Планеты состоят из вещества, оставшегося от рождения их звёзд, но сочетания этого вещества очень разные. Каменные планеты в основном построены из силикатных пород и металлов, газовые гиганты – из водорода и гелия, а ледяные гиганты содержат большую долю воды, аммиака и метана вместе с газовой оболочкой и каменным ядром. У любой крупной планеты вещество распределено слоями под действием давления, температуры и гравитации.
Общий строительный материал
Атомы в планетах не особенные: это те же химические элементы, которые встречаются на Земле и в звёздах. Разница возникает из-за пропорций, температуры и состояния вещества. Железо может быть твёрдым, жидким или находиться в соединениях. Вода бывает льдом, жидкостью, паром и горячей плотной средой, не похожей на воду в стакане. Водород под огромным давлением способен приобретать свойства металла.
Примерно 4,6 миллиарда лет назад Солнечная система формировалась из вращающегося газопылевого диска. Ближе к молодому Солнцу было слишком жарко для многих летучих веществ, поэтому там легче сохранялись металлы и минералы. Дальше от Солнца могли конденсироваться вода и другие соединения, которые астрономы исторически называют «льдами». Так возникло основное различие между внутренними каменными мирами и внешними гигантами.
Каменные планеты
Меркурий, Венера, Земля и Марс относятся к планетам земной группы. У них есть твёрдая поверхность, мантия из силикатных пород и металлическое ядро, в котором преобладают железо и никель. Однако одинаковая схема не означает одинакового состава.
У Меркурия чрезвычайно крупное металлическое ядро относительно размеров планеты. Земля имеет твёрдое внутреннее и жидкое внешнее ядро, движение которого связано с глобальным магнитным полем. Венера по размеру близка к Земле, но её плотная атмосфера в основном состоит из углекислого газа. Марс меньше, быстрее потерял внутреннее тепло и покрыт породами, содержащими окислы железа. Именно они помогают понять, почему Марс называют красной планетой.
Кора – лишь тонкая внешняя оболочка. Большая часть массы каменной планеты скрыта глубже, поэтому выражение «планета состоит из камня» слишком упрощает картину. Земля, например, имеет океаны и атмосферу, но по массе вода и воздух составляют очень небольшую добавку к породам и металлам.
Газовые гиганты
Юпитер и Сатурн состоят главным образом из водорода и гелия. У них нет границы, похожей на берег или твёрдую землю, на которую мог бы сесть аппарат. По мере погружения газ становится всё плотнее, давление растёт, и водород переходит в жидкое, а затем, по моделям, в металлическое состояние. В центре, вероятно, находится область более тяжёлых элементов, но это не обязательно аккуратный твёрдый шар.
Внешние видимые полосы – верхние слои атмосферы с облаками разных соединений. Глубже условия настолько экстремальны, что привычные названия агрегатных состояний становятся условными. Поэтому фантастическая идея «пролететь сквозь Юпитер» не учитывает чудовищное давление и температуру. Даже необычные осадки зависят от химии глубин: отдельная статья объясняет, почему на Юпитере могут идти дожди из алмазов.
Почему Уран и Нептун называют ледяными
Уран и Нептун тоже окружены атмосферой из водорода и гелия, но внутри у них значительно больше тяжёлых веществ, прежде всего соединений кислорода, углерода и азота. В моделях это смесь воды, аммиака и метана над каменно-металлическим ядром. Слово «ледяные» описывает происхождение этих компонентов в холодной протопланетной среде, а не современную температуру всего внутреннего объёма.
Под высоким давлением такой материал может быть горячей проводящей жидкостью. Необычная структура внутренних слоёв, вероятно, связана со сложными магнитными полями Урана и Нептуна. Из четырёх планет-гигантов именно эти две исследованы хуже всего: рядом с каждой пролетал только «Вояджер-2», а орбитальных аппаратов у них пока не было.
Атмосфера тоже часть планеты
У всех восьми планет, кроме практически лишённого устойчивой атмосферы Меркурия, есть газовые оболочки, но они отличаются. На Венере преобладает углекислый газ, на Земле – азот и кислород, на Марсе – разреженный углекислый газ. У гигантов верхние оболочки богаты водородом и гелием, а цвет и облака создают примеси метана, аммиака, воды и других соединений.
Состав атмосферы меняется из-за вулканизма, химических реакций, солнечного излучения, ударов космических тел и утечки газа в космос. На Земле огромное влияние оказала жизнь. Поэтому по одной только массе и расстоянию от звезды нельзя полностью предсказать современный облик мира.
Как учёные узнают состав недр
Никто не брал образец из ядра Земли, не говоря уже о ядре Нептуна. Учёные объединяют несколько косвенных методов. Средняя плотность показывает, насколько много тяжёлого вещества заключено в планете. Гравитационное поле и вращение позволяют оценить распределение массы. Магнитное поле говорит о проводящих движущихся слоях. Сейсмические волны раскрывают внутреннее строение Земли, а данные космических аппаратов уточняют атмосферу и гравитацию других миров.
Спектроскопия определяет вещества по тому, какие длины волн они поглощают или излучают. Для экзопланет часто известны только радиус, масса и часть состава атмосферы. По этим данным строят модели, но несколько разных внутренних структур иногда дают одинаковую среднюю плотность. Поэтому формулировка «планета состоит из…» почти всегда содержит диапазон и научную неопределённость.
Бывают ли планеты других типов
За пределами Солнечной системы найдены суперземли, мини-нептуны, горячие юпитеры и миры, не имеющие точного местного аналога. Название «суперземля» говорит прежде всего о массе или размере, а не гарантирует океаны, континенты или жизнь. Один такой объект может быть каменным, другой – обладать толстой газовой оболочкой.
Вопрос о составе тесно связан с гравитацией: именно она собирает вещество, сжимает его и сортирует по плотности. Развитие этой идеи показано в материале о том, почему закон всемирного тяготения объединяет яблоко и планеты. А двигаться от базовых понятий к связанным темам удобно через маршруты знаний.
Итак, планета – не однородный шар. Это многослойная система, чьё вещество меняет свойства от поверхности к центру. Камень, металл, газ и «лёд» в планетологии описывают не просто знакомые материалы, а огромные диапазоны давления и температуры, которые невозможно воспроизвести в обычной жизни.
