Материал: Планеты

Планеты

1. Введение

Рис. 1. Схематическое изображение Солнечной системы. Планетные орбиты даны в масштабе. Справа внизу представлена внутренняя часть Солнечной системы. Пунктиром показана часть орбиты каждой планеты, которая лежит ниже плоскости орбиты Земли (если смотреть с северного полюса мира).

Планета (от греческого aster planetes - блуждающая звезда) - небесное тело, движущееся вокруг Солнца в его гравитац. поле и светящееся отражённым солнечным светом. Масса П. слишком мала для того, чтобы внутри её могли протекать характерные для звёздных недр ядерные реакции (последние не могут "зажигаться" в недрах тел, имеющих массу меньше примерно  . В Солнечной системе имеется 9 планет. На рис. 1 представлена схема расположения орбит П. Солнечной системы, на рис. 2 - относительные размеры П. и Солнца. В состав Солнечной системы входят кроме самих планет их спутники, а такжеастероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер. Несомненно, П. должны быть и около многих др. звёзд, однако прямые наблюдательные данные отсутствуют, есть только косвенные указания (см. Невидимые спутники звёзд).

С 1962 П. успешно исследуются советскими и американскими КА: детально изучены атмосферы Венеры и Марса; с борта пролётных и орбитальных КА сфотографированы поверхности Меркурия, Марса, облачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые КА исследовали физ. и хим. св-ва пород, слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены). Исследование П. перестало быть занятием одних только астрономов. Рождается комплекс наук о П.- физика планетных атмосфер, планетных недр, планетохимия.

Рис. 2. Относительные размеры планет и Солнца.

Группы планет. По физ. характеристикам П. делятся на 2 группы: П. земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и П.-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне известно очень мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к П. земной группы. Особое положение занимает Луна. Хотя она явл. спутником Земли, отношение её массы к массе Земли велико (¹/₈₁) и есть основание рассматривать систему Земля - Луна как двойную планету. Двойной планетой является также Плутон, имеющий массивный спутник.

В табл. 1 приведены нек-рые физ. характеристики П., позволяющие установить осн. различия П.-гигантов и П. земной группы. П.-гиганты значительно больше по размерам и массе, меньше по плотности, быстрее вращаются. Ок. 98% суммарной массы П. Солнечной системы (¹/₇₄₃  приходится на долю П.-гигантов. Имеется ещё одно важное различие. Тепловой поток из недр Юпитера и Сатурна примерно равен по величине потоку, получаемому ими от Солнца. Тепловой поток из недр Земли пренебрежимо мал по сравнению с поступающим от Солнца, и то же самое, по-видимому, верно и для др. П. земной группы. П.-гиганты имеют многочисленные семейства спутников. Каждое такое семейство явл. маленьким подобием Солнечной системы. Юпитер, Сатурн и Уран, кроме того, обладают кольцами, состоящими из множества мелких тел (обломков).

Табл. 1.-Основные характеристики планет

Параметр	Меркурий	Венера	Земля	Марс	Юпитер	Сатурн	Уран	Нептун	Плутон
Среднее расстояние от Солнца, а.е.	0,387	0,723	1,000	1,524	5,20	9,54	19,18	30,07	39,44
Сидерический период обращения	88,0 сут	224,7 сут	365,3 сут	687,0 сут	11,86 лет	29,46 лет	84,01 лет	164,8 лет	247,7 лет
Синодический период обращения, сут	115,9	583,9		779,9	398,9	378,1	369,7	367,5	366,7
Эксцентриситет орбиты	0,2066	0,0067	0,0167	0,0934	0,0484	0,0557	0,0471	0,0087	0,247
Наклонение орбиты к эклиптике	7о01'	3о24'		1о51'	1о17'	2о29'	0о46'	1о46'	17о08'
Экваториальный радиус, км	2439	6051	6378	3393	71400	60400	24300	25050	1500(?)
Сжатие	0,000	0,000	0,0034	0,0052	0,062	0,103	0,006	0,02	(?)
Масса, г	3,28.1026	4,88.1027	5,98.1027	6,40.1026	1,90.1030	5,68.1029	8,70.1028	1,03.1029	1,0.1025
Масса (в единицах земной массы)	0,005	0,816	1,000	0,107	318	95,1	14,6	17,2	0,0017
Средняя плотность, г.см-3	5,4	5,2	5,5	3,9	1,3	0,7	1,6	1,7	0,7(?)
Ускорение силы тяжести на экваторе, см.с-2	370	887	981	371	2500	1100	950	1150	7,5
Параболическая скорость, км/с	4,3	10,4	11,2	5,0	6,1	36	22	24	0,7
Период вращения	58,8 сут	243 сут	23h56m4,1s	24h37m22,6s	9h50,5m	10h14m	10h49m	15h40m	6h16m
Наклон экватора к плоскости орбиты	7о	3о24'	23о27'	25о12'	3о07'	26о45'	82о	29о	(?)
Визуальная звездная величина *	-0,2	-4,1		-1,9	-2,4	+0,8	+5,8	+7,6	+14,7
Сферическое альбедо **	0,006	0,75	0,36	0,24	0,50	0,76	0,62	0,50	0,09
Солнечная постоянная, Вт.м-2	13600	2600	1360	586	50,3	15,0	3,70	1,50	0,87
Средняя эффективная температура, К	440	231	249	210	134	97	54(?)	56(?)	43(?)
Температура поверхности, К***	750(100)	735	288	300(147)
Атмосферное давление у поверхности, атм.	<10-10	90	1,0	0,006
Число известных спутников (естественных)	0	0	1	2	15	16	5	2	1
* Меркурий и Венера в квадратуре, остальные в противостоянии. ** Для Венеры, Земли, Марса и Юпитера - интегральное, для других планет - визуальное. *** Для Меркурия и Марса первая цифра - максимальная температура (полдень, экватор), вторая - минимальная, для Земли и Венеры дано среднее значение температуры.

Происхождение планет. Предполагается, что П. возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре к-рого было расположено молодое Солнце. Эта протопланетная туманность образовалась, по-видимому, вместе с Солнцем из межзвёздного вещества, плотность к-рого превысила критич. предел (см. Звездообразование). По нек-рым данным (присутствие специфич. изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды.

Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось всё более плоским, твёрдые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела всё больших и больших размеров, и в относительно короткий срок (по разным оценкам, от 10⁵ до 10⁸ лет) сформировались 9 больших П. Астероиды, кометы, метеориты явл., вероятно, остатками материала, из к-рого сформировались П.

2. Излучение планет

Рис. 3. Схема распределения энергии в спектре излучения планет. Сплошные кривые соответствуют отражённому солнечному излучению, прерывистые - тепловому излучению планет (рядом указаны значения альбедо А планет и эффективной температуры Тэ, их поверхности) .

Спектр излучения любой П. содержит два максимума (рис. 3), один из них соответствует отражённому солнечному излучению, второй - тепловому излучению П. Второй максимум присутствует независимо от величины теплового потока из недр, поскольку часть солнечного излучения поглощается П. и переизлучается в длинноволновой области спектра. Длина волны  λ_m, на к-рой наблюдается второй максимум, определяется эффективной температурой планеты Т_э в приблизительном соответствии с законом Вина (см. Планка закон излучения):

 λ_m (мкм) = 2886/Т_э (К)         (1)

Доля солнечной энергии, отражённой от П., определяется величиной интегрального сферического альбедо

А = Ф/Ф_о,         (2)

где Фо - падающий поток солнечного излучения, Ф - поток, рассеянный П. во все стороны. Значения А и ср. (по всей планете) эффективной темп-ры Т_э связаны ур-нием теплового баланса

 s Т_э⁴ = ¹/₄ (1- А)Е₀ +q     (3)

где Е₀- освещённость, создаваемая Солнцем в подсолнечной точке П., s=5,67^.10^-8Вт^.м^-2.К^-4 - постоянная Стефана - Больцмана, q - тепловой поток из недр П. Первый член справа в ф-ле (3) - поток излучения Солнца, поглощённый П., слева - уходящий тепловой поток (в расчёте на ед. площади П.). Коэфф. ¹/₄ в первом члене справа появился из-за того, что падающий поток пропорционален освещённой поверхности (pR²), а уходящий - всей поверхности П. (4pR², где R - радиус планеты). Для П. земной группы q << E₀. Длинноволновый участок спектра теплового излучения простирается в радиодиапазон и изучается методами радиоастрономии.

В каждом данном интервале длин волн уровень, с к-рого уходит излучение (отражённое или тепловое), соответствует, как правило, оптической толще t ≈ 1 (отсчитываемой сверху). Он может располагаться на той или иной высоте в атмосфере, на нек-рой глубине под поверхностью или практически с ней совпадать. Детальное исследование спектра излучения явл. благодаря этому важным источником информации об атмосфере и поверхности П.

УФ-излучение (с λ < 3000 ) уходит из относительно высоких слоев атмосферы. Самые внеш. слои планетных атмосфер (их водородные короны) излучают в основном в линии с λ = 1216 . Механизм свечения - рассеяние излучения Солнца в линии L_a (см. Лаймана серия)

Видимая, ближняя УФ- и ближняя ИК-области спектра (3000  - 4 мкм) соответствуют излучению поверхности П. (Меркурий, Марс) или облаков в атмосфере (Венера и П.-гиганты) в отражённом солнечном свете. В средней и дальней ИК-областях (λ= 4 мкм -1 мм) наблюдается тепловое излучение поверхности П. (Меркурий, Марс) или атмосферы П. (Венера, П.-гиганты).

Радиоволны миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов излучает грунт Венеры (λ  1 см), Меркурия и Марса, атмосфера Юпитера (λ < 3 см) и др. П.-гигантов.

До сих пор шла речь о тепловом излучении П. Наблюдается также нетепловое радиоизлучение П. (см. Нетепловое излучение). Особенно интенсивно излучение Юпитера, представляющее собой стационарное синхротронное излучение, рождающееся в магнитосфере (3 см<λ<100 см), и излучение в форме всплесков, генерируемое колебаниями ионосферной плазмы (10 м < λ < 1 км).