2. Планеты земной группы

Определения и обозначения

Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их объединяют сравнительно небольшие размеры и каменистое строение: в составе преобладают твёрдые породы и металлы. Это понятие помогает отличать их от планет-гигантов, состоящих главным образом из лёгких веществ.

Атмосфера планеты — газовая оболочка, окружающая планету. Она может различаться по составу и плотности, а у некоторых тел почти отсутствовать. Сравнение атмосфер нужно, чтобы объяснять условия на поверхности, в том числе перенос и удержание тепла.

Парниковый эффект — нагревание поверхности и нижних слоёв атмосферы из-за поглощения и повторного излучения тепла. Он зависит от состава и плотности газовой оболочки. На Венере эффект очень силён, а земная атмосфера тоже удерживает тепло, но иначе влияет на среднюю температуру.

Плотность планеты — отношение её массы к объёму: ρ = m/V. Массу делят на объём, поэтому плотность выражают, например, в килограммах на кубический метр. Эта величина помогает судить о внутреннем строении: высокая средняя плотность указывает на значительную долю тяжёлых веществ, хотя для точного вывода учитывают и другие данные.

Как это устроено

Меркурий, Венера, Земля и Марс находятся во внутренней части Солнечной системы, ближе к Солнцу, чем планеты-гиганты. Их твёрдые поверхности образованы каменными породами и металлами. Такой состав связан с условиями формирования планет в горячей области молодой Солнечной системы: лёгкие вещества там хуже сохранялись. Поэтому эти планеты компактнее газовых гигантов и имеют твёрдую оболочку.

Диаметр показывает размер планеты, масса — количество содержащегося в ней вещества, а плотность учитывает и массу, и объём. Более крупная планета обычно имеет больший объём, но это не означает, что её средняя плотность обязательно выше. Например, Земля и Венера близки по плотности, а у менее массивного Марса она заметно ниже. Различия плотности связаны с долями металлов и каменных веществ, а также с устройством недр.

Расстояние от Солнца влияет на количество получаемой энергии: в среднем более удалённая планета получает меньше солнечного излучения. Однако по одному расстоянию нельзя определить температуру поверхности, потому что атмосфера может задерживать тепло. На Венере плотная углекислотная оболочка создаёт мощный парниковый эффект. У Меркурия почти нет атмосферы, поэтому он не удерживает тепло так же эффективно, хотя расположен ближе к Солнцу.

Атмосферы четырёх планет заметно различаются. У Меркурия есть лишь крайне разреженная газовая оболочка, которую обычно описывают как почти отсутствующую; у Венеры — очень плотная атмосфера, главным образом из углекислого газа. Земную атмосферу составляют преимущественно азот и кислород, а марсианская разреженная и тоже преимущественно углекислотная. Из-за разной плотности и состава оболочки по-разному влияют на давление, температуру и сохранение тепла.

Поверхности планет несут следы разных процессов. На Меркурии и Марсе хорошо заметны ударные кратеры, а на Венере и Земле есть вулканические формы рельефа; земной рельеф также активно меняют тектонические движения. На Земле вода и атмосфера размывают породы и переносят осадки, а на Марсе видны русла и другие следы прежнего воздействия воды. Различия объясняются тем, что у планет неодинаковы геологическая активность, атмосфера и история существования жидкой воды.

Сравнение планет земной группы

В таблице можно сравнить планеты по одному свойству или проследить, как разные характеристики сочетаются у каждой из них. Например, для объяснения температуры сопоставляйте расстояние от Солнца с плотностью и составом атмосферы. Значения округлены, поэтому вычисления по ним тоже следует приводить с разумной точностью.

Разбор задач

Задача 1. По данным таблицы сравните диаметры Земли и Марса и найдите, во сколько раз диаметр Земли больше диаметра Марса. Нужно разделить больший диаметр на меньший, а не вычитать значения. В качестве исходных данных возьмём округлённые диаметры: Земли — 12 742 км, Марса — 6 794 км.

1. Запишем отношение: 12 742 км / 6 794 км.
2. Единицы измерения сокращаются, потому что оба диаметра выражены в километрах.
3. Выполним деление: 12 742 / 6 794 ≈ 1,88. Округлим результат до двух значащих цифр с учётом точности данных.

Ответ: диаметр Земли примерно в 1,9 раза больше диаметра Марса. Отношение без единиц измерения показывает, во сколько раз одна величина больше другой.

Задача 2. Масса планеты равна 6,4 × 10²³ кг, а объём — 1,6 × 10²⁰ м³. Найдём среднюю плотность и определим возможную планету земной группы. Сначала проверим, что массу и объём задали в единицах СИ, тогда плотность получится в кг/м³.

1. Используем формулу плотности: ρ = m/V.
2. Подставим значения: ρ = (6,4 × 10²³ кг) / (1,6 × 10²⁰ м³).
3. Разделим коэффициенты и степени: 6,4 / 1,6 = 4, а 10²³ / 10²⁰ = 10³. Получим ρ = 4 × 10³ кг/м³ = 4 000 кг/м³.
4. Сравним результат со справочными данными: средняя плотность Марса близка к 3 930 кг/м³.

Ответ: средняя плотность равна 4 000 кг/м³; по этому приближённому значению речь, вероятно, о Марсе. Совпадение не абсолютно точное из-за округления исходных данных.

Задача 3. Для двух планет известны среднее расстояние от Солнца и средняя температура поверхности. Объясним, почему более далёкая планета может быть горячее. Для этого недостаточно сравнить расстояния: нужно выяснить, какая атмосфера окружает каждую планету и насколько она удерживает тепло.

1. Более далёкая планета получает в среднем меньше солнечной энергии, если сравнивать только расстояние.
2. Затем сравним атмосферы: плотная оболочка с газами, поглощающими тепловое излучение, может усилить парниковый эффект.
3. Например, Венера находится дальше от Солнца, чем Меркурий, но её плотная углекислотная атмосфера удерживает тепло. У Меркурия почти нет атмосферы, поэтому такой эффект очень слаб.
4. При объяснении температур нужно также учитывать свойства поверхности и распределение тепла, а не делать вывод только по удалённости от Солнца.

Ответ: более далёкая планета может оказаться горячее, если её атмосфера создаёт более сильный парниковый эффект; пример — Венера и Меркурий.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что у всех планет земной группы одинаковая атмосфера. Её допускают, перенося общую характеристику каменных планет на газовые оболочки, хотя состав и плотность атмосфер различаются. Проверка: назовите основные газы каждой атмосферы и оцените, насколько она плотная. У Меркурия оболочка почти отсутствует, а условия на Венере и Земле совсем разные.

Ошибка: объяснять температуру поверхности только расстоянием от Солнца. Такое упрощение кажется логичным, потому что Солнце — основной источник энергии, но оно не учитывает удержание тепла атмосферой. Проверка: прежде чем сравнивать температуры, сравните состав и плотность оболочек; сильный парниковый эффект Венеры меняет результат.

Ошибка: путать диаметр планеты с расстоянием от Солнца. Обе характеристики выражают длиной, поэтому при невнимательном чтении их можно смешать. Однако диаметр — размер самого небесного тела, а расстояние — удалённость от Солнца. Проверка: посмотрите на порядок величин и на название строки таблицы перед подстановкой числа.

Ошибка: считать, что плотность определяется только размером планеты. Размер сам по себе не сообщает, сколько вещества содержится в данном объёме; для плотности нужны масса и объём. Проверка: используйте ρ = m/V и проверьте единицы. Различия плотности связаны также с составом вещества и строением недр.

Связь с другими темами

Для изучения планет земной группы нужно знать порядок планет в Солнечной системе, а также понятия массы, объёма и плотности. Сравнение каменных планет с планетами-гигантами помогает увидеть, как состав связан с размерами и строением небесных тел. Условия на их поверхностях важны при обсуждении возникновения и существования жизни. Законы движения и гравитация объясняют, почему планеты обращаются вокруг Солнца, а спутники — вокруг планет.

Что запомнить

• К планетам земной группы относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс.
• У этих планет твёрдая поверхность и сравнительно высокая средняя плотность.
• Атмосферы планет земной группы различаются по составу и плотности.
• Венера имеет особенно сильный парниковый эффект и очень высокую температуру поверхности.
• Для сравнения планет используют их размеры, массу, плотность, атмосферу и особенности поверхности.
• Расстояние от Солнца само по себе не определяет температуру поверхности.