром.

1. Запишем формулы: V = 4/3·πR³ и ρ = m/V. Здесь m — масса, R — радиус, V — объём.
2. Подставим радиус: V ≈ 4/3·3,14·(6,4·10⁶ м)³ ≈ 1,1·10²¹ м³.
3. Вычислим плотность: ρ ≈ 6,0·10²⁴ кг / 1,1·10²¹ м³ ≈ 5,5·10³ кг/м³. Это примерно 5,5 г/см³.

Ответ: средняя плотность составляет около 5,5·10³ кг/м³. Она близка к плотности Земли, поэтому при сравнении с известными планетами такой объект вероятнее отнести к земной группе. Одна плотность не доказывает принадлежность наверняка: нужно учитывать и состав, размеры и наличие твёрдой поверхности.

Почему состав планет различается

Объясним, почему далеко от Солнца могли сформироваться планеты с мощными газовыми оболочками, а вблизи — преимущественно каменные. Для этого проследим цепочку от температуры диска до способности планеты удерживать газ. Важно учитывать не только состав вещества, но и массу формирующихся тел.

1. Близко к молодому Солнцу было жарко, поэтому многие летучие вещества не могли оставаться твёрдыми. В строительный материал планет входили главным образом металлы и каменные соединения.
2. За снеговой линией температура была ниже, и к твёрдым частицам добавлялся лёд. Из этого вещества ядра могли набирать большую массу.
3. Массивное ядро сильнее притягивало водород и гелий и могло удержать их, прежде чем газ рассеялся. Вблизи Солнца небольшие каменные тела не получили такой большой массы и не сформировали столь мощные оболочки.

Ответ: условия конденсации веществ зависели от расстояния до Солнца, а массивные ядра за снеговой линией смогли удержать лёгкий газ. Поэтому внутренние планеты преимущественно каменные, а внешние — крупные и окружены мощными оболочками.

Типичные ошибки

Считать все планеты-гиганты полностью газовыми. Так думают, потому что словом «гигант» часто обозначают огромную газовую планету. Однако у гигантов есть плотные внутренние области и ядра, а Уран и Нептун относятся к ледяным гигантам. Проверьте себя: вспомните деление на газовые и ледяные гиганты.

Относить Землю и Венеру к гигантам из-за атмосферы. Атмосфера встречается у планет разных групп, поэтому этот признак сам по себе не решает классификацию. Ошибка возникает, когда один заметный признак принимают за достаточный. Сверьте также размеры, плотность и наличие твёрдой поверхности.

Путать массу и плотность. Большая масса не обязательно означает большую среднюю плотность: крупная планета может иметь большой объём и состоять из более лёгких веществ. Массу ошибочно принимают за плотность, потому что обе величины связаны с количеством вещества. Проверьте себя по формуле ρ = m/V: плотность зависит и от объёма.

Считать, что кольца есть только у Сатурна. Его кольца заметнее всего, поэтому создаётся впечатление, будто других кольцевых систем нет. На самом деле кольца обнаружены у всех планет-гигантов. Проверьте себя, разделяя заметность колец и их фактическое наличие.

Связь с другими темами

Для сравнения планет нужны понятия массы, объёма и плотности, а также базовые сведения о строении Солнечной системы. Эти знания помогают изучать закон всемирного тяготения, движение спутников и космические скорости: масса планеты влияет на её притяжение. Деление планет связано с вопросами происхождения Солнечной системы и экзопланет — планет у других звёзд. Сравнение условий на планетах также помогает рассуждать о возможном существовании жизни.

Что запомнить

• Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс.
• Планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
• Планеты земной группы малы, плотны и имеют твёрдую поверхность.
• Планеты-гиганты велики, окружены мощными атмосферами и имеют много спутников.
• Юпитер и Сатурн — газовые гиганты, Уран и Нептун — ледяные гиганты.
• Различия групп связаны прежде всего с расстоянием от Солнца и условиями формирования планет.
• Кольца имеются у всех планет-гигантов, хотя особенно хорошо видны кольца Сатурна.