Планетите от земен тип
🛰️ На 15 декември 1970 г. съветската сонда „Венера 7“ се спуска с парашут през облаците на Венера и удря повърхността. Сигналът ѝ е толкова слаб, че учените го откриват в записите чак седмици по-късно: 475 °C и налягане 90 пъти по-голямо от земното. Това са първите данни, изпратени някога от повърхността на друга планета. Венера е почти колкото Земята, на почти същото разстояние от Слънцето и е изградена от същите скали. Как е станала толкова различна?
1. Семейството на скалистите планети
Меркурий, Венера, Земята и Марс са четирите вътрешни планети на Слънчевата система. Образували са се преди 4,6 млрд. години от облака газ и прах около младото Слънце. Близо до него е било толкова горещо, че водата, метанът и амонякът не са могли да замръзнат. Кондензирали са само металите и скалите – а те са малко. Затова вътрешните планети са малки и скалисти. Отвъд снежната линия (~3 AU) ледът е бил в изобилие и там са израснали гигантите.
Общи белези
- Твърда повърхност от силикатни скали и метално ядро
- Малки размери и маси – Земята е най-голямата от тях
- Висока средна плътност: (при гигантите е )
- Бавно въртене, малко спътници (общо три) и никакви пръстени
- Тънки или вторични атмосфери, образувани от вулканични газове и комети
Средна плътност
Пример
Намерете средната плътност на Земята ().
- Скалите на повърхността са с плътност само ~, значи в недрата има нещо много по-тежко – желязно ядро.
Четирите скалисти свята в един и същ мащаб
Щракнете върху планета. Луната е добавена за сравнение.
Най-голямата и най-плътната от скалистите планети. Единствената с течна вода на повърхността, тектоника на плочите и атмосфера, богата на кислород – произведен от живите организми. Силното магнитно поле, създавано от течното външно ядро, отклонява слънчевия вятър. Луната е необичайно голяма спрямо планетата и стабилизира наклона на оста ѝ.
| Планета | a (AU) | R (km) | Година | Слънчев ден | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Меркурий | 0,387 | 2440 | 0,055 | 5,43 | 3,7 | 88 д | 176 дни |
| Венера | 0,723 | 6052 | 0,815 | 5,24 | 8,87 | 225 д | 117 дни |
| Земя | 1 | 6371 | 1 | 5,51 | 9,81 | 365 д | 24 h |
| Марс | 1,524 | 3390 | 0,107 | 3,93 | 3,71 | 687 д | 24 h 40 min |
2. Вътрешен строеж
Младите планети са били разтопени от ударите и от разпада на елементи. Тежкото желязо е потънало към центъра, а по-леките са изплували нагоре – това се нарича диференциация. Така всички скалисти планети имат слоеве: метално ядро, скална мантия и тънка кора. За Земята знаем това от сеизмичните вълни при земетресения; за Марс – от сеизмометъра на сондата InSight; за Меркурий и Венера – от гравитационното им поле и средната плътност.
Какво има вътре
Разрез на планетите в общ мащаб. Щракнете върху слой. Вдясно – колко голямо е металното ядро на всяко тяло.
Вътрешно ядро (до 19% от радиуса): Твърда желязо-никелова топка с радиус ~1220 km и температура ~5400 °C – колкото повърхността на Слънцето. Твърдо е въпреки жегата, защото налягането е огромно.
🧲 Силно магнитно поле, създавано от конвекцията в течното външно ядро (геодинамо).
Защо само Земята има силно магнитно поле? Нужни са три неща: течно метално ядро, в него и достатъчно бързо въртене. Венера има ядро, но се върти бавно и няма тектоника, която да изнася топлината от него. Марс е малък и ядрото му е спряло да кипи преди ~4 млрд. години. Меркурий има слабо поле – само ~1% от земното.
3. Как се променят повърхностите
Четири процеса оформят лицето на една скалиста планета. Кой от тях преобладава, зависи най-вече от размера ѝ.
☄️ Ударни кратери
Всички планети са бомбардирани, особено през първите ~700 млн. години. Колкото повече кратери има една област, толкова по-стара е тя – така се датират повърхностите на други светове без нито една скална проба.
🌋 Вулканизъм
Лавата залива старите кратери и обновява повърхността. Олимп на Марс е 22 km висок; Венера има над 1000 вулкана и вероятно някои са активни и днес.
🧩 Тектоника
Само Земята има подвижни литосферни плочи. Те рециклират кората, издигат планини и връщат въглерода в недрата – ключов „термостат“ за климата.
💨 Ерозия
Вятър, вода и лед изтриват релефа. На Земята кратерите изчезват за десетки милиони години; на Марс прашни бури покриват цялата планета; на Меркурий ерозия почти няма.
Големите планети остават горещи по-дълго
4. Атмосфери: кой какво е задържал
Първичният водород и хелий, които скалистите планети са привлекли при раждането си, отдавна са изчезнали. Днешните атмосфери са вторични: изпуснати от вулканите () и донесени от комети и астероиди. Дали една планета ще ги задържи, зависи от надпреварата между гравитацията и топлинното движение на молекулите.
Топлинна скорост и задържане на газ
Пример
Ще задържи ли Земята азота? Горната атмосфера е с .
- Азотът остава. За водорода ( 14 пъти по-малка) и – той бяга.
Кой газ ще остане?
Стълбчето е 6 пъти средната скорост на молекулите. Ако е под линията на втората космическа скорост, газът остава за милиарди години. Леките и горещите молекули са най-бързи.
Земята губи водород и хелий, но задържа азота, кислорода и водната пара. Водата е спасена и от студения слой над тропосферата – там парите кондензират и не стигат високо.
5. Парниковият ефект
Без атмосфера температурата на една планета се определя само от това колко светлина получава и колко от нея поглъща.
Равновесна температура
Атмосферата обаче пропуска видимата светлина, а задържа инфрачервеното излъчване на нагрятата повърхност. Тя действа като одеяло – повърхността трябва да стане по-топла, за да излъчи в космоса толкова енергия, колкото получава.
Парниковият ефект
Видимата светлина минава през атмосферата, но топлинното (инфрачервено) излъчване на повърхността се поглъща от CO₂ и водна пара. Всеки непрозрачен за него слой връща половината обратно надолу. Добавете слоеве и намерете реалната температура.
За Земята са нужни N ≈ 0,65 слоя. Без парниковия ефект океаните щяха да замръзнат. Малко повече CO₂ означава малко повече N – и по-висока температура.
Неудържимият парников ефект на Венера
Младото Слънце е светело с ~30% по-слабо и Венера вероятно е имала океани. С нарастването на водата се изпарява. Водната пара също е – тя затопля планетата още повече, изпарява още вода и процесът „избягва“. Без океани не може да се разтваря и да се свързва в карбонатни скали, както на Земята, и целият остава във въздуха. Интересното е, че в земния варовик е заключено почти толкова , колкото има в атмосферата на Венера.
Областта около звезда, в която планета като Земята може да има течна вода на повърхността, се нарича обитаема зона. За Слънцето тя е приблизително между 0,95 и 1,7 AU – Венера е точно до вътрешния ѝ ръб, а Марс е вътре, но е твърде малък, за да задържи плътна атмосфера.
6. Странното въртене на Меркурий и Венера
Звездното (сидерично) денонощие е времето за едно завъртане спрямо звездите. Но за жителите на една планета е важно – от пладне до пладне. Докато планетата се върти, тя се премества и по орбитата си, затова двете се различават.
Слънчево денонощие
Пример
Меркурий се завърта спрямо звездите за 58,65 дни и обикаля Слънцето за 87,97 дни. Колко е слънчевото му денонощие?
- дни – точно колкото две меркуриански години.
Колко е дълъг денят?
Флагчето е забито в повърхността. Когато сочи към Слънцето, там е пладне. Сравнете колко пъти планетата се завърта спрямо звездите и колко пъти – спрямо Слънцето.
За 2 обиколки около Слънцето Меркурий се завърта точно 3 пъти около оста си – резонанс 3 : 2. Затова едно слънчево денонощие трае 176 земни дни, колкото две негови години. Около перихелия орбиталното движение е по-бързо от въртенето и Слънцето за кратко тръгва назад по небето.
Тези необичайни въртения са дело на приливите. Слънцето е забавило въртенето на Меркурий, докато той „заседне“ в – стабилен заради издължената му орбита. Обратното въртене на Венера се обяснява по различни начини: с гигантски сблъсък в миналото или с приливите, които Слънцето предизвиква в плътната ѝ атмосфера.
7. Къде е водата?
Течната вода е ключът към живота, какъвто го познаваме. Всички скалисти планети вероятно са получили вода, но само Земята е успяла да я запази течна на повърхността.
💧 Меркурий
Воден лед в постоянно засенчени кратери при полюсите – открит от сондата MESSENGER.
💧 Венера
Вероятно е имала океани. Днес атмосферата съдържа ~100 пъти повече деутерий спрямо водорода от земната – следа от избягал лек водород.
💧 Земя
71% от повърхността е покрита с океан, но водата е само ~0,02% от масата на планетата.
💧 Марс
Лед в полярните шапки и под повърхността, древни речни корита, делти и минерали, които се образуват само във вода.
Марс днес е изследван от роувъри и орбитални сонди повече от всяка друга планета. Роувърът Perseverance събира скални проби в кратера Йезеро – бивше езеро с речна делта, – за да бъдат донесени на Земята и изследвани за следи от древен микробен живот. Двата малки спътника на Марс, Фобос (~22 km) и Деймос (~12 km), вероятно са уловени астероиди или отломки от древен сблъсък. Фобос бавно се спуска и след ~50 млн. години ще бъде разкъсан от .
8. 🎯 Бърз тест
Защо близо до Слънцето са се образували скалисти, а далеч от него – газови планети?
9. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
10. Обобщение
- ✓ Четири скалисти планети, образувани от метали и силикати вътре от снежната линия
- ✓ Средна плътност от 3,9 до ; всички имат ядро, мантия и кора
- ✓ По-голямата планета остава гореща и геологично активна по-дълго ()
- ✓ Газът се задържа, ако – затова водородът и хелият са избягали
- ✓ ; Венера е 500 K по-гореща от заради парниковия ефект
- ✓ Меркурий: резонанс , слънчев ден 176 дни; Венера: обратно въртене, слънчев ден 117 дни
- ✓ Само Земята има течна вода на повърхността, тектоника на плочите и силно
💡Интересен факт
На ~50 km над повърхността на Венера налягането е около 1 bar, а температурата – между 0 и 50 °C. Това е най-подобното на Земята място в Слънчевата система извън самата Земя. Затова учени предлагат бъдещи изследователски станции да се носят като балони в облаците на Венера – въздухът, който дишаме, е по-лек от и би ги държал във въздуха.