§30. Планеты и другие тела Солнечной системы

Определения и обозначения

Планета — небесное тело, которое обращается вокруг звезды, имеет почти шарообразную форму и очистило окрестность своей орбиты от сопоставимых тел. Для Солнечной системы это означает движение вокруг Солнца. Такое определение отделяет планеты от крупных, но не доминирующих на своей орбите тел.

Карликовая планета — шарообразное тело, обращающееся вокруг Солнца, которое не очистило окрестность своей орбиты и не является спутником. Она может быть достаточно крупной, чтобы стать почти шаром под действием собственной гравитации. Главное отличие от планеты связано не с размером, а с окружением орбиты.

Астероид — небольшое преимущественно каменное или металлическое тело, обращающееся вокруг Солнца. Из-за малой массы его собственное притяжение обычно не делает тело шарообразным. Астероиды помогают изучать вещество, оставшееся после формирования планет.

Комета — небольшое ледяное тело, у которого при приближении к Солнцу образуются кома и хвост. Кома — окружающее ядро облако газа и пыли, возникшее при испарении льда. По кометам можно судить о холодном веществе далёких областей Солнечной системы.

Как это устроено

Солнце притягивает каждую планету силой тяготения. Эта сила направлена к Солнцу и постоянно меняет направление скорости планеты, поэтому планета движется по искривлённой орбите. Если бы притяжения не было, тело полетело бы прямолинейно, а если бы не было начальной поперечной скорости, оно падало бы прямо на Солнце.

Планеты делятся на земную группу и гиганты из-за условий, существовавших при формировании системы. Вблизи молодого Солнца было слишком жарко для сохранения многих летучих веществ, поэтому там остались главным образом камни и металлы. Дальше температура была ниже, лёд сохранялся, а крупные зародыши планет смогли накопить водород, гелий и другие лёгкие вещества.

Почти шарообразная форма возникает тогда, когда собственная гравитация тела становится достаточно сильной. Она стягивает вещество к центру и сглаживает крупные неровности, хотя вращение может немного сплющивать тело у полюсов. У небольших астероидов притяжение слабее, поэтому прочность каменного вещества удерживает неправильную форму.

Расстояние от Солнца связано с периодом обращения третьим законом Кеплера: T²/R³ = const для тел, обращающихся вокруг одного центрального тела. При увеличении радиуса орбиты период T растёт, а полный путь за один оборот также становится больше. Орбитальная скорость внешней планеты в среднем меньше, потому что солнечное притяжение на большем расстоянии слабее.

Астероиды в основном движутся вокруг Солнца, особенно многочисленны они в поясе между Марсом и Юпитером. Кометы приходят из более удалённых областей и часто имеют вытянутые орбиты; при приближении к Солнцу их лёд испаряется. Метеороид — небольшой обломок, а естественный спутник обращается вокруг планеты или другого тела, поэтому эти объекты не следует смешивать.

Группы планет и малых тел Солнечной системы

Таблица позволяет сравнивать объекты сразу по пяти признакам: положению, составу, главному свойству и примерам. Сначала определите, вокруг какого тела движется объект, затем сопоставьте его форму и состав с характеристиками группы. Особенно полезно различать карликовые планеты и планеты по состоянию окрестности их орбит.

Разбор задач

Задача 1

Определим группу тел: Меркурий, Юпитер, Церера, Плутон и комета Галлея. Для классификации используем состав, форму и характер движения тела. Нужно отличить обычные планеты от карликовых планет и комет.

1. Меркурий обращается вокруг Солнца, имеет почти шарообразную форму и доминирует в своей орбитальной области, поэтому это планета земной группы.
2. Юпитер также является планетой, но по большим размерам и лёгкому составу относится к планетам-гигантам.
3. Церера и Плутон имеют почти шарообразную форму и обращаются вокруг Солнца, но не очистили окрестность орбиты, поэтому это карликовые планеты.
4. Комета Галлея содержит много льда и при приближении к Солнцу образует кому и хвост, поэтому относится к кометам.

Ответ: Меркурий — планета земной группы, Юпитер — планета-гигант, Церера и Плутон — карликовые планеты, комета Галлея — комета. Ключевой признак здесь не только размер, но и сочетание формы, состава и поведения на орбите.

Задача 2

Земля движется по почти круговой орбите радиусом R = 1,5·10¹¹ м за T = 365 суток. Требуется найти среднюю орбитальную скорость. Для одного оборота тело проходит длину окружности 2πR, поэтому применяем v = 2πR/T.

1. Переведём период в секунды: T = 365·24·3600 с = 31 536 000 с.
2. Подставим данные: v = 2π·1,5·10¹¹ / 31 536 000 м/с.
3. Вычислим: v ≈ 2,99·10⁴ м/с, или примерно 29,9 км/с.

Ответ: средняя орбитальная скорость Земли примерно равна 3,0·10⁴ м/с, то есть 30 км/с. Значение является средним, потому что реальная орбита Земли не идеально круговая.

Задача 3

Юпитер находится от Солнца в среднем в 5,2 раза дальше Земли: R_Ю/R_З = 5,2. Период обращения Земли примем за один год. Нужно найти период Юпитера с помощью третьего закона Кеплера T²/R³ = const.

1. Для двух планет запишем отношение: T_Ю²/T_З² = (R_Ю/R_З)³.
2. Извлечём квадратный корень: T_Ю/T_З = (5,2)³ᐟ².
3. Так как T_З = 1 год, получаем T_Ю ≈ 5,2·√5,2 ≈ 11,9 года.

Ответ: период обращения Юпитера составляет примерно 11,9 земного года. Дальняя планета проходит больший путь и движется медленнее, поэтому её год значительно длиннее земного.

Типичные ошибки

Считать планетой любое крупное тело. Размер сам по себе не определяет статус: тело должно иметь почти шарообразную форму и очистить окрестность орбиты. Проверяйте все признаки определения, особенно последний.

Путать хвост кометы с постоянной частью тела. Ядро существует постоянно, а кома и хвост возникают при нагревании около Солнца. Если хвост направлен от Солнца, это объясняется солнечным ветром и излучением.

Называть астероиды спутниками. Астероид обращается вокруг Солнца, тогда как спутник движется вокруг планеты или другого тела. Для проверки спросите себя, какое тело является непосредственным центром обращения.

Считать, что дальняя планета движется быстрее. При обращении вокруг одного Солнца средняя орбитальная скорость обычно уменьшается с расстоянием. Сравнивайте не только длину орбиты, но и действие солнечного притяжения.

Связь с другими темами

Для понимания движения планет нужны закон всемирного тяготения, движение по окружности, понятия периода и скорости. Эти идеи объясняют форму орбит и связь между расстоянием и временем обращения.

При решении задач полезно повторить третий закон Кеплера, а также смысл массы, радиуса орбиты и средней плотности. Средняя плотность помогает сравнивать внутренние планеты с гигантами.

Тема связана с движением искусственных спутников и космическими полётами. Она также нужна для изучения экзопланет и происхождения Солнечной системы.

Что запомнить

• Планеты обращаются вокруг Солнца под действием его гравитационного притяжения.
• Планеты земной группы каменные и имеют большую среднюю плотность.
• Планеты-гиганты значительно крупнее планет земной группы и состоят главным образом из лёгких веществ.
• Карликовая планета имеет почти шарообразную форму, но не очистила окрестность своей орбиты.
• Астероиды — преимущественно каменные и металлические малые тела.
• Кометы содержат много льда и при приближении к Солнцу образуют кому и хвост.
• Чем дальше планета от Солнца, тем больше её период обращения.