Планетология

Планетоло'гия(от и ) ,термин, применяемый для обозначения раздела ,посвященного изучению физики планет Солнечной системы. Термин «П.» применяется главным образом специалистами в области наук о Земле и редко - астрономами.

Планеты

Плане'ты(позднелат., единственное число planeta, от греч. astиr planйtes - блуждающая звезда), большие небесные тела, движущиеся вокруг Солнца и светящиеся отраженным солнечным светом; размеры и массы П. на несколько порядков меньше, чем у Солнца. Ещё в глубокой древности были наделены семь небесных светил, изменяющих своё положение («блуждающих») среди звёзд: Солнце, Луна, , , , , .Считалось, что все эти светила, названные планетами, обращаются вокруг Земли. Лишь в начале 16 в. создатель гелиоцентрической системы мира Н. показал, что только Луна движется вокруг Земли, а остальные П., как и Земля, движутся вокруг Солнца, которое является, таким образом, центральным телом системы П. - .Само Солнце не причисляется к П.; оно является звездой, поскольку светится собственным, а не отражённым светом. Из числа П. древности была изъята и Луна - спутник Земли. В новое время были открыты ещё три планеты - (1781, В. ) , (1846, Дж. , У. ,И. ) , (1930, П. ,К. Томбо). Т. о., известно девять больших П. Кроме того, открыто несколько тысяч (астероидов), размеры которых составляют от нескольких сотен до 1 кми меньше; они движутся главным образом между орбитами Марса и Юпитера.

  Уже в древности П. по характеру их движения среди звёзд делились на нижние и верхние. К нижним П. относятся Меркурий и Венера, движущиеся вокруг Солнца ближе, чем Земля; к верхним принадлежат все остальные П., орбиты которых расположены за пределами земной орбиты. Более глубокое научное значение имеет деление П. на внутренние и внешние. К внутренним относят П., движущиеся по орбитам внутри пояса малых П. Это - Меркурий, Венера, Земля, Марс; они названы также П. земной группы. Внешние П. находятся за пределами кольца малых П. Это - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Все они (кроме Плутона) из-за своих значительных размеров называются также .

  Между П. и Солнцем действует взаимное притяжение, описываемое . Движение П. вокруг Солнца происходит по эллиптическим орбитам в основном в соответствии со сравнительно простыми . Однако взаимное притяжение П. осложняет движение, вследствие чего вычисление положения П. на звёздном небе, а также их расстояний от Солнца составляет трудную задачу небесной механики (особенно если вычисление должно быть выполнено на большой срок вперёд или назад). Тем не менее современные математические теории движения П. позволяют вычислить положения П. на небе в далёком прошлом, например несколько тысячелетий назад, с точностью, более высокой, чем это могли сделать непосредственными наблюдениями астрономы той эпохи.

  Табл. 1. - Геометрические и механические характеристики больших планет (по данным на 1973).

¹Очень ненадежное значение.

²  Сильно меняется во времени

  Общая характеристика планет.Видимый блеск всех П., известных с древности, не уступает блеску самых ярких звёзд, а блеск Венеры, Марса и Юпитера превосходит их. Из П., открытых в новое время, только Уран доступен невооружённому глазу. Для нормального человеческого зрения все П. представляются, как и звёзды, светящимися точками, но уже с помощью небольшого телескопа можно увидеть диск у всех П. (кроме далёкого Плутона), что впервые обнаружил в 1609 Г. .У Венеры и Меркурия можно видеть фазы, подобные - от «полной» до узкого серпа или полной невидимости в нижнем соединении с Солнцем (см. ) .У верхних П. полной смены фаз не бывает (у Марса ущерб не превышает 47°, у Юпитера 11° и т.д.). Фазы и угловые размеры диска П. меняются в зависимости от взаимного расположения П., Солнца и Земли, а также от расстояния П. от Земли. Вычисление линейных размеров П. по их угловым размерам не составляет труда, т.к. расстояние от П. до Земли известно с достаточной точностью. Впрочем, телескопические измерения угловых размеров П. обременены трудно устранимыми систематическими ошибками, доходящими до 1% измеряемой величины.

  Радиолокация П. (Меркурия, Венеры, Марса и Юпитера) даёт возможность очень точно установить расстояние до поверхности П.: небесно-механические же расчёты, основанные на анализе радиолокационных измерений за несколько лет, позволяют вычислить расстояния до центра П. Разность тех и других расстояний равна радиусу П. Такой способ вычисления радиусов П. обеспечивает точность, большую 0,1%. Радиусы П. определяются также из наблюдений затмения спутника П. при его заходе за диск П. и выходе из-за диска. Результаты особенно успешны в применении к П. с разрежённой атмосферой (например, Марс). Измерения видимого диаметра П. в разных направлениях позволяют определить её фигуру или, по крайней мере, сжатие у полюсов. Достаточно надёжно характеризует форму П. сжатие (динамическое сжатие), которое выводится из анализа возмущений, наблюдаемых в движении спутников П., в предположении, что внутри П. соблюдается гидростатическое равновесие.

  Геометрические, механические и физические характеристики больших П. приведены в табл. 1 и 2.

  Табл. 2. - Физические характеристики больших планет (по данным на 1973).

¹I – на экваторе. ²II – на средних широтах. ³Ненадежное значение. ⁴1,95 кал/см2 мин. ⁵В элонгации, в зависимости от расстояния то Солнца. ⁶В элонгации. Максимальный возможный блеск – 4,45. ⁷Видимая с Солнца. ⁸Кольцо Сатурна при наибольшем раскрытии делает величину равной – 0,28. ⁹Точка планеты, для которой Солнце находится в зените. ¹⁰Температура поверхности. ¹¹Много выше по измерениям в радиодиапазоне.

  Детали поверхности, вращения планет, их картографирование.На поверхности П., полностью (или почти полностью) лишенной атмосферы, видны различные детали. Им часто условно присваивают названия земных образований, хотя их названия земных образований, хотя их физическая природа и не соответствует этим названиям. Таковы, например, темные «моря» на Марсе, которые вовсе не являются морями в земном смысле слова; они выделяются на фоне др. деталей лишь из-за более низкой способности отражать солнечный свет. У такой П., как Венера, обладающей мощной атмосферой, детали поверхности не поддаются оптическим наблюдениям, у неё доступны для наблюдений только детали облачного слоя. Впрочем, с космического корабля «Маринер 10» поверхность Венеры была сфотографирована частично, в просветы между облаками. Периодически повторяющиеся перемещения деталей на диске П. указывают на её вращение; измеряя их положение в разное время определяют период вращения П. вокруг оси и положение оси вращения в пространстве. Это дает возможность определить на П. деталей и составить карту П.; такие карты имеются для Марса и Меркурия. К Венере и ко всем верхним П. эта методика неприменима, т.к. у каждой из них постоянному наблюдению доступен только облачный покров, в котором могут быть мощные систематические движения, совпадающие с вращением самой П. Вращение П. может быть изучено методами . Вследствие вращения П. радиолокационный сигнал, посланный с Земли, отражается как от точек поверхности П., движущихся по направлению к земному наблюдателю, так и от точек, удаляющихся от него. Вследствие эффекта Доплера форма сигнала изменяется, причем тем больше, чем быстрее П. вращается. Таким методом советские (В. А. с сотрудниками) и американские радиофизики выяснили, что Венера вращается с периодом 243 земных сутв направлении, обратном ее вращению вокруг Солнца. В дальнейшем обнаружилось, что её облачный слой вращается с периодом несколько большим 4 сут. Изучение собственного радиоизлучения Юпитера на дециметровых волнах показало, что его источники, связанные с телом П., вращаются с периодом 9 ч55 мин29,4 сек,тогда как облачный слой на экваторе П. имеет период вращения, равный 9 ч50 мин30,00 сек.

  Радиолокация даёт возможность построить карту деталей радио-альбедо П., выделяя в вернувшемся на Землю сигнале части, отраженные разными местами поверхности П. Более того, благодаря исключительной точности вычисления расстояний радиолокационными методами может быть выявлен и рельеф поверхности П., по крайней мере в тех ее местах, которые локализуются близ центра видимого диска П. Так, в частности, был определён рельеф Венеры и Марса.

  Масса и плотность планет.Изучение закономерностей движения спутников П. на основе закона всемирного тяготения позволяет уверенно определить массу П. У Меркурия, Венеры и Плутона, не имеющих спутников, массы определяются по возмущениям, которые они вызывают в движениях др. небесных тел, в первую очередь комет и искусственных (в последнем случае точность особенно велика). Кроме Венеры и Меркурия, таким путём определена масса Марса, причём по движению естественных его спутников. Знание массы П. и её размеров позволяет вычислить среднюю плотность, значение ускорения силы тяжести на поверхности и скорость убегания, т. е. ту критическую скорость (космическую скорость), развив которую, тело покидает П. навсегда (скорость убегания рассчитывается для поверхности П.).

  Атмосферы планет.Наличие газовой оболочки вокруг П. может быть легко замечено при наблюдениях с Земли -по потемнению диска П. к краям, по постепенному (а не мгновенному) угасанию звезды в случае, когда П. приходит перед звездой (покрытие звезды П.), по наличию облачных образований. Фотометрические измерения П. позволяют вывести значение отражательной способности либо П. в целом, либо её частей, что выражают через величину . Многие П. имеют большое альбедо, что указывает на присутствие мощной атмосферы. Величина альбедо и характер изменения блеска П. с изменением её фазы позволяют с помощью теории рассеяния света определить количественные характеристики атмосферы П., в первую очередь её оптическую толщину и протяжённость. В этом направлении в 20 в. ценные результаты получили советские астрономы Н. П. , В. Г. , В. В. . При интерпретации таких наблюдений пользуются измерениями поляризации света П. Наличие в атмосфере твёрдых и жидких частиц (аэрозолей) сильно увеличивает рассеяние и приводит к завышенным сведениям о газовой составляющей атмосферы П. (как, например, до середины 60-х гг. 20 в. мощность атмосферы Марса преувеличивалась в 10 -20 раз). Измерение отражательной способности, цвета и поляризации света отдельными деталями поверхности П. не дают, к сожалению, однозначного ответа на вопрос о природе этих деталей.

  О мощности атмосферы П. судят по упругости газов у её основания, т. е. по величине, которую показал бы барометр-анероид на поверхности П.: выражают её в миллибарах ( мбар). Эта величина не совпадает с действительным атмосферным давлением на поверхности П., зависящим (пропорционально) от ускорения силы тяжести на П., зато позволяет непосредственно сравнивать атмосферу П. с атмосферой Земли, а также вычислить общую массу газовой оболочки П. Мощность атмосферы (или какого-либо газа в ней) может характеризоваться специальной величиной (в м-атм, или см-атм), эквивалентной высоте (в мили см), на которую она простиралась бы, если бы имела повсюду плотность, соответствующую давления в 1 атм» 1013 мбар, и температуру 0 ^oC. На Земле эта величина составляет около 8000 м-атм, на Меркурии 1 -3 см-атм, на Марсе давление атмосферы у поверхности 5 -8 мбар(по анероиду), на Венере -около 100 атм. Очень мощные атмосферы имеют П.-гиганты.

  Химический состав атмосфер П. определяется из спектральных наблюдений по интенсивности молекулярных полос поглощения, возникающих в спектре солнечного излучения, после того как оно дважды прошло через атмосферу П.- до и после отражения от её поверхности. Сложность применения этого метода связана с тем, что на спектрограмме, полученной на земной поверхности, эти полосы трудно отделимы от полос, обусловленных прохождением света через земную атмосферу. Частично эти затруднения устраняются при наблюдениях с баллонов (см. ) .Этим методом сравнительно легко обнаруживаются газы атмосфер П., отсутствующие или имеющиеся в небольшом количестве в атмосфере Земли; таковы: углекислый газ (CO ₂), метан (CH ₄), аммиак (NH ₃), водород (H ₂). Труднее обнаружить водяные пары (H ₂O) и кислород (O ₂). Почти невозможно обнаружить у П. таким способом гелий (Не), азот (N ₂), аргон (Ar) и некоторые др. газы, дающие полосы поглощения в далёкой ультрафиолетовой части спектра. К началу космической эры уже было установлено, что у Венеры и Марса главной составляющей атмосферы является CO ₂, а у внешних П.- молекулярный водород H ₂(около 85 км-атмнад облачным слоем Юпитера), CH ₄и NH ₃. Предполагается по аналогии с составом атмосферы Солнца наличие большого количества гелия.

  Космическая эра принесла новую методику исследования атмосфер П. Измеряя ослабление радиосигналов космических зондов, заходящих за П., вследствие поглощения в атмосфере, можно вывести «шкалу высот» атмосферы и определить т. о. отношение её температуры Тк среднему молекулярному весу m. Однако этот метод применим только к разрежённым атмосферам или к верхним слоям более мощных атмосфер. Несравненно эффективнее непосредственный контакт спускаемых аппаратов космических зондов с атмосферой П. Такой эксперимент был осуществлен в 60-х гг. 20 в. при спуске на Венеру зондов серии (СССР). Измерения интенсивности той или иной молекулярной полосы в спектре деталей П., над которыми пролетает искусственный спутник П., даёт возможность определить также и расстояние до поверхности П. в этом месте, т. е. рельеф П. под траекторией спутника. Ценные результаты такого рода были получены с помощью «Марс-3», «Марс-5» (СССР) и «Маринер-9» (США). Вследствие вращения П. под орбитой спутника проходят разные части её поверхности, благодаря чему рельеф Марса был определён на значительной части его поверхности с точностью до нескольких сот м.

  Температура планет.Прямые измерения интегрального теплового потока или излучения П. в отдельных областях её инфракрасного спектра, осуществляемые, например, с помощью болометров, позволяют определить общую температуру П. или температуру отдельных её частей. Та же задача может быть решена путём измерения тепловых потоков П. радиометодами в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазонах. Из подобных измерений выводятся минимальные температуры, основанные на предположении, что П. излучает как абсолютно чёрное тело. Есть основание полагать, что истинные температуры лишь немного выше полученных этим методом. Кроме того, радиоизмерения позволяют определять температуру на разных уровнях атмосферы П. и даже на разных глубинах под её поверхностью (в пределах метров), т.к. излучение разных частот испытывает разное поглощение в атмосфере и в твёрдой коре П. Именно методом радиоизмерений была измерена истинная температура поверхности Венеры - около + 500 °С; болометрические же измерения давали температуру только верхней её атмосферы, на уровне облаков (около - 40 °С). Сравнение теоретической равновесной температуры (т. е. той, которую должна была бы иметь П., если бы её единственным источником тепла было солнечное облучение) с измеренной температурой даёт возможность судить о том, что П. обладает собственными источниками тепла, которое просачивается наружу. Этот процесс очень существенно зависит от теплопроводности коры и атмосферы П. Атмосфера может обусловливать сильный ,сущность которого заключается в том, что она пропускает приходящее от Солнца оптическое излучение, но в значительной мере задерживает уходящее наружу длинноволновое (тепловое) излучение самой П. Поэтому П., лишённая атмосферы, холоднее и отличается большей суточной амплитудой температуры, чем П. с атмосферой. Именно поэтому у Венеры под мощной атмосферой температура на 550 °С выше, чем на уровне облаков, а дневная температура практически неотличима от ночной. У Юпитера также при равновесной температуре 110 К измерения в инфракрасном диапазоне показали температуру 123 К, а на миллиметровых и сантиметровых волнах даже 150 К. Она ещё выше в дециметровом диапазоне, но это является следствием нетеплового излучения П., к которому понятие температуры неприменимо. У др. П.-гигантов превышение измеренных температур над равновесными ещё больше, но измерения менее точны. Для определения температуры отдельных деталей поверхности П. пригодны только тепловые измерения с крупными телескопами в инфракрасной области спектра. Так было установлено, например, что в экваториальной области Марса летом дневные температуры могут быть заметно выше 0 °С, ночные же - около - 60 °С; что тёмные «моря» теплее светлой «суши» и т.д.

  Совокупное исследование температуры и химического состава атмосферы П. (наличие кислорода и воды) позволяет сделать заключение о возможности существования жизни на П. Так, из того, что известно о Марсе, можно заключить, что на этой П. может существовать жизнь в простейших её формах. Возможность жизни даже в таких формах на др. П. Солнечной системы сомнительна.

  Внутреннее строение планет.Наблюдения изменений орбиты спутника П., в частности поворота плоскости орбиты, вращения орбиты в этой плоскости позволяют математическим путём определить форму П., её сжатие. Скорость этого вращения тем больше, чем больше величина Iразности между сжатием e и половиной отношения c центробежной силы на экваторе П. к силе тяжести. Величина Iможет быть определена по результатам длительных наблюдений спутника, а c вычислена по известным размерам и массе П. и скорости её вращения; после этого величина сжатия (динамического) определяется из уравнения e = Т+ c/2. Между тем из теории следует, что e зависит от распределения масс внутри П., а именно e меняется от значения c/2 для П., у которой вся масса сосредоточена в её центре, до 5c/4 для П., однородных от центра до периферии. Зная среднюю плотность П., оценивая возможные значения давления внутри П. и принимая в расчёт её химический состав, приведённые выше закономерности позволяют составить обоснованные суждения о природе вещества в глубоких недрах П. и его агрегатном состоянии. Дополнительные сведения о распределении масс внутри П. может дать определение скорости прецессии, её оси вращения, но для этого нужны длительные (несколько столетий) наблюдения за её вращением.

  Как видно из табл. 1, у П. земной группы средняя плотность значительно превышает среднюю плотность П.-гигантов, близкую к средней плотности Солнца (1,4 г/см ³) .П.-гиганты, кроме того, имеют несравненно большие массы, вследствие чего в их недрах давление значительно выше. Т. о., с большой вероятностью можно предполагать, что у Меркурия, обладающего большой по сравнению с др. П. плотностью, есть плотное железное ядро, в котором содержится около 60% массы П.; Венера, по массе и плотности сходная с Землёй, имеет в своём центре ядро, более богатое железом, чем Земля, а плотность силикатов в её оболочке несколько выше, чем в оболочке Земли; Земля же имеет сложную структурную оболочку (мантию), простирающуюся до глубины 2900 км,а ниже находится ядро, по-видимому металлическое (железное), на границе с мантией - жидкое, а у центра - твёрдое; у Марса, имеющего сравнительно малую плотность, если и есть железное ядро, то оно невелико (не больше 30% радиуса, а точнее 15-20%), а плотность силикатных пород его оболочки несколько выше, чем у Земли.

  Совсем иная картина у П.-гигантов. Очень низкая средняя плотность и специфический химический состав их атмосфер свидетельствуют о том, что они состоят из вещества, подобного солнечному, т. е. главным образом из водорода и гелия. Значительный тепловой поток, исходящий из Юпитера, указывает на высокую температуру в его недрах - м. б. до 20 тыс. градусов. Такой поток тепла свидетельствует о существовании в недрах Юпитера и Сатурна конвективного перемешивания тепла. В недрах господствует колоссальное давление, намного превышающее 2,5 млн. бар,при котором молекулярный водород испытывает переход к металлической фазе и вполне подобен щелочным металлам. Находится ли он в жидком или газообразном состоянии - трудно сказать, т.к. температура известна недостаточно точно. Нужно думать, однако, что металлическое ядро Юпитера жидкое, в противном случае трудно было бы объяснить существование у Юпитера мощного магнитного поля, значительно более мощного, чем у Земли. Сходную с Юпитером структуру имеет Сатурн. Более плотные Уран и Нептун содержат, по-видимому, значительно больше гелия. У этих П. температура ниже, так что около их центра возможно имеются ядра, состоящие из смеси льда и соединений, содержащих водород, кислород, углерод, азот, серу и др. О строении Плутона ничего неизвестно.

  Для полноты характеристики П. Солнечной системы необходимо ещё добавить, что у П. земной группы мало спутников (у Земли - 1, Марса - 2), тогда как у П.-гигантов их много: у Юпитера - 12, Сатурна - 10, Урана - 5 и только у Нептуна - 2. Плутон спутников, по-видимому, не имеет.

  Эволюция планет и их происхождение.На протяжении миллиардов лет существования П. Солнечной системы испытали сильные изменения. П. малой массы (например, Меркурий и отчасти Марс) не могли удержать легкие газы, у которых скорость теплового движения молекул может превзойти или приблизиться к скорости убегания. Это относится прежде всего к водороду и гелию. Наоборот, азот, кислород, углекислый газ и, в меньшей мере, водяной пар сравнительно прочно удерживаются большинством П. Выделяющиеся при медленной эволюции недр абсорбированные там газы пополняют атмосферу, но у меньших П. процесс улетучивания преобладает. Происходящее в верхних слоях атмосферы расщепление сложных молекул газа (той же воды) солнечным коротковолновым излучением также облегчает убегание более лёгких их составных частей. Известную роль в изменении состава атмосферы могут играть живые организмы. Так, предполагается, что на Земле первоначально атмосфера была богата H ₂O, CO ₂, CH ₄, а также более тяжёлыми углеводородами, но в результате жизнедеятельности простейших микроорганизмов и растительности при энергетическом воздействии Солнца углекислый газ был расщеплен на углерод и кислород. Последний интенсивно расходовался на окисление горных пород, но всё же значительная часть его сохранилась.

  Таким образом, П. земной группы, имеющие малую массу, растеряли свои летучие газы H ₂, Не, CH ₄, а Меркурий и отчасти Марс - и более тяжёлые (O ₂и CO ₂), за исключением H ₂, связанного с О в водяном паре и существующего преимущественно в жидкой или твёрдой фазе у большинства П. Наоборот, у П.-гигантов сохранились все газы, вследствие чего химический состав их атмосфер (и недр) тот же, что и у Солнца.

  Из сказанного можно сделать заключение о схожести состава вещества Солнца и П. и общности их происхождения. Метеорные тела и кометы также имеют химический состав, в основном близкий к составу Солнца. Однако поиски механизма образования П. вокруг Солнца в этом предположении (общности вещества) натолкнулись на трудность, состоящую в том, что на долю П., суммарная масса которых составляет ¹/ ₇₀₀часть массы всей Солнечной системы, приходится 98% вращательного момента, в то время как на долю Солнца только 2%. Попытка в некоторых космогонических гипотезах (см. ) объяснить столь большой момент тем, что он был отнят у проходившей мимо звезды, оказалась несостоятельной, т.к. осталось необъяснимым, почему удельный (на единицу массы) вращательный момент сильно растет при переходе ко всё более удалённым от Солнца П. В середине 20 в. в значительной мере под влиянием работ О. Ю. и его учеников общее мнение стало склоняться к тому, что, каков бы ни был механизм процесса, планетная система образовалась в результате дифференциации вещества в колоссальном вращающемся газопылевом облаке: это облако первоначально было холодным, т.к. в противном случае горячий газ быстро рассеялся бы, не успев присоединиться к пылевой субстанции при её конденсации в П. Во время этого процесса выделялось некоторое количество тепла за счёт уменьшения потенциальной энергии. П. разогревалась, и это продолжалось дальше также за счёт радиоактивного распада внутри П. Вещество её постепенно переходило в пластическое и даже жидкое состояние, при котором стала возможной дифференциация вещества: наиболее тяжёлые фракции (например, железо, никель) опускались к центру, а лёгкие всплывали, образуя оболочку П. и её кору. Газ, находившийся в первоначальном облаке вблизи образовавшегося Солнца, нагрелся и рассеялся; в облаках, отдалённых от Солнца, этого не произошло.