§ 119. Физическая природа планет и малых тел Солнечной системы

Определения и обозначения

Планета — небесное тело, которое обращается вокруг Солнца и не является спутником другого тела. Планеты заметно крупнее большинства малых тел и обладают достаточной массой, чтобы сила тяжести придала им почти шарообразную форму. Это определение помогает отличать планеты от астероидов и комет, которые также движутся вокруг Солнца, но имеют иные размеры и строение.

Планеты земной группы — небольшие плотные планеты с твёрдой поверхностью во внутренней части Солнечной системы. К ним относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их называют земными не потому, что на них обязательно есть условия для жизни, а из-за сходства с Землёй по каменистому строению; понятие помогает выделить планеты с твёрдой поверхностью.

Планеты-гиганты — крупные планеты внешней части Солнечной системы, состоящие преимущественно из газов и льдов. У них нет твёрдой поверхности, подобной земной: наблюдаемые облака находятся в верхних слоях протяжённых оболочек. Термин нужен, чтобы отделить их от небольших каменистых планет и описать различия в массе, составе и внутреннем устройстве.

Малые тела Солнечной системы — сравнительно небольшие небесные тела, обращающиеся вокруг Солнца; к ним относятся астероиды, кометы и другие объекты. Астероиды в основном каменистые или металлические, а кометы содержат много льда и могут становиться активными при нагревании. Это общее название подчёркивает, что такие тела не относятся к планетам, хотя тоже являются частью Солнечной системы.

Как это устроено

Разделение на земные планеты и гиганты связано с тем, как формировалась Солнечная система. Вблизи молодого Солнца было жарко: лёд и лёгкие газы не могли надолго задержаться, а тугоплавкие каменистые и металлические вещества сохранялись. Из них постепенно собирались небольшие плотные тела. Дальше от Солнца температура была ниже, поэтому льды сохранялись, а массивные зародыши планет могли притягивать газ из окружающего пространства.

Различия в составе отражаются на массе, размерах и средней плотности. Земные планеты сравнительно малы, но их вещество в основном тяжёлое и плотное; поэтому средняя плотность у них обычно выше, чем у гигантов. Гиганты состоят преимущественно из лёгких элементов и льдов, зато накопили гораздо больше вещества и стали значительно массивнее. Их сильное тяготение удерживает обширные газовые оболочки, так что размеры атмосферы могут быть сопоставимы с размерами самой планеты.

Строение определяет физические свойства планеты. У земных планет можно выделить твёрдую поверхность и внутренние слои, различающиеся составом и состоянием вещества; поверхность можно исследовать непосредственно или по данным наблюдений. У гигантов внешний вид создают облачные слои, а с глубиной давление возрастает и газ становится всё плотнее. Поэтому говорить об их поверхности в привычном земном смысле неправильно: границы между оболочками и внутренними областями не похожи на переход от атмосферы к твёрдой коре.

Атмосфера и температура зависят не только от расстояния до Солнца. На них влияют состав газовой оболочки, отражательная способность облаков и поверхности, а также процессы переноса и удержания тепла. Например, Венера горячее Меркурия, хотя находится дальше от Солнца: плотная атмосфера Венеры эффективно удерживает тепло. У Меркурия почти нет атмосферы, способной сглаживать перепады температур между освещённой и тёмной сторонами.

Малые тела сохранили материал ранней Солнечной системы, но различаются составом и поведением. Астероиды состоят главным образом из камня и металла; многие из них движутся в области между орбитами Марса и Юпитера, хотя встречаются и в других частях системы. Кометные ядра содержат лёд, смешанный с пылью и каменистым веществом. При приближении к Солнцу лёд испаряется, вокруг ядра образуется кома, а газ и пыль вытягиваются в хвост под действием солнечного излучения и потока частиц.

Планеты и малые тела Солнечной системы

Сначала по строке определите группу тела, затем сравните его положение и состав с размерами и плотностью. Таблица показывает общие закономерности, а не характеристики каждого отдельного объекта: у планет и малых тел бывают исключения. Для объяснения особенностей всегда сопоставляйте сразу несколько признаков.

Разбор задач

Задача 1. По таблице характеристик сравните Землю и Юпитер по массе, размерам и средней плотности и определите их группы. Численные значения в условии не приведены, поэтому используем известное сопоставление: масса и радиус Юпитера намного больше земных, а его средняя плотность меньше. Нужно связать эти различия с составом, а не просто назвать числа.

1. Сравниваем массу и размеры: Юпитер значительно превосходит Землю по обоим параметрам.
2. Сравниваем среднюю плотность: у Земли она больше, что согласуется с преобладанием каменистых и металлических веществ. В составе Юпитера преобладают лёгкие вещества, а большая масса удерживает обширную оболочку.
3. По сочетанию твёрдой поверхности и плотного состава относим Землю к земной группе. Большие размеры и газовое строение указывают на принадлежность Юпитера к планетам-гигантам.

Ответ: Земля — планета земной группы, Юпитер — планета-гигант. Юпитер намного массивнее и крупнее, но его средняя плотность ниже земной из-за различий в составе и строении.

Задача 2. Две планеты имеют сходные размеры, но одна находится значительно ближе к Солнцу. Какие данные о составе и атмосфере нужны, чтобы сравнить их температуру и физическую природу? Одних размеров и расстояния недостаточно: планеты сходного размера могут иметь разную поверхность, атмосферу и способность удерживать тепло. Поэтому сначала определяем, какие свойства влияют на нагрев.

1. Уточняем состав поверхности и атмосферы: нужны сведения о газах, плотности атмосферы и облаках. Они показывают, насколько эффективно планета поглощает, отражает и удерживает энергию.
2. Сравниваем отражательную способность: светлые облака или поверхность могут отражать значительную часть излучения. Учитываем также парниковый эффект — нагрев, связанный с поглощением и повторным излучением тепла некоторыми газами.
3. После этого сопоставляем полученные данные с расстоянием до Солнца и возможными внутренними источниками тепла. Только совокупность факторов позволяет объяснить температуру и предположить, к какой группе и типу строения относятся планеты.

Ответ: нужны данные о составе и плотности атмосферы, облаках, отражательной способности поверхности и удержании тепла. Близость к Солнцу влияет на поступающее излучение, но сама по себе не определяет температуру планеты.

Задача 3. Небесное тело движется по вытянутой орбите, а при приближении к Солнцу у него появляются светящаяся оболочка и хвост. Определите тип тела и объясните признаки. Важно связать наблюдаемое изменение внешнего вида с изменением нагрева, а не принять хвост за постоянную часть орбиты.

1. Сопоставляем признаки: вытянутая орбита может встречаться у разных тел, но появление оболочки и хвоста при сближении с Солнцем характерно для кометы.
2. Объясняем изменение: солнечное тепло нагревает ядро, лёд в его составе испаряется, а выделяющиеся газы уносят частицы пыли. Газ и пыль образуют вокруг ядра кому, которая рассеивает солнечный свет и становится заметной.
3. Учитываем направление: давление солнечного излучения и поток частиц от Солнца отбрасывают вещество от Солнца. Поэтому хвост направлен от него, а не обязательно назад по траектории движения кометы.

Ответ: это комета. При сближении с Солнцем испаряющийся лёд создаёт кому и хвост, который направлен от Солнца.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что у каждой планеты есть твёрдая поверхность. Так думают, потому что Земля и другие знакомые каменистые планеты имеют чёткую поверхность, а на изображениях гигантов видны облака. Но облака — лишь верхние слои их оболочек, а твёрдой границы, подобной земной коре, у гигантов нет. Проверка: спросите себя, можно ли провести резкую границу между атмосферой и поверхностью по земному образцу.

Ошибка — объяснять различия между группами только размером. Размеры действительно резко различаются, поэтому легко упустить состав, плотность и устройство. Однако именно состав показывает, почему земные планеты плотнее, а гиганты удерживают протяжённые оболочки; условия формирования помогают объяснить, откуда взялись эти различия. Проверка: назовите для каждой группы не только размеры, но и основной состав и строение.

Ошибка — считать хвост кометы постоянным и направленным назад по её орбите. Такое представление возникает, если спутать направление движения тела с действием солнечного излучения и потока частиц. На деле хвост заметно развивается при нагревании кометы и направлен от Солнца. Проверка: мысленно отметьте положение Солнца и направьте хвост от него, независимо от направления движения ядра.

Ошибка — считать астероиды и кометы одинаковыми каменными телами. Оба типа объектов малы по сравнению с планетами и обращаются вокруг Солнца, поэтому их легко смешать. Но астероиды преимущественно каменистые или металлические, а содержащие лёд кометы при нагревании становятся активными и образуют кому с хвостом. Проверка: спросите, есть ли признаки испарения вещества при сближении с Солнцем.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении Солнечной системы и движении планет вокруг Солнца. Полезно уметь различать массу и размеры тела, вычислять или сравнивать плотность и понимать, что такое температура. Эти понятия помогают связать наблюдаемые свойства небесных тел с их составом.

Тема опирается на законы тяготения: сила тяжести влияет на движение тел и помогает крупным планетам удерживать атмосферу. Представления о планетах и малых телах пригодятся при изучении происхождения Солнечной системы. Они также важны для обсуждения условий, при которых на планете может существовать жизнь.

Что запомнить

• Планеты земной группы расположены во внутренней части Солнечной системы и состоят преимущественно из плотного твёрдого вещества.
• Планеты-гиганты крупнее земных планет и состоят преимущественно из газов и льдов.
• Состав и строение планет связаны с условиями их формирования и расстоянием от Солнца.
• Астероиды — малые тела преимущественно каменистого или металлического состава.
• Кометы содержат лёд; при приближении к Солнцу у них образуются кома и хвост.
• Физические свойства планеты нельзя объяснить одним только расстоянием от Солнца.