Что такое планеты земной группы и какие у них свойства это

Изучая нашу Солнечную систему многие века, астрономы также узнали многое и о типах планет, существующих в нашей Вселенной. Благодаря открытию экзопланет, это знание существенно расширилось: многие из этих планет похожи на ту, которую мы зовем своим домом. Правда, «похожи» не означает точную идентичность: из множества обнаруженных планет сотни считаются газовыми гигантами, и сотни — «землеподобными». Также они известны как планеты земной группы, и это определение многое говорит о планете.

Что такое планета земной группы? Также известные как твердотельные планеты, это небесные тела, состоящие преимущественно из силикатных пород и металлов и обладающие твердой поверхностью. Это отличает их от газовых гигантов, которые состоят преимущественно из газов вроде водорода и гелия, воды и тяжелых элементов в разных состояниях.

Планеты земной группы схожи по строению и составу с планетой Земля.

Состав и характеристики

Все планеты земной группы обладают примерно одной и той же структурой: центральное металлическое ядро, состоящее по большей части из железа, окруженной силикатной мантией. Такие планеты обладают похожими особенностями поверхности, среди которых каньоны, кратеры, горы, вулканы и другие структуры, зависимые от присутствия воды и тектонической активности.

Планеты земной группы также обладают вторичными атмосферами, которые создаются в процессе вулканической активности или падения комет. Это также отличает их от газовых гигантов, у которых планетарная атмосфера является первичной и захваченной непосредственно из оригинальной солнечной туманности.

Планеты земной группы также известны тем, что у них мало лун или нет вообще. У Венеры и Меркурия нет спутников, у Земли только один. У Марса два — Фобос и Деймос — но они больше похожи на крупные астероиды, нежели на реальные спутники. В отличие от газовых гигантов, планеты земной группы также не имеют системы планетарных колец.

Планеты земной группы в Солнечной системе

Все планеты, обнаруженные во внутренней Солнечной системе — Меркурий, Венера, Земля и Марс — яркие представители земной группы. Все они состоят по большей части из силикатных пород и металла, которые распределены между плотным металлическим ядром и силикатной мантией. Луна похожа на эти планеты, но ее железное ядро намного меньше.

Ио и Европа — тоже спутники, которые похожи по структуре на планеты земной группы. Моделирование состава Ио показало, что мантия спутника состоит почти полностью из силикатных пород и железа и окружает ядро из железа и сульфида железа. Европа, с другой стороны, обладает железным ядром, которое окружено внешним слоем воды.

Карликовые планеты вроде Цереры и Плутона, а также другие крупные астероиды похожи на планеты земной группы тем, что у них есть твердая поверхность. Однако состоят они больше из ледяных материалов, нежели камня.

Экзопланеты земной группы

Большинство планет, обнаруженных за пределами Солнечной системы, были газовыми гигантами, поскольку их обнаружить легче всего. Но с 2005 года были обнаружены сотни потенциальных экзопланет земной группы — во многом благодаря космической миссии «Кеплера». Большинство планет стали известны как «суперземли» (то есть планеты с массой между Землей и Нептуном).

Примеры экзопланет земной группы включают Gliese 876 d, планету с массой в 7-9 земных. Эта планета вращается вокруг красного карлика Gliese 876, расположенного в 15 световых годах от Земли. Существование трех (или четырех) экзопланет земной группы также было подтверждено между 2007 и 2010 годом в системе Gliese 581, другого красного карлика приблизительно в 20 световых годах от Земли.

Самая маленькая из них, Gliese 581 e, по массе всего в 1,9 земных, но вращается слишком близко к звезде. Две других, Gliese 581 c и Gliese 581 d, а также предполагаемая четвертая планета Gliese 581 g, более массивны и вращаются в пределах «зоны Златовласки» звезды. Если эта информация подтвердится, система станет интересна наличием потенциально обитаемых планет земного типа.

Первая подтвержденная экзопланета земной группы Kepler-10b — планета массой в 3-4 земных, расположенная в 460 световых годах от Земли, — была обнаружена в 2011 году в ходе миссии «Кеплер». В том же году космическая обсерватория «Кеплера» выпустила список 1235 экзопланетарных кандидатов, включая шесть «суперземель», расположенных в пределах потенциально обитаемой зоны своей звезды.

С тех пор «Кеплер» обнаружил сотни планет размером от Луны до большой Земли, и еще больше кандидатов за пределами этих размеров.

Ученые предложили несколько категорий для классификации планет земного типа. Силикатные планеты — это стандартный тип планет земной группы в Солнечной системе, состоящий преимущественно из силикатной твердой мантии и металлического (железного) ядра.

Железные планеты — это теоретический тип планет земного типа, который состоит почти полностью из железа, а значит более плотный и с меньшим радиусом, чем другие планеты сопоставимой массы. Планеты такого типа, как полагают, образуются в высокотемпературных областях близко к звезде, где протопланетарный диск богат железом. Меркурий может быть примером такой группы: он образовался близко к Солнцу и обладает металлическим ядром, которое эквивалентно 60-70% планетарной массы.

Планеты без ядра — еще один теоретический тип планет земного типа: они состоят из силикатных пород, но не имеют металлического ядра. Другими словами, планеты без ядра — это противоположность железной планете. Планеты без ядер, как полагают, образуются дальше от звезды, где более распространен летучий окислитель. И хотя таких планет у нас нет, есть масса хондритов — астероидов.

Наконец, есть углеродные планеты (так называемые «алмазные планеты»), теоретический класс планет, которые состоят из металлического ядра, окруженного преимущественно углеродными минералами. Опять же, в Солнечной системе нет таких планет, но есть обилие углеродонасыщенных астероидов.

До недавнего времени все, что ученые знали о планетах — включая их образование и наличие разных типов, — выходило из изучения нашей собственной Солнечной системы. Но с развитием изучения экзопланет, которое увидело мощный всплеск за последние десять лет, наши знания о планетах существенно выросли.

С одной стороны, мы пришли к пониманию, что размер и масштаб планет куда выше, чем думали раньше. Более того, мы впервые увидели множество похожих на Землю планет (которые также могут быть обитаемы), существующих в других солнечных системах.

Кто знает, что мы найдем, когда получим возможность отправить зонды и пилотируемые миссии на другие планеты земной группы?

По своим физическим характеристикам планеты делятся на две группы – планеты земной группы и планеты – гиганты. Мы дадим обзор главных особенностей обеих групп планет, на основе чего вы сумеете дать описание каждой планеты.

Общая характеристика планет земной группы

Планеты, относящиеся к земной группе, — Меркурий, Венера, Земля, Марс – имеют небольшие размеры и массы, средняя плотность этих планет в несколько раз превосходит плотность воды; они медленно вращаются вокруг своих осей; у них мало спутников (у Меркурия и Венеры их вообще нет, у Марса – два крохотных, у Земля — один).

Сходство планет земной группы не исключает и значительного различия. Например, Венера, в отличие от других планет, вращается в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца, причем в 243 раза медленее Земли (сравните продолжительность года и суток на Венере). Период обращения Меркурия (т.е. год этой планеты) только на 1/3 больше периода его вращения вокруг оси (по отношению к звездам). Углы наклона осей к плоскостям их орбит у Земли и у Марса примерно одинаковы, но совсем иные у Меркурия и Венеры. А вы знаете, что это одна из причин, определяющая характер смены времен года. Такие же, как у Земли, времена года есть, следовательно, на Марсе (правда, каждое время года почти в два раза продолжительнее, чем на Земле).

Не исключено, что по ряду физических характеристик к планетам земной группы относится и далекий Плутон – самая маленькая из 9 планет. Средний диаметр Плутона около 2260 км. Лишь вдвое меньше диаметр Харона – спутника Плутона. Поэтому не исключено, что система Плутон – Харон, как и система Земля – Луна, представляет собой “двойную планету”.

Атмосферы

Черты сходства и различия обнаруживаются также при изучении атмосфер планет земной группы. В отличие от Меркурия, который, как и Луна, практический лишен атмосферы, Венера и Марс обладают ею. Современные данные об атмосферах Венеры и Марса получены в результате полетов наших (“Венера”,”Марс”) и американских (“Пионер-Венера”,”Маринер”,”Викинг”) АМС. Сравнивая атмосферы Венеры и Марса с земной, мы видим, что, в отличие от азотно-кислородной земной атмосферы, Венера и Марс имеют атмосферы, в основном состоящие из углекислого газа. Давление у поверхности Венеры более чем в 90 раз больше, а у Марса почти в 150 раз меньше, чем у поверхности Земли.

Температура у поверхности Венеры очень высокая (около 500°С) и остается почти одинаковый. С чем это связано? На первый взгляд, кажется, с тем, что Венера ближе к Солнцу, чем Земля. Но, как показывают наблюдения, отражательная способность Венеры больше, чем у Земли, а потому Солнце примерно одинаково нагревает обе планеты. Высокая температура поверхности Венеры обусловлена парниковым эффектом. Он заключается в следующем: атмосфера Венеры пропускает лучи Солнца, которые нагревают поверхность. Нагретая поверхность становится источником инфракрасного излучения, которое не может покинуть планету, так как его задерживают содержащиеся в атмосфере Венеры углекислый газ и водяной пар, а также облачный покров планеты. В результате этого равновесие между притоком энергии и ее расходом в мирное пространство устанавливается при более высокой температуре, чем та, которая была бы у планеты, свободно пропускающей инфракрасное излучение.

Мы привыкли к земным облакам, состоящим из мелких капель воды или ледяных кристалликов. Состав облаков Венеры иной: они содержат капельки серной и, возможно, соляной кислоты. Облачный слой сильно ослабляет солнечный свет, но, как показали измерения, выполненные на АМС “Венера-11” и “Венера-12”, освещенность у поверхности Венеры примерно такая же, как у поверхности Земли в облачный день. Исследования, выполненные в 1982 г. АМС “Венера — 13” и “Венера-14”, показали, что небо Венеры и ее ландшафт имеют оранжевый цвет. Объясняется это особенностью рассеивания света в атмосфере этой планеты.

Газ в атмосферах планет земной группы находится в непрерывном движении. Нередко во время пылевых бурь, которые длятся на несколько месяцев, огромное количество пыли поднимается в атмосферу Марса. Ураганные ветры зафиксированы в атмосфере Венеры на высотах, где расположен облачный слой (от 50 до 70 км над поверхностью планеты), но вблизи поверхности этой планеты скорость ветра достигает всего лишь несколько метров в секунду.

Таким образом, несмотря на некоторое сходство, в целом атмосферы ближайших к Земле планет резко отличаются от атмосферы Земли. Это пример открытия, которое невозможно было предсказать. Здравый смысл подсказывал, что планеты со сходными физическими характеристиками (например, Землю и Венеру иногда называют “планетами-близнецами”) и примерно одинаково удаленные от Солнца должны иметь очень похожие атмосферы. На самом деле причина наблюдаемого различия связана с особенностями эволюции атмосфер каждой из планет земной группы.

Исследование атмосфер плане земной группы не только позволяет лучше понять свойства и историю происхождения земной атмосферы, но и имеет значение для решения экологической проблемы. Например, туманы – смоги, образующиеся в земной атмосфере в результате загрязнения воздуха, по своему составу очень напоминают венерианские облака. Эти облака, как и пылевые бури на Марсе, напоминают нам о том, что необходимо ограничивать выброс пыли и разного рода промышленных отходов в атмосферу нашей планеты, если мы хотим на длительное время сохранить на Земле условия, пригодные для существования и развития жизни. Пылевые бури, во время которых на протяжении нескольких месяцев в атмосфере Марса удерживаются и распространяются над громадными территориями тучи пыли, заставляют задуматься над некоторыми возможными экологическими последствиями ядерной войны.

Поверхности

Планеты земной группы, подобно Земле и Луне, имеют твердые поверхности. Наземные оптические наблюдения позволяют получить о них немного сведений, так как Меркурий трудно рассмотреть в телескоп даже во время элонгаций, поверхность Венеры скрыта от нас облаками. На Марсе даже во время великих противостояний (когда расстояние между Землей и Марсом минимальное – около 55 млн. км), происходящих один раз в 15 – 17 лет, в крупные телескопы удается рассмотреть детали размерами около 300 км. И все-таки в последние десятилетия удалось много узнать о поверхности Меркурия и Марса, а также получить представление о еще недавно совершенно загадочной поверхности Венеры. Это стало возможным благодаря успешным полетам автоматических межпланетных станций типа “Венера”, “Марс”, “Викинг”, “Маринер”, “Магеллан”, пролетавших вблизи планет или совершивших посадки на поверхность Венеры и Марса, и благодаря наземным радиолокационным наблюдениям.

Поверхность Меркурия, изобилующая кратерами, очень напоминает лунную. “Морей” там меньше, чем на Луне, причем они небольшие. Диаметр меркурианского Моря Зноя 1300 км, как и Моря Дождей на Луне. На десятки и сотни километров тянутся крутые уступы, вероятно, порожденные былой тектонической активностью Меркурия, когда смещались и надвигались поверхностные слои планеты. Как и на Луне, большинство кратеров образовались в результате падений метеоритов. Там, где кратеров немного, мы видим сравнительно молодые участки поверхности. Старые, разрушенные кратеры заметно отличаются от более молодых кратеров, хорошо сохранившихся.

Каменистая пустыня и множество отдельных камней видны на первых фототелевизионных панорамах, переданных с поверхности Венеры автоматическими станциями серии “Венера”. Радиолокационные наземные наблюдения обнаружили на этой планете множество неглубоких кратеров, диаметры которых от 30 до 700 км. В целом эта планета оказалась наиболее гладкой из всех планет земной группы, хотя и на ней есть большие горные массивы и протяжные возвышенности, вдвое превышающие по размерам земной Тибет. Грандиозен потухший вулкан Максвелл, его высота 12 км (в полтора раза больше Джомолунгмы), поперечник подошвы 1000 км, диаметр кратера на вершине 100 км. Очень велики, но меньше, чем Максвелл, вулканические конусы Гаусс и Герц. Подобно рифтовым ущельям, тянущимся по дну земных океанов, на Венере также обнаружены рифтовые зоны, свидетельствующие о том, что и на этой планете когда-то происходили (а может быть, происходят и сейчас!) активные процессы (например, вулканическая деятельность).

В 1983 – 1984 гг. со станций “Венера — 15” и “Венера — 16” проводились радиолокационные исследования, позволившие создать карту и атлас поверхности планеты (размеры деталей поверхности 1 – 2 км). Новый шаг в исследовании поверхности Венеры связан с применением более совершенной радиолокационной системы, установленной на борту американской АМС “Магеллан”. Этот космический аппарат достиг окрестности Венеры в августе 1990 г. и вышел на вытянутую эллиптическую орбиту. Регулярная съемка проводится с сентября 1990 г. На Землю передаются отчетливые изображения, на некоторых из них хорошо различимы детали размером до 120 м. К маю 1993 г. съемкой было охвачено почти 98% поверхности планеты. Планируется завершить эксперимент, включающий не только фотографирование Венеры, но и проведение других исследований (гравитационного поля, атмосферы и др.) в 1995 г.

Изобилует кратерами и поверхность Марса. Особенно много их в южном полушарии планеты. Темные области, занимающие значительную часть поверхности планеты, получили название морей (Эллада, Аргир и др.). Диаметры некоторых морей превышает 2000 км. Возвышенности, напоминающие земные континенты, представляющие собой светлые поля оранжево-красного цвета, названы материками (Фарсида, Элисиум). Как и на Венере, здесь есть огромные вулканические конусы. Высота наибольшего из них (Олимпа) превышает 25 км, диаметр кратера 90 км. Диаметр основания этой гигантской конусообразной горы более 500 км.

О том, что миллионы лет назад на Марсе происходили мощные вулканические извержения и смещались поверхностные пласты, свидетельствуют остатки лавовых потоков, огромные разломы поверхности (один из них – Маринер – тянется на 4000 км), многочисленные ущелья и каньоны. Возможно, что именно некоторые из этих образований (например, цепочки кратеров или протяженные ущелья) исследователи Марса еще 100 лет назад приняли за “каналы”, существование которых впоследствии долгое время пытались объяснить деятельностью разумных обитателей Марса.

Перестал быть загадкой и красный цвет Марса. Он объясняется тем, что грунт этой планеты содержит много глин, богатых железом.

С близкого расстояния неоднократно фотографировались спутники Марса и передавались панорамы поверхности “Красной планеты”.

Вы знаете, что почти 2/3 поверхности Земли занимают океаны. На поверхности Венеры и Меркурия воды нет. Открытые водоемы отсутствуют и на поверхности Марса. Но, как предполагают ученые, вода на Марсе должна быть, по крайней мере, в виде слоя льда, образующего полярные шапки, или как обширный слой вечной мерзлоты. Возможно, вы станете свидетелями открытия на Марсе запасов льда или даже находящейся подо льдом воды. О том, что вода когда-то была и на поверхности Марса, свидетельствуют обнаруженные там высохшие руслоподобные извилистые ложбины.