§ 39. Природа тел Солнечной системы

Определения и обозначения

Планета — небесное тело, которое обращается вокруг звезды, имеет почти шарообразную форму и доминирует на своей орбите. Это отличает её от спутника, движущегося вокруг планеты, и от малых тел, которые не очистили окрестность своей орбиты от сопоставимых объектов. Такое определение помогает классифицировать тела не только по размеру, но и по их движению и роли в системе.

Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Это сравнительно небольшие плотные тела, состоящие преимущественно из каменных и металлических веществ. Такое название указывает на сходство их строения с Землёй, а не на то, что условия на них обязательно похожи на земные.

Планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Они гораздо массивнее планет земной группы, имеют мощные газовые оболочки и сравнительно низкую среднюю плотность. Средняя плотность показывает, сколько массы приходится на единицу объёма, поэтому помогает судить о составе планеты.

Малые тела Солнечной системы включают астероиды, кометы и метеорные тела. Астероиды обычно каменно-металлические, кометы содержат лёд и пыль, а метеорное тело — небольшой объект, движущийся в космосе. Различия состава важны: они определяют, как тела нагреваются, взаимодействуют с излучением и выглядят при наблюдении.

Как это устроено

Состав и свойства небесного тела нельзя надёжно определить только по его внешнему виду. Телескопы регистрируют излучение, а спектр — распределение излучения по длинам волн — показывает характерные линии атомов и молекул. По тепловому излучению оценивают температуру, а по движению тела под действием тяготения находят его массу; сопоставив массу с объёмом, вычисляют среднюю плотность. Вместе эти сведения позволяют проверить, соответствует ли наблюдаемая картина каменному, металлическому, ледяному или газовому составу.

Разделение на каменные внутренние планеты и богатые летучими веществами внешние миры связано с условиями формирования Солнечной системы. Вблизи молодого Солнца температура была высокой, поэтому лёгкие газы и многие льды не могли надолго оставаться в составе небольших зарождающихся тел. Сохранялись прежде всего тугоплавкие каменные и металлические вещества, из которых возникли планеты земной группы. Дальше от Солнца было холоднее: там могли накапливаться льды, а крупные зародыши планет захватывали водород и гелий.

У планет земной группы твёрдую оболочку образуют горные породы, а в глубине обычно находится плотное металлическое ядро. Их небольшие размеры и меньшая сила тяжести затрудняют удержание лёгких газов, поэтому атмосферы могут быть разреженными или отсутствовать. Однако это не универсальное правило: Венера удерживает плотную атмосферу, поскольку на её наличие влияют не только размеры, но и история планеты, состав оболочки и условия потери газов. У гигантов большая масса помогает удерживать мощные оболочки, в которых преобладают водород и гелий.

Состав и строение влияют на то, какие особенности можно наблюдать у планет. Твёрдая поверхность земных планет может быть изменена ударами, вулканизмом и движением вещества внутри, а атмосфера участвует в переносе тепла и может скрывать поверхность. У гигантов газовые оболочки не дают увидеть привычную твёрдую поверхность, зато у них есть кольца и многочисленные спутники. Спутники и кольца возникают и сохраняются в гравитационной системе планеты, а их свойства зависят от её массы, окружения и истории.

Астероиды считают остатками формирования планет: часть вещества не вошла в крупные тела, а возмущения со стороны планет мешали ему собраться в отдельную планету. Многие астероиды находятся в поясе между Марсом и Юпитером, но встречаются и на других орбитах. Комета содержит лёд, который при приближении к Солнцу нагревается и переходит в газ. Выделяющиеся газ и пыль окружают ядро, образуя кому, а воздействие солнечного излучения и солнечного ветра формирует хвост, направленный от Солнца.

Основные группы тел Солнечной системы и их свойства

Сравнивайте не один признак, а сразу несколько: например, размер, плотность и состав. Так можно отличить крупный газовый мир от небольшого каменно-металлического тела. Таблица описывает типичные свойства, поэтому отдельная планета может иметь особенность, не совпадающую с общей тенденцией.

Разбор задач

Задача 1. Планета A имеет радиус 0,95 радиуса Земли и среднюю плотность 5,2 г/см³, а планета B — радиус 11,2 радиуса Земли и плотность 1,3 г/см³. Нужно определить, к какой группе относится каждая. Сравним данные с тем, что плотные каменные планеты обычно невелики, а гиганты имеют большой радиус и меньшую среднюю плотность.

1. У A радиус близок к земному, а плотность высокая: это характерно для каменно-металлического состава.
2. У B радиус во много раз больше земного, а плотность заметно ниже: это типичный признак планеты-гиганта с большой долей лёгких веществ.

Ответ: A относится к планетам земной группы, B — к планетам-гигантам. Вывод основан на сочетании радиуса и плотности, а не только на размере.

Задача 2. Объясните, почему при одинаковом расстоянии от Солнца комета может иметь хвост, а астероид обычно его не имеет. Расстояние определяет нагрев обоих тел, но само по себе не объясняет появление хвоста. Для ответа нужно сопоставить состав кометы и астероида и проследить, что происходит с веществом при нагревании.

1. В комете есть лёд, который при нагревании начинает испаряться и выделять газ вместе с пылью.
2. Газ и пыль образуют вокруг ядра кому, а солнечное излучение и солнечный ветер уносят часть вещества от Солнца, формируя хвост.
3. Астероид обычно сложен камнем и металлом, поэтому при тех же условиях не выделяет большого количества газа и пыли.

Ответ: хвост появляется из-за испарения льда в составе кометы, а не просто из-за близости к Солнцу. Астероид такого ледяного запаса обычно не имеет.

Задача 3. Радиус планеты равен 2,5 радиуса Земли, средняя плотность — 1,8 г/см³. Найдите её массу в земных массах и оцените возможное строение. Для шара объём пропорционален кубу радиуса, поэтому важно учесть не только плотность, но и увеличение объёма. Обозначим земные значения радиуса, плотности и массы индексом «З».

1. Используем m = ρ · 4πR³/3. При делении массы планеты на массу Земли множитель 4π/3 сокращается, поэтому m/mЗ = (ρ/ρЗ) · (R/RЗ)³.
2. Берём ρЗ ≈ 5,5 г/см³ и подставляем: m/mЗ = (1,8/5,5) · 2,5³ ≈ 5,1.
3. Получаем массу около 5,1 массы Земли. Сравнительно низкая плотность при таком радиусе указывает на заметную долю летучих веществ или газовую оболочку, но точное строение одной плотностью определить нельзя.

Ответ: масса приблизительно равна 5,1 массы Земли; вероятно, планета не состоит только из плотных каменных и металлических веществ. Для уточнения вывода нужны дополнительные данные о составе и атмосфере.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все планеты одинаковыми по составу и объяснять различия только размерами. Такое представление возникает, когда видимые планеты кажутся похожими круглыми телами, а сведения об их недрах недоступны напрямую. Проверьте себя: сравните среднюю плотность и спектральные данные планет. Большая плотность обычно указывает на большую долю камня и металла, а малая — на значительную долю лёгких веществ.

Ошибка — называть хвост постоянной частью кометы. Хвост появляется, когда комета нагревается и выделяет газ с пылью, поэтому далеко от Солнца он может быть слабым или незаметным. Проверка проста: представьте, что изменится при нагревании ледяного ядра. Если хвост описывают как неизменный объект, не связанный с выделением вещества, объяснение неверно.

Ошибка — отождествлять астероид, метеорное тело и метеорит. Причина путаницы — сходные названия, относящиеся к движению небольшого фрагмента вещества. Астероид — малое тело на орбите вокруг Солнца, метеорное тело — небольшой объект в космосе, метеор — световое явление при его прохождении через атмосферу, а метеорит — фрагмент, достигший поверхности. Проверяйте, говорится ли о теле в космосе, свечении в атмосфере или упавшем веществе.

Ошибка — определять состав только по цвету или внешнему виду. Цвет может зависеть от освещения, облаков, пыли и обработки изображения, поэтому одинаково выглядящие объекты не обязательно имеют одинаковый состав. Для проверки нужны спектральные данные, а также сведения о массе и плотности. Если вывод сделан лишь по фотографии, его нельзя считать надёжным определением состава.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в строении планет, полезно знать закон всемирного тяготения и движение тел по орбитам: по орбитальному движению можно оценить массу небесного тела. Понятия плотности и температуры помогают связывать измерения с возможным составом, а спектр — находить признаки атомов и молекул. Тема пригодится при изучении происхождения Солнечной системы, звёзд и методов наблюдательной астрономии. Малые тела связаны с метеорными явлениями, столкновениями астероидов с Землёй и оценкой космической опасности.

Что запомнить

• Планеты Солнечной системы делятся на планеты земной группы и планеты-гиганты.
• Планеты земной группы небольшие, плотные и преимущественно каменно-металлические.
• Планеты-гиганты массивны, окружены мощными газовыми оболочками и имеют много спутников.
• Состав и строение планет связаны с расстоянием от Солнца при их формировании.
• Астероиды — небольшие каменно-металлические тела, многие из которых сосредоточены в поясе астероидов.
• Кометы содержат лёд и пыль; при приближении к Солнцу у них образуются кома и хвост.
• По излучению, спектру, массе и плотности исследуют природу удалённых небесных тел.