§ 24. Планеты и другие тела Солнечной системы

Определения и обозначения

Планета — небесное тело, которое обращается вокруг Солнца, имеет почти шарообразную форму и доминирует на своей орбите. Доминировать значит своим притяжением управлять движением ближайших тел и не иметь рядом множества сопоставимых по размеру объектов. Это отличает планеты от малых тел, например астероидов: они не очистили окрестность орбиты от других объектов.

Планета земной группы — сравнительно небольшая плотная планета с твёрдой поверхностью. К этой группе относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Название напоминает, что эти тела по строению ближе друг к другу, чем к далёким гигантам, хотя условия на каждой из них свои.

Планета-гигант — крупная планета с малой средней плотностью, состоящая преимущественно из лёгких веществ. В эту группу входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Такое деление помогает сопоставлять не только размеры планет, но и их состав, поверхность и атмосферы.

Комета — небольшое ледяное тело, которое движется вокруг Солнца и при сближении с ним может образовать кому и хвост. Кома — облако газа и пыли вокруг ядра кометы. Термин нужен, чтобы отличать кометы от астероидов и описывать их заметные изменения при нагревании.

Как это устроено

Планеты обращаются вокруг Солнца, потому что оно притягивает их силой тяготения. Эта сила направлена к Солнцу и непрерывно изменяет направление скорости планеты, искривляя её путь. Но у планеты есть и скорость поперёк направления притяжения: пока она движется к Солнцу, то смещается в сторону, поэтому проходит мимо него и остаётся на орбите. Без притяжения она двигалась бы почти по прямой, а без начальной скорости упала бы на Солнце.

Ближе к Солнцу расположены планеты земной группы, дальше — планеты-гиганты. В ранней Солнечной системе рядом с молодым Солнцем было жарко, поэтому лёгким газам и льдам было труднее удержаться, а твёрдые вещества могли образовывать небольшие плотные тела. В более холодных внешних областях льды сохранялись, а зародыши планет могли набирать большие количества газа и других лёгких веществ. Поэтому группы различаются и расстоянием от Солнца, и составом.

Планеты различаются размерами, средней плотностью, атмосферой и количеством спутников. У Меркурия почти нет атмосферы, а плотная атмосфера Венеры создаёт очень сильный парниковый эффект; у Земли вода существует в жидком состоянии на поверхности. У Марса тонкая атмосфера, а у гигантов газовые оболочки занимают значительную часть объёма. Это общие закономерности, а не правило без исключений: особенности каждой планеты зависят от её состава, истории и расстояния до Солнца.

Большинство известных астероидов движется между орбитами Марса и Юпитера, но малые тела встречаются и в других областях Солнечной системы. Сильное притяжение Юпитера возмущало движение вещества в этой области: столкновения и изменения орбит мешали ему собраться в одну крупную планету. Поэтому там осталось много отдельных тел. Астероиды не образуют единую планету и различаются размерами и составом.

При приближении кометы к Солнцу её лёд нагревается и переходит в газ, увлекая пыль. Вокруг ядра появляется кома, а солнечное излучение и поток заряженных частиц уносят вещество, формируя хвост, направленный преимущественно от Солнца. Частицы, оставленные кометой, могут пересекать орбиту Земли: попадая в атмосферу, они нагреваются и создают световой след — метеор. Если фрагмент не сгорает полностью и достигает поверхности, это метеорит.

Планеты Солнечной системы и их основные особенности

Таблица позволяет сравнить порядок планет, их группы и заметные особенности. Сведения о спутниках и кольцах показывают, что эти системы есть не только у планет земной группы. Количество спутников со временем уточняется наблюдениями, поэтому главное при сравнении — общие различия между планетами.

Разбор задач

Задача 1. Распределить планеты Солнечной системы на планеты земной группы и планеты-гиганты. Решать удобнее не по одному признаку, а сопоставляя положение, размеры, плотность и строение. Это позволяет увидеть две устойчивые группы, не смешивая отдельные особенности планет с их общим типом.

1. Вспомним порядок планет от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.
2. Первые четыре сравнительно невелики, плотны и имеют твёрдую поверхность. Значит, это планеты земной группы.
3. Оставшиеся четыре гораздо крупнее, имеют малую среднюю плотность и состоят в основном из лёгких веществ. Это планеты-гиганты.

Ответ: к земной группе относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс; к гигантам — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Расстояние от Солнца помогает запомнить порядок групп, но основанием для классификации служат также размеры и строение планет.

Задача 2. Астероид обращается вокруг Солнца по орбите со средней большой полуосью 4 а. е. Оценить его период обращения в годах. Большая полуось — половина наибольшего диаметра эллиптической орбиты; здесь она задана в астрономических единицах (а. е.). Для планет и малых тел, обращающихся вокруг Солнца, применим третий закон Кеплера: T² = a³, если время измерять в годах, а расстояние — в а. е.

1. Запишем данные: a = 4 а. е.; нужно найти T в годах.
2. Подставим значение в закон Кеплера: T² = 4³ = 64.
3. Поскольку период положителен, извлечём положительный квадратный корень: T = √64 = 8 лет.

Ответ: период обращения астероида составляет примерно 8 лет. Проверка здравого смысла: орбита больше земной, поэтому период должен быть больше одного года.

Задача 3. Комета обращается вокруг Солнца с периодом 8 лет. Найти большую полуось её орбиты в астрономических единицах. Используем тот же закон Кеплера и выразим из него расстояние, так как теперь известен период, а требуется a.

1. Запишем данные: T = 8 лет; найти a в а. е.
2. Из равенства T² = a³ следует a = ∛(T²).
3. Подставим период: a = ∛(8²) = ∛64 = 4 а. е.

Ответ: большая полуось орбиты кометы равна 4 а. е. Результат согласуется с предыдущей задачей: при одинаковой орбите период и большая полуось связаны одним законом независимо от того, планета это или комета.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все планеты имеют твёрдую поверхность. Так кажется, если судить только по знакомой Земле или изображениям внешних оболочек планет. У гигантов нет твёрдой поверхности, подобной поверхности земных планет: с глубиной их газовые оболочки переходят в плотное вещество. Проверка: сравните планеты по группе и составу, а не переносите свойства Земли на весь класс.

Ошибка: путать астероид, метеороид, метеор и метеорит. Причина — все эти названия относятся к небольшим космическим телам и их фрагментам. Астероид и метеороид находятся в космосе, метеор — световое явление при попадании частицы в атмосферу, метеорит — тело, достигшее поверхности. Проверяйте, описывается ли сам объект, его свечение или результат падения.

Ошибка: считать, что хвост кометы всегда тянется за ней по направлению движения. Такое представление возникает из привычки связывать хвост с движением объекта. На деле он направлен преимущественно от Солнца под действием солнечного излучения и потока частиц. Чтобы проверить направление, сначала отметьте, где на схеме находится Солнце, а не куда летит комета.

Ошибка: полагать, что чем дальше планета от Солнца, тем меньше её период обращения. Возможно, расстояние ошибочно принимают за путь, который планета должна пройти за один год. Закон Кеплера показывает обратную закономерность: с ростом большой полуоси растёт и период, поскольку далёкая планета движется по более крупной орбите. Самопроверка: подставьте a в а. е. в T² = a³ и убедитесь, что при a > 1 получается T > 1 года.

Связь с другими темами

Чтобы понять движение планет, нужно знать, что такое сила тяготения, орбита и период обращения небесного тела. Эта тема продолжает изучение законов Кеплера и применения закона всемирного тяготения к движению планет и спутников. Законы движения позволяют не только описывать орбиты, но и рассчитывать периоды и расстояния. Сведения об астероидах, кометах и метеороидах пригодятся при изучении метеорных явлений и происхождения планет.

Что запомнить

• Вокруг Солнца обращаются восемь планет.
• Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс.
• К планетам-гигантам относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
• Астероиды — малые тела, обращающиеся вокруг Солнца.
• Комета при сближении с Солнцем может образовать кому и хвост.
• Метеор — световое явление в атмосфере, а метеорит — тело, достигшее поверхности Земли.
• Чем больше большая полуось орбиты планеты, тем больше её период обращения.