Плане́ты [от греч. (ἀστέρες) πλανῆται, буквально – блуждающие (звёзды)], небесные тела, обращающиеся по орбите вокруг центральной звезды, достаточно массивные для того, чтобы под действием собственной гравитации принять форму, близкую к шару. Излучение планет складывается из отражённого света центральной звезды и собственной инфракрасной (тепловой) радиации.

Термином «планета» в Древней Греции обозначали 7 небесных светил – Солнце, Луну, Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, которые в течение года изменяли своё положение среди звёзд. Согласно геоцентрической системе мира, эти светила обращались вокруг Земли. После признания гелиоцентрической системы мира термин «планета» закрепился за крупными телами, обращающимися вокруг Солнца: Меркурием, Венерой, Землёй, Марсом, Юпитером и Сатурном. В дальнейшем к этому списку добавляли вновь открываемые планеты: в 18 в. – Уран, в 19 в. – Нептун, в 20 в. – Плутон. Однако в 2006 г. после уточнения массы Плутона и открытия на его орбите ряда других объектов, сравнимых с ним по массе, Международный астрономический союз скорректировал определение планет. В частности, было добавлено условие, согласно которому каждая планета в процессе формирования должна гравитационно доминировать в окрестности своей орбиты настолько, чтобы в этой области пространства не оставалось других объектов. Таким образом, с 2006 г. Плутон не считается планетой и Солнечная система включает 8 планет.

В конце 20 в. по косвенным признакам были обнаружены холодные (не светящиеся собственным светом) объекты, обращающиеся вокруг других звёзд. Такие небесные тела были названы экзопланетами.

Планеты в системе TRAPPIST-1 и планеты земной группы Солнечной системы в представлении художника с указанием основных характеристик. Перевод и адаптация: БРЭ.Планеты в системе TRAPPIST-1 и планеты земной группы Солнечной системы в представлении художника с указанием основных характеристик. Перевод и адаптация: БРЭ.

Орбиты планет Солнечной системы

Орбитальное движение планет описывается законами Кеплера. Эллиптичность орбиты характеризуется эксцентриситетом e, равным отношению половины межфокусного расстояния к большой полуоси эллипса. Круговой орбите соответствует e = 0 (фокусы F₁ и F₂ совпадают с центром O). Орбиты планет Солнечной системы близки к круговым (особенно орбиты Венеры и Нептуна: e = 0,007 и e = 0,011 соответственно). Самую вытянутую орбиту среди планет Солнечной системы имеет Меркурий (e = 0,206). Эксцентриситет показывает также, насколько различается удалённость планет от Солнца в перигелии (при максимальном сближении) и афелии (при максимальном удалении).

Эллиптическая орбита планеты.Эллиптическая орбита планеты.В соответствии с законами Кеплера орбитальная скорость планет падает при удалении от Солнца, причём на орбитах с большим эксцентриситетом скорость в перигелии значительно выше, чем в афелии. Орбитальная скорость Земли составляет около 30 км/с (что используется при запуске космических аппаратов к другим планетам: орбитальная скорость суммируется со скоростью космического аппарата относительно Земли). Высокие орбитальные скорости внутренних (относительно орбиты Земли) планет представляют серьёзную проблему для космических миссий.

Характеристики орбит планет находятся в сложных резонансных соотношениях, что, наряду с другими их особенностями, обеспечивает устойчивость Солнечной системы. Положение орбит планет подчиняется закономерностям, которые эмпирически установлены в 1766 г. И. Тициусом. Он предложил геометрическую прогрессию, описывающую величины больших полуосей a орбит планет (правило Тициуса – Боде). Эта прогрессия позволила с хорошей точностью предсказать существование планеты, расположенной за Сатурном на орбите с a = 19,6 а. е. В 1781 г. на орбите с a = 19,2 а. е. действительно была открыта планета, названная Ураном.

Сидерический период обращения планеты тем больше, чем дальше она от Солнца (т. к. с удалением от Солнца увеличивается длина орбиты и падает средняя орбитальная скорость). Земля в своём годичном движении оказывается на стороне орбиты, обращённой к далёкой внешней планете, примерно при одном и том же орбитальном положении обоих тел, поэтому синодические периоды обращения Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна (в отличие от синодических периодов обращения Меркурия, Венеры и Марса) мало отличаются от земного года.

Плоскости орбит планет наклонены к плоскости эклиптики (плоскости орбиты Земли) на единицы градусов, что объясняется происхождением планет из единого газово-пылевого диска. Существует гипотеза изохронизма, согласно которой начальный период вращения всех планет был примерно одинаков и составлял около 8–9 ч. Последующее замедление близких к Солнцу планет (потерю вращательного момента) в соответствии с этой гипотезой объясняют следующими причинами. Приливное воздействие Луны незначительно, но постоянно замедляет вращение Земли. Замедление вращения Земли и Марса могло произойти в результате столкновений с астероидами и другими небесными телами на ранних этапах формирования планет (см. Космогония). В тот же период орбитальная скорость планетообразующих тел на орбите Меркурия была настолько высока, что процессы его разрушения превалировали над процессами образования. В формировании периода вращения Меркурия главную роль играли высокий эксцентриситет его орбиты и резонансное приливное воздействие Солнца. В результате периоды обращения Меркурия и его вращения вокруг своей оси относятся как ³/₂ (за 2 оборота вокруг Солнца Меркурий совершает ровно 3 оборота вокруг оси). Значительно сложнее объяснить чрезвычайно медленное и ретроградное (обратное по знаку) вращение Венеры (причём орбитальный период Земли относится к сидерическому периоду вращения Венеры почти точно как ³/₂). Для того чтобы настолько замедлить вращение Венеры, необходимо было рассеять энергию, эквивалентную той, что излучает Солнце более чем за 1 час.

Оси вращения ряда планет (Земли, Марса, Сатурна и Нептуна) значительно наклонены к плоскости орбиты. Поэтому количество солнечного тепла, получаемого северным и южным полушариями этих планет, в разных точках орбиты существенно различается: на планетах наблюдаются выраженные времена года.

Физические характеристики планет Солнечной системы

Массы планет не могут превышать определённого предела. При достижении массой небесного тела величины 1,3 % массы Солнца (около 13 масс Юпитера) температура в центре тела в результате его гравитационного сжатия повышается до уровня, достаточного для протекания термоядерной реакции на основе одного из изотопов водорода (из водорода преимущественно состоят газово-пылевые облака, где формируются звёзды и планеты). Таким образом небесное тело становится звездой.

Плотность ρ, давление p и температура Т возрастают к центру планеты и достигают очень больших величин. Для центра Земли p = 3,6 · 10¹¹ Па (около 3,6 млн атмосфер), Т = (5–6) · 10³ К, ρ = 12 500 кг/м³. Давление в центре самой крупной планеты Солнечной системы (Юпитера) оценивается величиной (5–7) · 10¹² Па (50–70 млн атмосфер), а температура – величиной (25–30) · 10³ К.

Почти все планеты Солнечной системы имеют атмосферу (она отсутствует только у Меркурия, обладающего сильно разреженной экзосферой). Состав планетных атмосфер определили процессы формирования и эволюции планет. Наиболее массивные планеты (Юпитер и Сатурн) сохранили первичные водородно-гелиевые атмосферы.

Схематическое изображение Солнечной системы (в представлении художника). Слева направо: Солнце, Меркурий, Венера, Земля, Марс, Главный пояс астероидов, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и 4 карликовые планеты (Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида); выше Сатурна изображена комета. Относительные размеры объектов и относительные расстояния между ними не соблюдены.Схематическое изображение Солнечной системы (в представлении художника). Слева направо: Солнце, Меркурий, Венера, Земля, Марс, Главный пояс астероидов, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и 4 карликовые планеты (Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида); выше Сатурна изображена комета. Относительные размеры объектов и относительные расстояния между ними не соблюдены.Удалённость планет от Солнца определяет величину падающей на планету солнечной радиации: плотность солнечной радиации на орбите Меркурия превышает земную примерно в 6,7 раза, а на орбите Нептуна – меньше земной в 903 раза. Долю солнечной радиации, отражаемой каждой планетой, показывает величина её сферического альбедо; оставшаяся часть солнечной радиации поглощается планетой. Сравнительные размеры Юпитера и Земли. Адаптация: БРЭ.Сравнительные размеры Юпитера и Земли. Адаптация: БРЭ.Эффективная (наблюдаемая извне) радиационная температура определяет поток энергии, излучаемой самой планетой. Эффективные температуры Юпитера, Сатурна и Нептуна превышают равновесное значение: эти планеты излучают в пространство в 1,8–2,5 раза больше энергии, чем получают от Солнца. При этом излучается энергия, полученная планетами в процессе их формирования, а также энергия, выделяемая в результате гравитационной дифференциации – погружения к центру планеты более тяжёлых компонентов.

Планеты Солнечной системы условно делят на 2 группы, разделённые Главным поясом астероидов: планеты земного типа и планеты-гиганты, включающие 2 подгруппы (собственно планеты-гиганты и ледяные гиганты). Планеты, относящиеся к разным группам, значительно различаются по размеру, физическим характеристикам и положению в Солнечной системе. Изучением физических свойств планет, их строения и химического состава занимается планетология. Основные характеристики планет Солнечной системы приведены в таблице (данные постоянно уточняются).

Планеты земного типа

К этой группе относят Меркурий, Венеру, Землю и Марс. От остальных планет Солнечной системы их отличают высокая плотность, близость к Солнцу, медленное вращение вокруг своей оси и быстрое движение по орбите, наличие твёрдой поверхности, малое число (или полное отсутствие) спутников. Планеты земного типа существенно меньше планет-гигантов, но и различие размеров внутри группы значительно.

Сравнительные размеры планет земной группы (слева направо): Меркурий, Венера, Земля, Марс.Сравнительные размеры планет земной группы (слева направо): Меркурий, Венера, Земля, Марс.Внутреннее строение планет этой группы в целом подобно строению Земли: металлическое двухслойное ядро окружено протяжённой мантией и корой, состоящей из силикатных горных пород. С электрическими токами, циркулирующими в жидком ядре Земли, связано дипольное магнитное поле планеты. У Венеры и Марса отсутствует дипольное магнитное поле. Предполагается, что причинами этого могут быть твёрдое состояние их металлических ядер, медленное вращение Венеры и другие особенности их строения. У Меркурия, несмотря на его медленное вращение, имеется дипольное магнитное поле (напряжённостью около 1 % земного). Металлическое ядро Меркурия, в отличие от ядер других планет, составляет примерно 76 % его радиуса; на кору и мантию приходится слой не более 600–700 км.

Меркурий. Фото: космический аппарат «Мессенджер».Меркурий. Фото: космический аппарат «Мессенджер».Масса планет земного типа недостаточна для того, чтобы удержать в их атмосферах водород и гелий. Эти газы были потеряны планетами в процессе формирования, а их вторичные атмосферы появились в результате захвата планетами протопланетных тел и процессов, происходивших в твёрдом веществе коры. Венера обладает самой мощной (среди планет земного типа) атмосферой: её масса (0,47 · 10²¹ кг) сравнима с массой океанов Земли (1,45 ·10²¹ кг). Атмосфера Венеры состоит преимущественно из углекислого газа; примерно таким же количеством углекислого газа обладает Земля в связанных карбонатных формах. Масса азота одинакова в атмосферах обеих планет. Кислород в атмосфере Земли имеет биогенное происхождение. Марс обладает весьма разреженной атмосферой, состоящей в основном из углекислого газа. Давление у поверхности Марса в 160 раз ниже земного, в то время как на Венере в 95 раз выше.

Венера. Фото: космический аппарат «Акацуки».Венера. Фото: космический аппарат «Акацуки».Температура поверхности планет определяется двумя основными факторами: плотностью солнечной радиации и парниковым эффектом в атмосфере планет. У Меркурия, практически лишённого атмосферы и расположенного к Солнцу ближе других планет, температура поверхности днём может превышать 600 К, а ночью падать до 90 К. Поскольку тепловой режим планет этой группы равновесный, каждая планета излучает в космическое пространство столько же энергии, сколько поглощает с солнечной радиацией. Однако планета излучает в инфракрасном диапазоне спектра, где прозрачность атмосферы может быть невелика. В результате приповерхностная температура планеты оказывается выше её эффективной радиационной температуры – возникает парниковый эффект, который для Земли составляет 33 К, для Венеры – около 500 К. Таким образом, Венера имеет самую высокую среди планет Солнечной системы температуру поверхности (740 К). При такой температуре вода не может находиться в жидком состоянии. Ничтожное содержание воды в атмосфере Венеры указывает на то, что в истории планеты происходили процессы, вызвавшие интенсивную потерю воды.

Марс. 1998. Изображение создано путём совмещения более 1000 фотографий, полученных космическим аппаратом «Викинг».Марс. 1998. Изображение создано путём совмещения более 1000 фотографий, полученных космическим аппаратом «Викинг».Углекислый газ в атмосфере Марса также вызывает парниковый эффект. Однако плотность атмосферы здесь столь низка, что парниковый эффект на Марсе составляет единицы градусов. Средняя температура поверхности Марса около 210–215 К, температура летом на экваторе может достигать 280 К, а зимой на полюсах – понижаться до 150 К. Подробная съёмка, проведённая с космического аппарата, показала, что в некоторых местах на поверхности Марса спорадически появляются потоки воды, образующиеся при таянии подпочвенной мерзлоты. Значительная часть запасов воды Марса была потеряна в течение его истории.

Планеты-гиганты и ледяные гиганты

Почти до конца 20 в. к группе, называемой планетами-гигантами, относили Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Однако ныне эту группу принято делить на 2 подгруппы, включающие собственно планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн) и ледяные гиганты (Уран и Нептун); диаметры первых превышают диаметр Земли в 10–11 раз, а вторых – лишь в 4 раза.

Сравнительные размеры планет-гигантов и ледяных гигантов (слева направо): Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.Сравнительные размеры планет-гигантов и ледяных гигантов (слева направо): Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.Все планеты этой группы отличает низкая плотность, значительная удалённость от Солнца, быстрое вращение вокруг своей оси и медленное движение по орбите. У этих планет нет твёрдой поверхности, их наблюдаемая поверхность – это внешний слой облаков. Планеты этой группы имеют много спутников, причём данные об их числе постоянно меняются, поскольку открывают новые небольшие спутники. Сатурн. Фото: космический аппарат «Вояджер-2».Сатурн. Фото: космический аппарат «Вояджер-2».Предполагается, что с образованием и возможным разрушением спутников планет связаны кольца, которыми обладают все планеты этой группы. Наиболее широкое и плотное кольцо у Сатурна, остальные кольца уверенно наблюдаются только с космических аппаратов.

Юпитер и Сатурн – самые большие из планет Солнечной системы: масса Юпитера превышает массу всех остальных планет, вместе взятых, а масса Сатурна превышает суммарную массу всех остальных планет без Юпитера. Низкая плотность этих двух планет указывает на их водородно-гелиевый состав (на Н и Не приходится около 92 % всей массы этих планет).Уран. Фото: космический аппарат «Вояджер-2».Уран. Фото: космический аппарат «Вояджер-2». Уран и Нептун в современной классификации называют ледяными гигантами или планетами-океанами. Под льдами в физике планет понимают летучие вещества (воду, метан и аммиак), которые в определённых условиях переходят в твёрдую фазу. На льды приходится значительная часть массы Урана и Нептуна.

Представления о внутреннем строении Юпитера и Сатурна опираются на теорию фигур газожидких тел. Расчётные модели основаны на том, что вращение изменяет структуру газожидкого тела и приводит к отклонению гравитационного потенциала от сферически симметричного. Внутреннее строение Юпитера определяется его огромной массой. Толщину его атмосферы принимают близкой к 1500 км. Снимок Юпитера, на котором виден гигантский атмосферный вихрь, получивший название «Большое красное пятно Юпитера». Фото: космический телескоп «Хаббл».Снимок Юпитера, на котором виден гигантский атмосферный вихрь, получивший название «Большое красное пятно Юпитера». Фото: космический телескоп «Хаббл».Согласно теоретическим моделям и измерениям, выполненным с космических аппаратов, под атмосферой Юпитера должен находиться слой газожидкого молекулярного водорода толщиной до 7000 км. Ниже, на уровне 0,88 радиуса планеты, молекулярный водород полностью переходит в жидкое состояние с плотностью до 660 кг/м³. На уровне 0,77 радиуса, где давление достигает 5 · 10¹¹ Па (5 млн атм), а температура – 10 000 К, водород переходит в жидкую металлическую фазу. Ядро планеты по массе превышает 5 масс Земли и имеет, вероятно, металлосиликатный состав. Строение Сатурна подобно строению Юпитера, но газожидкая атмосфера простирается глубже. Облака Юпитера состоят в основном из конденсированного аммиака с примесями других веществ, в облаках Сатурна, наряду с аммиаком, присутствует конденсированный метан.

Большинство расчётов, на которые опираются модели строения Урана и Нептуна, основано на т. н. трёхслойной модели: ядро из скальных (силикатных) пород, железа и никеля; средний (жидкий) слой и водородно-гелиевая атмосфера. Льды среднего слоя – это смесь летучих веществ: преимущественно воды с небольшими количествами метана и аммиака. Нептун. Фото: космический аппарат «Вояджер-2».Нептун. Фото: космический аппарат «Вояджер-2».Льды Нептуна (главным образом водяные) составляют более половины его массы (отсюда название «планета-океан»). Масса ядра Нептуна оценивается в 1,2 массы Земли. В облаках Урана и Нептуна преобладает конденсированный метан.

С внутренним строением планет связано их магнитное поле, причём у Юпитера наблюдаются как дипольные, так и мультипольные компоненты (несколько пар магнитных полюсов, создающих поля неодинаковой напряжённости). Необычны магнитные поля Урана и Нептуна, получившие название «наклонный ротатор» из-за наклона и смещения осей их магнитных диполей от осей вращения планет. На уровне видимой поверхности облаков индукция магнитного поля Юпитера составляет (4–5) · 10^–4 Тл. Значительно слабее магнитные поля Сатурна (0,20 · 10^–4 Тл), Урана (0,23 · 10^–4 Тл) и Нептуна (0,13 · 10^–4 Тл). Для сравнения – индукция магнитного поля Земли составляет 0,32 · 10^–4 Тл.