§ 39. Природа тел Солнечной системы

Определения и обозначения

Планета — небесное тело, обращающееся вокруг звезды, имеющее почти шарообразную форму и доминирующее на своей орбите. В Солнечной системе планеты обращаются вокруг Солнца, а их гравитация и движение определяют устройство собственных орбитальных областей. Это определение помогает отличать планеты от тел, которые лишь движутся вокруг Солнца, но не стали главными объектами на своей орбите.

Карликовая планета — почти шарообразное тело, обращающееся вокруг Солнца, которое не расчистило окрестности своей орбиты. Она может быть крупной и иметь сложное строение, но делит орбитальную область с другими телами. Этот термин нужен, чтобы точно классифицировать, например, Плутон, не смешивая его с планетами и малыми астероидами.

Астероид — небольшое преимущественно каменное или металлическое тело, обращающееся вокруг Солнца. Многие астероиды находятся в поясе между Марсом и Юпитером, но их орбиты встречаются и в других областях системы. Понимание состава помогает отличить астероид от богатой льдом кометы и оценивать свойства таких тел.

Комета — малое тело, состоящее главным образом из льда, пыли и замёрзших газов, образующее кому и хвост при приближении к Солнцу. Кома — окружающее ядро облако газа и пыли, возникающее, когда солнечное тепло испаряет летучие вещества. Это определение объясняет, почему комета особенно заметна около Солнца, хотя большую часть пути может выглядеть как небольшое тёмное тело.

Метеороид — небольшое каменное или металлическое тело, движущееся в межпланетном пространстве; метеор и метеорит — результаты его прохождения через атмосферу и падения на поверхность. Метеором называют световое явление при входе тела в атмосферу, а метеоритом — уцелевший фрагмент, упавший на поверхность. Различение этих слов показывает, говорим ли мы о теле в космосе, вспышке в небе или найденном веществе.

Как это устроено

Солнечную систему делят на Солнце, планеты, спутники и малые тела, потому что у этих групп различаются роль, размеры, происхождение и движение. Солнце — звезда: оно излучает собственную энергию, а планеты в основном отражают его свет. Планеты обращаются вокруг Солнца, спутники — вокруг планет, а малые тела имеют разнообразные орбиты и не образуют отдельные большие системы. Такая классификация упорядочивает наблюдения и помогает сравнивать объекты с похожими свойствами.

Планеты земной группы невелики, плотны и имеют твёрдую поверхность, потому что состоят преимущественно из тяжёлых каменных пород и металлов. Ближе к Солнцу в молодой системе было горячее, поэтому лёгкие летучие вещества труднее сохранялись в твёрдом состоянии. Планеты-гиганты формировались дальше, где льды могли накапливаться вместе с газом; большая масса позволила им удержать мощные газовые оболочки. Поэтому их размеры велики, а средняя плотность обычно меньше, чем у каменистых планет.

Расстояние от Солнца влияет на количество получаемой энергии: при удалении от светила нагрев обычно слабее. Это отражается на температуре поверхности и на том, какие вещества могут оставаться твёрдыми или испаряться. Однако итог зависит не только от расстояния: атмосферный состав и плотность атмосферы могут удерживать тепло или, напротив, слабо влиять на температуру. Наличие атмосферы определяется также массой планеты и её способностью удержать газ, поэтому одной удалённостью объяснить его нельзя.

Орбиты астероидов часто сравнительно близки к круговым и расположены в области между орбитами Марса и Юпитера, хотя встречаются тела с иными траекториями. Кометы обычно движутся по сильно вытянутым орбитам и подолгу находятся далеко от Солнца. При приближении кометы лёд в ядре нагревается и переходит в газ, унося частицы пыли; вокруг ядра возникает кома. Солнечное излучение и солнечный ветер воздействуют на газ и пыль, отбрасывая их от Солнца, поэтому хвост меняет направление и обычно становится заметнее при усилении испарения.

Состав далёкого тела можно исследовать по его спектру — распределению света по длинам волн: разные вещества поглощают и излучают свет по-разному. Яркость и спектр дают сведения о температуре, поверхности и атмосфере, хотя наблюдения с Земли не всегда позволяют узнать всё напрямую. Космические аппараты фотографируют тела, измеряют их поля и составляют карты, приближая исследование к самому объекту. Метеориты можно изучать в лаборатории, а их вещества дают образцы древнего материала, сохранившегося со времени формирования Солнечной системы.

Основные типы тел Солнечной системы и их свойства

В таблице сопоставлены состав, движение и признаки основных групп; примеры помогают соотнести описание с конкретными объектами. Чтобы определить тип тела, сначала сравните его состав и строение, затем учтите, вокруг чего оно обращается и как ведёт себя. Некоторые группы неоднородны, поэтому признаки в таблице описывают характерные свойства, а не обязательное свойство каждого отдельного объекта.

Разбор задач

Задача 1. Тело обращается вокруг Солнца, имеет почти шарообразную форму, но в его орбитальной области остаются другие сравнимые по размеру объекты. Определите тип тела. Здесь нужно проверить не только форму и движение вокруг Солнца, но и то, доминирует ли объект на своей орбите.

1. Форма тела почти шарообразная — это соответствует одному из признаков планеты и карликовой планеты.
2. Тело обращается вокруг Солнца, поэтому оно относится к солнечным телам, а не к спутникам планеты.
3. В орбитальной области сохраняются сравнимые по размеру объекты; значит, тело не расчистило окрестности орбиты.
4. Оно не выполняет полный набор признаков планеты, но соответствует определению карликовой планеты.

Ответ: карликовая планета. Порядок проверки важен: одного сходства с планетой по форме недостаточно, если не выполнен признак доминирования на орбите.

Задача 2. Масса небесного тела равна 6,0 × 10²⁴ кг, радиус — 6,4 × 10⁶ м. Найдите среднюю плотность и определите, к какому типу планет оно ближе по строению. Средняя плотность равна отношению массы к объёму, поэтому сначала найдём объём тела, считая его шаром.

1. Объём шара: V = 4/3πr³.
2. Подставим радиус: V ≈ 4/3 × 3,14 × (6,4 × 10⁶ м)³ ≈ 1,1 × 10²¹ м³.
3. Найдём плотность: ρ = m/V ≈ (6,0 × 10²⁴ кг)/(1,1 × 10²¹ м³) ≈ 5,5 × 10³ кг/м³.
4. Полученная плотность порядка нескольких тысяч килограммов на кубический метр характерна для каменистых тел с металлической частью, а не для газовых оболочек гигантов.

Ответ: средняя плотность примерно 5,5 × 10³ кг/м³; по этому признаку тело ближе к планете земной группы. Плотность даёт подсказку о составе, но сама по себе не сообщает точное строение: для этого нужны и другие наблюдения.

Задача 3. Комета движется по сильно вытянутой орбите и приближается к Солнцу. Объясните, почему у неё появляется хвост, куда он направлен и почему меняется его длина. Нужно связать наблюдаемую форму с нагреванием ядра и воздействием Солнца на выброшенное вещество.

1. При сближении с Солнцем ядро получает больше энергии и нагревается; лёд и замёрзшие газы начинают переходить в газ.
2. Газ уносит с поверхности пыль, вокруг ядра образуется кома, а часть газа и пыли вытягивается в хвост.
3. Солнечное излучение и солнечный ветер воздействуют на газ и пыль, поэтому хвост направлен преимущественно от Солнца, а не строго назад по пути движения кометы.
4. Чем интенсивнее испарение и чем больше вещества уносится с ядра, тем заметнее и обычно длиннее хвост. По мере удаления кометы от Солнца нагрев ослабевает, выброс вещества уменьшается, и хвост меняется.

Ответ: хвост образуется из газа и пыли, выбрасываемых при нагревании ядра, и направлен главным образом от Солнца. Его длина зависит от активности кометы и меняется вслед за расстоянием до Солнца.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любую крупную планету звездой. Большой размер сам по себе не делает тело звездой: планета светит преимущественно отражённым солнечным светом, тогда как звезда выделяет энергию благодаря термоядерным реакциям. Путаница возникает из-за яркости некоторых планет на небе. Для проверки спросите себя, излучает ли объект собственную энергию в результате реакций в недрах или виден благодаря отражённому свету.

Ошибка: отождествлять астероид с кометой. Оба типа тел обращаются вокруг Солнца и могут быть небольшими, но астероиды преимущественно каменные или металлические, а кометы богаты льдом и пылью. Их смешивают, потому что оба объекта иногда выглядят как слабые точки на небе. Проверьте состав и поведение при сближении с Солнцем: у активной кометы появляются кома и хвост.

Ошибка: называть метеором тело, летящее в космосе. Пока объект находится в межпланетном пространстве, это метеороид; метеор — световое явление при его прохождении через атмосферу. Ошибку провоцирует привычное выражение «падающая звезда», хотя звезда никуда не падает. Для самопроверки уточните, описывается ли тело в космосе, вспышка в атмосфере или упавший фрагмент: последний называется метеоритом.

Ошибка: считать хвост кометы направленным строго за ней. Хвост не обязан совпадать с направлением движения, поскольку на газ и пыль действуют солнечное излучение и солнечный ветер. Такое представление появляется, если представить хвост обычным следом за движущимся предметом. На схеме сначала отметьте положение Солнца: хвост должен быть направлен преимущественно от него, а не просто назад по орбите.

Связь с другими темами

Для понимания орбит нужны закон всемирного тяготения и законы Кеплера: они объясняют, почему тела движутся вокруг Солнца и как устроены их траектории. Сравнение небесных тел опирается на знакомые величины — массу, объём, плотность и температуру; связь между массой, объёмом и плотностью выражает формула ρ = m/V. Спектры помогают судить о составе и температуре вещества на расстоянии. Эти знания пригодятся при изучении происхождения Солнечной системы, космических исследований, астрофизики и риска астероидно-кометных столкновений.

Что запомнить

• Солнечная система включает Солнце, планеты, их спутники и множество малых тел.
• Планета почти шарообразна, обращается вокруг Солнца и расчистила окрестности своей орбиты.
• Планеты земной группы имеют твёрдую поверхность и сравнительно большую плотность.
• Планеты-гиганты значительно крупнее и состоят главным образом из водорода, гелия и льдов.
• Астероиды в основном каменные или металлические, а кометы содержат много льда и пыли.
• В атмосфере наблюдается метеор, а достигшая поверхности часть тела называется метеоритом.
• Хвост кометы появляется при приближении к Солнцу и направлен преимущественно от него.