9. Общие сведения о планетах

Вокруг Солнца движется множество тел, различных по своим параметрам: планеты и их спутники, кометы, метеоры, межпланетная среда. Пять планет  Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн были известны еще в древности (разумеется, помимо Земли). Следующие три планеты  Уран, Нептун и Плутон открыты, соответственно, в XVIII, XIX и XX веках.

На какие главные детали следует обратить внимание, характеризуя планетную систему в целом?

1) Орбиты планет лежат приблизительно в одной плоскости; в отличие от них плоскости орбит комет располагаются совершенно произвольно (см. рис. 9).

2) Планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении.

3) Приблизительно 98% момента импульса приходится на планеты, тогда как суммарная масса планет почти в 1000 раз меньше, чем масса Солнца. Эти и другие моменты необходимо иметь в виду, при решении проблемы происхождения солнечной системы.

По форме планеты представляют собой тела, близкие к шарам. Почему? Ответ на этот вопрос таков: планеты находятся в состоянии гидростатического равновесия. Почему гидростатического? Ведь, скажем, Земля состоит из твердых пород? Дело в том, что для земных пород предел текучести наступает, если высота столба выше приблизительно 10 км. Можно сказать еще так, что давление столба породы, высотой более 10 км, на подошву в условиях Земли таково, что подошва течет (фактически плавится). Очевидно для других планет, имеющих иное ускорение свободного падения, критическая высота столба, соответствующая пределу текучести, будет иная. Размеры планет намного больше критической высоты, поэтому они имеют естественную сферическую форму. В противном случае форма тела может быть совершенно неправильной. Малые тела, типа астероидов и метеоритов, как раз и имеют неправильную форму.

Этим же объясняется предельная высота гор на той или иной планете.

Задача №12. Оценить максимальную высоту горы H на планете. Указание: принять конусную модель горы.

Ответ: , где  - удельная теплота плавления породы, g - ускорение свободного падения. При   60 кал/г (удельная теплота плавления кварцитов) для Земли H  72 км. Хороший ли это результат?

По физическим характеристикам планеты можно разделить на две группы: 1) планеты земной группы (ПЗГ) - Меркурий, Венера, Земля, Марс и 2) планеты гиганты (ПГ) - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

О Плутоне данные неуверенные, но он существенно меньше Земли и по своим параметрам ближе к спутникам планет. В таблице 1 приведены данные о радиусах (R), массах (M), выраженных в единицах соответствующих параметров Земли, а также значения средней плотности ( ) планет. Для сравнения приведены аналогичные данные по Солнцу.

Таблица 1

При внимательном рассмотрении бросаются в глаза следующие закономерности. Плотности ПЗГ существенно больше плотностей ПГ. Одно это обстоятельство наталкивает на мысль о том, что химический состав ПЗГ и ПГ резко различается: планеты земной группы состоят из тяжелых элементов, а планеты-гиганты - из легких. Далее, плотность ПГ близка к плотности Солнца, следовательно, можно ожидать, что их химический состав близок к химическому составу Солнца. Наконец, планеты земной группы располагаются вблизи Солнца, а планеты-гиганты, наоборот, удалены. Все это надо будет в дальнейшем объяснить.

За исключением Меркурия и Венеры остальные планеты имеют спутники. Наибольшее количество спутников у ПГ. Интересной особенностью ПГ является наличие у них колец. Наиболее мощная система колец у Сатурна (рис. 10), которая была обнаружена еще Галилеем и Гюйгенсом. Начинаются кольца вблизи поверхности планеты и простираются до расстояний порядка 90010³ км. Спектроскопические исследования с Земли, а также непосредственные исследования с "близкого" расстояния с помощью космических аппаратов показали, что кольца представляют собой рой мелких тел, состоящих, по-видимому, изо льда и вращающихся вокруг планеты по закону Кеплера (рис. 11).

Явление это чрезвычайно важное, поэтому остановимся на нем подробнее. В миниатюре оно как бы повторяет протопланетную систему и дает дополнительный, в том числе и наглядный материал, позволяющий глубже понять строение небесных систем. В настоящее время дисковые системы в мире звезд нередко привлекаются для объяснения тех или иных явлений. В этой связи важно подчеркнуть, что кольца - явление не уникальное. Они обнаружены и у других планет - Юпитера и Урана, хотя и менее мощные.

Как представляется образование колец? При формировании планеты в процессе конденсации протопланетного вещества часть его остается на периферии. Если протопланетное облако изначально вращалось, то вещество на периферии будет сжиматься в диск. Из этого вещества, в свою очередь, также могут образовываться другие тела  спутники центральной планеты. Однако в радиусе внутри предела Роша (R_ЦТ радиус центрального тела, см. Задачу № 11, здесь сделано предположение, что плотности веществ планеты и спутника одинаковые) из-за действия приливных сил спутники формироваться не могут. Для параметров Сатурна , и ближайший спутник располагается примерно на этом расстоянии. Однако, как уже говорилось, кольцо простирается и на более далекое расстояние. По-видимому, это можно объяснить возмущениями, создаваемыми гравитационными полями спутников Сатурна.