Планеты земной группы

Солнечная система — это Солнце и все небесные тела, которые удерживаются его гравитацией. В нее входят восемь больших планет, их спутники, карликовые планеты, астероиды, кометы, метеорные тела, межпланетный газ и пыль. Большие планеты делятся на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты (рисунок 1). К планетам земной группы относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. А к планетам-гигантам, о которых мы будем говорить на следующем уроке, — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

На прошлом уроке мы познакомились с современной теорией происхождения Солнечной системы. Согласно этой теории, около $4.6$ миллиардов лет назад Солнце и планеты начали формироваться из огромного вращающегося газопылевого облака. 

Под действием собственной гравитации облако начало сжиматься (рисунок 2). Этот процесс называется гравитационным коллапсом. По мере сжатия вещество в центре облака уплотнялось и разогревалось. В результате в центральной области сформировалось молодое Солнце. Остальная часть вещества превратилась во вращающийся протопланетный диск.

Внутри этого диска мелкие частицы пыли сталкивались и слипались, образуя более крупные тела (рисунок 3). Сначала возникли небольшие каменные и ледяные объекты — планетезимали. Затем под действием гравитации они продолжали притягивать вещество и превращались в протопланеты — «зародыши» будущих планет. Из вещества протопланетного диска сформировались не только планеты, но и их спутники, астероиды, кометы и другие малые тела Солнечной системы. 

Однако условия в разных областях протопланетного диска были неодинаковыми. Вблизи Солнца из-за очень высокой температуры оставались в основном тяжелые элементы и их соединения. Поэтому здесь сформировались плотные каменистые планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Но несмотря на общее происхождение, сегодня эти планеты сильно отличаются друг от друга. На данном уроке мы рассмотрим их основные особенности, строение, атмосферы и условия на поверхности. 

Меркурий

Меркурий — ближайшая к Солнцу и самая маленькая планета Солнечной системы (рисунок 4). Среднее расстояние от Меркурия до Солнца составляет около $58$ миллионов километров. А диаметр планеты равен примерно $4900$ километрам. Это почти в 3 раза меньше диаметра Земли. 

Наблюдать Меркурий с Земли достаточно трудно. Дело в том, что он находится очень близко к Солнцу и почти всегда скрывается в его ярких лучах. Лишь ненадолго планета появляется низко над горизонтом либо перед восходом Солнца, либо сразу после заката.

Свое название планета получила в честь древнеримского бога торговли Меркурия, который считался очень быстрым. Такое название связано с тем, что Меркурий движется вокруг Солнца быстрее всех остальных планет. Средняя скорость его движения по орбите составляет около $47 \frac{км}{с}$ (рисунок 5). Из-за этого год на Меркурии длится всего 88 земных суток.

{"questions":[{"content":"Меркурий является самой близкой к Солнцу и самой [[fill_choice_big-1]] планетой Солнечной системы.","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["маленькой","большой","яркой","тяжелой"],"answer":0}}}]}

Атмосфера Меркурия

У Меркурия почти нет атмосферы. Планету окружает лишь крайне разреженная газовая оболочка — экзосфера. Ее существование было подтверждено в 1974 году во время исследований американской автоматической станции «Маринер-10».

Экзосфера состоит из отдельных атомов натрия, калия, кислорода, гелия и некоторых других элементов (рисунок 6). Часть этих веществ выбивается с поверхности ударами микрометеоритов. Другая часть приносится солнечным ветром.

Солнечный ветер — это непрерывный поток вещества в состоянии плазмы, который Солнце выбрасывает в окружающее космическое пространство.

Солнечный ветер состоит главным образом из ядер водорода (протонов), ядер гелия и электронов, движущихся с очень большой скоростью — сотни километров в секунду (рисунок 7). 

Почему же у Меркурия нет атмосферы?
Главная причина заключается в слабом притяжении планеты. Сила тяжести на поверхности зависит от массы планеты и ее радиуса:
$F = mg$, где $g = \frac{Gm}{r^2}$. 

То есть, чем больше масса планеты и меньше ее радиус, тем сильнее ее гравитационное поле и тем легче ей удерживать атмосферу. Меркурий обладает сравнительно небольшой массой, поэтому его притяжение значительно слабее земного. 

А также планета сильно нагревается Солнцем. Как вы знаете, при высоких температурах молекулы газов движутся быстрее. Если их скорость становится слишком большой, они преодолевают притяжение планеты и улетают в космическое пространство. Именно поэтому Меркурий почти не способен удерживать плотную атмосферу. 

{"questions":[{"content":"Главная причина слабой атмосферы Меркурия — это [[fill_choice_big-5]].","widgets":{"fill_choice_big-5":{"type":"fill_choice_big","options":["слабое притяжение планеты","большое количество кислорода","наличие океанов","толстый слой облаков"],"answer":0}}}]}

Температура на поверхности Меркурия

Из-за близости к Солнцу поверхность Меркурия получает очень большое количество солнечной энергии. Поэтому днем она сильно нагревается. Однако важную роль играет не только нагрев поверхности, но и способность планеты сохранять тепло.

А у Меркурия почти нет атмосферы. Это приводит к двум ключевым последствиям.

• Отсутствует перенос тепла воздушными массами.
  На Земле атмосфера переносит тепло от нагретых областей к холодным, сглаживая перепады температур.
• Нет «теплового экрана».
  Атмосфера не удерживает тепло у поверхности планеты, как это происходит на Земле. 

Из-за этого Меркурий ведет себя как нагретый камень в вакууме. Он быстро нагревается под Солнцем и так же быстро остывает ночью (рисунок 8). Днем температура поверхности может подниматься до $+430 \degree С$, а ночью опускаться примерно до $−180 \degree С$. 

{"questions":[{"content":"Днем температура поверхности Меркурия может подниматься примерно до [[fill_choice_big-9]].","widgets":{"fill_choice_big-9":{"type":"fill_choice_big","options":["$+430 \\degree C$","$−180 \\degree C$","$0 \\degree C$","$+900 \\degree C$"],"answer":0}}}]}

Поверхность Меркурия

По внешнему виду поверхность Меркурия очень напоминает поверхность Луны. Она покрыта огромным количеством кратеров, которые образовались при падении метеоритов (рисунок 9). Поскольку у Меркурия почти нет атмосферы, космические тела не сгорают при падении и свободно достигают поверхности планеты. 

На Меркурии практически отсутствуют вода, ветер и плотная атмосфера. Поэтому рельеф изменяется очень медленно. Соответственно, кратеры могут сохраняться миллиарды лет.

Также на поверхности Меркурия имеются огромные равнины, покрытые застывшей лавой. Это говорит о том, что в прошлом на планете происходили вулканические процессы.

Одним из крупнейших объектов является Равнина Жары. Это гигантский ударный бассейн диаметром около $1500$ километров. Кратер окружен кольцом горных хребтов высотой до $2 \space км$. А его дно покрыто гладкими равнинами, образованными в результате излияний древней лавы. Удар, образовавший этот бассейн, был настолько мощным, что вызвал деформации поверхности почти на противоположной стороне планеты.

{"questions":[{"content":"Поверхность Меркурия покрыта большим количеством [[fill_choice_big-13]].","widgets":{"fill_choice_big-13":{"type":"fill_choice_big","options":["кратеров","ледников","океанов","лесов"],"answer":0}}}]}

Внутреннее строение Меркурия

Несмотря на небольшие размеры, Меркурий обладает очень высокой плотностью. Она составляет около $5.4 \frac{г}{см^3}$. Для сравнения: средняя плотность гранита на Земле составляет примерно $2.7 \frac{г}{см^3}$. По плотности среди планет Солнечной системы Меркурий уступает только Земле. Такая высокая плотность объясняется внутренним строением планеты.

При формировании планет Солнечной системы происходило гравитационное распределение вещества. Более тяжелые элементы, такие как железо и никель, постепенно опускались к центру планеты. А более легкие вещества оставались ближе к поверхности.  Такие легкие каменистые вещества называют силикатами. К ним относятся соединения кремния и кислорода, из которых состоят многие горные породы на планетах земной группы. 

Поэтому у Меркурия образовалось очень крупное железно-никелевое ядро (рисунок 10). Оно занимает большую часть планеты — около $80 \%$. Его радиус составляет примерно $2000 \space км$. Плотность вещества в ядре достигает примерно $9-10 \frac{г}{см^3}$. 

Снаружи ядро окружено сравнительно тонкой силикатной мантией толщиной около $600 \space км$. Над мантией располагается кора толщиной примерно $100–200 \space км$, состоящая в основном из силикатных горных пород. 

{"questions":[{"content":"Большую часть Меркурия занимает [[fill_choice_big-17]].","widgets":{"fill_choice_big-17":{"type":"fill_choice_big","options":["железно-никелевое ядро","силикатная мантия","кора","подземный ледник"],"answer":0}}}]}

Магнитное поле Меркурия

У Меркурия существует собственное магнитное поле. При этом оно примерно в $100$ раз слабее земного. Оно образует вокруг планеты магнитосферу.

Магнитосфера — это область пространства, в которой движение заряженных частиц определяется магнитным полем планеты.

Со стороны Солнца магнитосфера Меркурия сжата солнечным ветром и простирается всего примерно на $1000–2000 \space км$ над поверхностью (рисунок 11). А на противоположной стороне она вытягивается в длинный магнитный хвост.

Откуда берется магнитное поле у планеты?
Оно возникает при движении проводящей жидкости внутри планеты. Для этого необходимы жидкое металлическое ядро, вращение планеты и движение вещества внутри ядра — конвекция. Тогда движение расплавленного металла внутри ядра создает электрические токи, формирующие магнитное поле планеты. 

Наличие магнитного поля показывает, что часть железно-никелевого ядра Меркурия остается расплавленной. Движение этого вещества создает слабое магнитное поле планеты.

{"questions":[{"content":"Магнитное поле Меркурия примерно в [[fill_choice_big-21]] раз слабее земного.","widgets":{"fill_choice_big-21":{"type":"fill_choice_big","options":["$100$","$2$","$10$","$10000$"],"answer":0}}}]}

Лед на Меркурии

Несмотря на очень высокие температуры на освещенной стороне планеты, у полюсов Меркурия обнаружены запасы водяного льда. 

Это связано с тем, что ось вращения Меркурия почти не наклонена. Она почти перпендикулярна плоскости орбиты. Поэтому солнечные лучи практически не попадают на дно глубоких полярных кратеров. В них возникает область постоянной тени (рисунок 12). Так, температура остается крайне низкой.

Из-за отсутствия атмосферы тепло туда почти не поступает, поэтому лед может сохраняться миллиарды лет. 

{"questions":[{"content":"Лед на Меркурии сохраняется в [[fill_choice_big-25]].","widgets":{"fill_choice_big-25":{"type":"fill_choice_big","options":["полярных кратерах","экваториальных пустынях","вулканах","морях"],"answer":0}}}]}

Венера

Венера — вторая планета Солнечной системы. Среднее расстояние от Венеры до Солнца составляет около $108$ миллионов километров (рисунок 13).

По размерам и массе она очень близка к Земле. Это означает, что сила тяжести на поверхности Венеры почти такая же, как на Земле. На Венере $g = 8.9 \frac{м}{с^2}$, а на Земле — $9.8 \frac{м}{с^2}$. Диаметр планеты равен примерно $12 \space 100$ километрам. Это лишь немного меньше диаметра Земли. Поэтому Венеру часто называют «сестрой Земли».

Свое название планета получила в честь древнеримской богини любви и красоты. Такое название связано с тем, что Венера является самым ярким объектом на ночном небе после Луны. Иногда ее можно наблюдать перед восходом Солнца или сразу после заката (рисунок 14). Поэтому в древности Венеру называли «утренней» и «вечерней звездой».

Однако условия на Венере совершенно не похожи на земные. Несмотря на сходство размеров, Венера является одной из самых негостеприимных планет Солнечной системы.

{"questions":[{"content":"По размерам и массе Венера очень близка к [[fill_choice_big-30]].","widgets":{"fill_choice_big-30":{"type":"fill_choice_big","options":["Земле","Меркурию","Луне","Юпитеру"],"answer":0}}}]}

Атмосфера Венеры

Главной особенностью Венеры является ее чрезвычайно плотная атмосфера. Масса атмосферы Венеры примерно в $90$ раз больше массы земной атмосферы, а давление у поверхности достигает около $9 \space МПа$. Это примерно соответствует давлению воды на глубине около $900$ метров в земном океане.

Атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа — около $96 %$. Остальную часть составляют азот и небольшие примеси других газов (рисунок 15).

В верхних слоях атмосферы Венеры находятся плотные облака серной кислоты. Именно они хорошо отражают солнечный свет. Поэтому Венера кажется такой яркой при наблюдении с Земли.

Из-за плотной атмосферы поверхность Венеры невозможно увидеть в обычный телескоп. Поэтому долгое время ученые не знали, что находится под облаками планеты.

{"questions":[{"content":"Атмосфера Венеры состоит главным образом из [[fill_choice_big-34]].","widgets":{"fill_choice_big-34":{"type":"fill_choice_big","options":["углекислого газа","азота","кислорода","водорода"],"answer":0}}}]}

Парниковый эффект и температура поверхности Венеры

Хотя Венера расположена дальше от Солнца, чем Меркурий, температура на ее поверхности значительно выше. Она достигает примерно $+470 \degree C$. Главная причина этого — мощный парниковый эффект. 

Солнечное излучение сравнительно легко проходит через атмосферу Венеры и нагревает поверхность планеты. Нагретая поверхность начинает излучать тепловую энергию в виде инфракрасного излучения. Однако плотная атмосфера, богатая углекислым газом, плохо пропускает это излучение обратно в космос (рисунок 16). 

На Венере этот процесс усиливается из-за огромной массы атмосферы. В результате устанавливается состояние, при котором планета не может эффективно терять тепло. Поэтому температура поверхности достигает значений, при которых плавятся многие металлы. Так, большинство космических аппаратов работали там всего несколько часов, прежде чем были разрушены условиями планеты.

Вы знаете, что Венера находится ближе к Солнцу, чем Земля. Но не настолько близко, чтобы это само по себе объясняло такую температуру. Главная причина экстремального нагрева — именно мощный парниковый эффект.

Важно понимать, что на Земле парниковый эффект тоже существует. И он играет важную роль. Благодаря ему средняя температура на нашей планете остается пригодной для жизни. Однако на Венере этот процесс оказался настолько сильным, что привел к экстремальному перегреву поверхности. 

{"questions":[{"content":"Главной причиной очень высокой температуры на Венере является [[fill_choice_big-38]].","widgets":{"fill_choice_big-38":{"type":"fill_choice_big","options":["мощный парниковый эффект","вулканический пепел в атмосфере","близость к Земле","слабое магнитное поле"],"answer":0}}}]}

Поверхность Венеры

Поверхность Венеры долгое время оставалась неизвестной из-за плотной облачности. Первые подробные данные о поверхности были получены в 1970–1980-х годах советскими аппаратами серии «Венера». Позже — с помощью радиолокационных исследований американского аппарата «Магеллан» в начале 1990-х годов. 

На поверхности Венеры обнаружены огромные вулканические равнины, горные области и многочисленные вулканы. Ученые считают, что вулканические процессы на Венере продолжаются уже миллионы лет (рисунок 17).

Одним из крупнейших вулканов Венеры является гора Маат. Это гигантский щитовой вулкан высотой около $8 \space км$. 

Кратеров на Венере значительно меньше, чем на Меркурии или Луне. Это связано с двумя причинами. Во-первых, плотная атмосфера частично разрушает небольшие метеориты еще до падения на поверхность. Во-вторых, поверхность Венеры сравнительно молодая и во многом была обновлена вулканической деятельностью.

{"questions":[{"content":"На поверхности Венеры обнаружены многочисленные [[fill_choice_big-42]].","widgets":{"fill_choice_big-42":{"type":"fill_choice_big","options":["вулканы","ледники","высохшие русла рек","кратеры"],"answer":0}}}]}

Особенности вращения Венеры

Венера вращается вокруг своей оси очень необычно. Большинство планет Солнечной системы вращаются в одном направлении, а Венера — в противоположном. Такое вращение называют обратным.

Кроме того, Венера вращается крайне медленно. Один оборот вокруг своей оси занимает около $243$ земных суток (рисунок 18). Это даже дольше, чем длится год на Венере, который составляет примерно $225$ земных суток. То есть, из-за этого парадокса день на Венере длится дольше, чем ее год.

Точные причины такого вращения до конца неизвестны. Предполагается, что в ранней Солнечной системе Венера могла испытать мощные столкновения с крупными телами, которые изменили направление ее вращения. Кроме того, очень плотная атмосфера Венеры также могла постепенно замедлить вращение планеты. Она создает сильное трение между слоями воздуха и поверхностью, что влияет на вращение и замедляет его.

{"questions":[{"content":"Венера вращается вокруг своей оси [[fill_choice_big-46]].","widgets":{"fill_choice_big-46":{"type":"fill_choice_big","options":["в обратном направлении","быстрее всех планет","как Земля","только летом"],"answer":0}}}]}

Внутреннее строение Венеры

У Венеры, как и у всех планет земной группы, выделяют кору, мантию и металлическое ядро (рисунок 19).

Предполагается, что железно-никелевое ядро Венеры имеет радиус около $3000 \space км$. Над ядром располагается силикатная мантия толщиной примерно $2800 \space км$. Сверху находится кора толщиной в среднем около $20–50 \space км$, состоящая из силикатных горных пород.

Средняя плотность Венеры составляет около $5.2 \frac{г}{см^3}$, что очень близко к плотности Земли.

{"questions":[{"content":"Во внутреннем строении Венеры выделяют [[fill_choice_big-50]].","widgets":{"fill_choice_big-50":{"type":"fill_choice_big","options":["ядро, мантию и кору","только ядро и кору","только ядро"],"answer":0}}}]}

Магнитное поле Венеры

В отличие от Земли, собственного сильного магнитного поля у Венеры почти нет. Считается, что это связано с очень медленным вращением планеты. Из-за этого вещество внутри ядра движется недостаточно интенсивно для формирования мощного магнитного поля.

Однако у Венеры существует слабая индуцированная магнитосфера. Она возникает при взаимодействии солнечного ветра с верхними слоями атмосферы планеты. Такая магнитосфера начинает отклонять поток солнечных частиц, но делает это неустойчиво. Из-за этого планета постепенно теряет часть легких частиц (особенно водород), а верхняя атмосфера постоянно перестраивается под воздействием Солнца.

{"questions":[{"content":"У Венеры [[fill_choice_big-53]].","widgets":{"fill_choice_big-53":{"type":"fill_choice_big","options":["нет собственного сильного магнитного поля","самое сильное магнитное поле в Солнечной системе","такое же магнитное поле, как у Меркурия","несколько магнитных полей"],"answer":0}}}]}

Земля

Земля — третья планета от Солнца. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет около $150$ миллионов километров (рисунок 20). Именно на таком расстоянии поток солнечной энергии оказывается достаточно умеренным для существования жидкой воды на поверхности планеты. 

Диаметр Земли равен примерно $12 \space 700 \space км$. По размерам и массе Земля является крупнейшей планетой земной группы. Ускорение свободного падения на ее поверхности составляет:
$g = 9.8 \frac{м}{с^2}$.

Свое название Земля получила еще в древности. В отличие от большинства планет, она названа не в честь римских богов. Название связано с древними словами, обозначающими землю, почву и сушу. Во многих древних языках этим словом называли поверхность, на которой живут люди. 

Главная особенность Земли заключается в том, что это единственная известная на сегодняшний день планета, на которой существует жизнь. Это связано с сочетанием сразу нескольких важных условий: умеренной температуры, наличия жидкой воды, атмосферы и магнитного поля.

{"questions":[{"content":"Главная особенность Земли заключается в том, что на ней существует [[fill_choice_big-57]].","widgets":{"fill_choice_big-57":{"type":"fill_choice_big","options":["жизнь","вода","атмосфера","жидкий металл"],"answer":0}}}]}

Атмосфера Земли

Атмосфера Земли представляет собой газовую оболочку, удерживаемую гравитацией. Она простирается примерно до $2000 \space км$. При этом основная ее масса сосредоточена в нижних слоях.

Атмосфера сравнительно плотная. Давление у поверхности составляет около $101 \space кПа$, или $1$ атмосферу. Состоит она главным образом из азота ($78 \%$) и кислорода ($21 \%$). Около $0.93 \%$ составляет аргон, примерно $0.04 \%$ — углекислый газ. Также в атмосфере содержатся водяной пар, неон, гелий, метан и другие газы (рисунок 21). 

Атмосфера играет огромную роль в существовании жизни на Земле.

• Она содержит кислород, необходимый большинству живых организмов для дыхания.
• Атмосфера защищает поверхность планеты от небольших метеоритов.
  При движении через плотные слои воздуха космические тела сильно нагреваются из-за трения. Так, обычно они сгорают еще до падения на поверхность.
• Атмосфера участвует в переносе тепла.
  Движение воздушных масс сглаживает перепады температур между различными областями планеты.
• Благодаря атмосфере создается умеренный парниковый эффект.
  Так, средняя температура поверхности Земли составляет около $+15 \degree C$. Без атмосферы она была бы значительно ниже.

{"questions":[{"content":"Основную часть атмосферы Земли составляет [[fill_choice_big-61]].","widgets":{"fill_choice_big-61":{"type":"fill_choice_big","options":["азот","кислород","гелий","углекислый газ"],"answer":0}},"explanation":"В атмосферном воздухе азот выступает в роли естественного разбавителя кислорода. Он поддерживает безопасное давление газов, предотвращая кислородное отравление."}]}

Слои атмосферы

Атмосферу Земли обычно делят на несколько основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу (рисунок 22). Они отличаются температурой, плотностью воздуха и происходящими в них физическими процессами. 

Самый нижний слой — тропосфера. Здесь сосредоточена основная масса воздуха и почти весь водяной пар. Это важно, потому что именно водяной пар является главным участником формирования облаков и осадков.

Температура в тропосфере понижается с высотой. Это связано с тем, что воздух нагревается в основном от поверхности Земли, а не напрямую от Солнца.

Выше находится стратосфера. Здесь температура начинает расти, потому что присутствует озоновый слой. Озон поглощает самые опасные и жесткие ультрафиолетовые лучи от Солнца, опасные для живых организмов (рисунок 23). Энергия этого излучения превращается в тепло, поэтому слой нагревается.

Еще выше расположена мезосфера, где температура снова падает. Это происходит потому, что плотность газа становится слишком низкой для эффективного поглощения солнечной энергии.

Затем идет термосфера. В этом слое температура снова резко возрастает. Но важно понимать, что здесь «высокая температура» означает высокую кинетическую энергию отдельных частиц, а не ощущаемое тепло (рисунок 24). Воздух здесь настолько разрежен, что тепло передавать почти некому и нечему.

Выше термосферы располагается экзосфера — самый внешний и наиболее разреженный слой атмосферы Земли. Здесь частицы газа находятся очень далеко друг от друга, а сама экзосфера постепенно переходит в космическое пространство.

{"questions":[{"content":"Озоновый слой находится в [[fill_choice_big-68]].","widgets":{"fill_choice_big-68":{"type":"fill_choice_big","options":["стратосфере","тропосфере","мезосфере","термосфере"],"answer":0}}}]}

Температура и вода на Земле

Земля находится в так называемой зоне обитаемости Солнечной системы. Так называют область вокруг звезды, где температура позволяет воде существовать в жидком состоянии.

На разных участках планеты температура может сильно отличаться. Например, в Антарктиде температура может опускаться ниже $-80 \degree C$. А в наиболее жарких пустынях Земли подниматься выше $+50 \degree C$. Однако средняя температура поверхности Земли составляет около $+15 \degree C$.

Наличие жидкой воды связано не только с расстоянием до Солнца (температурой), но и с атмосферным давлением. Как вы знаете, температуры кипения и замерзания вещества зависят от давления (рисунок 25). При земном атмосферном давлении вода может длительное время оставаться жидкой.

Именно сочетание расстояния до Солнца, атмосферного давления и состава атмосферы позволяет воде на большей части Земли длительное время оставаться жидкой. 

Вода обладает очень большой теплоемкостью. Это означает, что она медленно нагревается и медленно остывает. Благодаря этому океаны сглаживают перепады температур на планете и делают климат Земли более устойчивым.

{"questions":[{"content":"Около $71 \\%$ поверхности Земли занимает [[fill_choice_big-76]].","widgets":{"fill_choice_big-76":{"type":"fill_choice_big","options":["вода","суша","песок","лед"],"answer":0}}}]}

Внутреннее строение Земли

По внутреннему строению Земля состоит из коры, мантии и ядра, как и другие планеты земной группы (рисунок 26).

Средняя толщина земной коры составляет около $35 \space км$ на материках и около $5–10 \space км$ под океанами (рисунок 27). Она состоит главным образом из силикатных горных пород.

Под корой располагается мантия толщиной около $2900 \space км$. Мантия также состоит из силикатных веществ, богатых магнием и железом. Несмотря на очень высокую температуру, вещество мантии в основном находится в твердом состоянии. Однако из-за огромного давления и температуры оно способно очень медленно деформироваться и течь в течение миллионов лет. По своим свойствам мантия напоминает очень вязкое вещество, похожее на раскаленную густую смолу.

Можно подумать, что речь идет о магме, но нет. Магма — это расплавленное вещество, которое образуется лишь в отдельных участках мантии и земной коры. Именно магма может подниматься к поверхности и изливаться при извержениях вулканов (рисунок 28). Таким образом, мантия в целом не является «океаном магмы». В основном она твердая, но очень горячая и пластичная. 

В центре Земли находится железно-никелевое ядро. Его радиус составляет около $3500 \space км$. Внешняя часть ядра находится в жидком состоянии, а внутренняя — в твердом.

Средняя плотность Земли составляет около $5.5 \frac{г}{см^3}$. Это самая высокая средняя плотность среди всех планет Солнечной системы.

{"questions":[{"content":"Мантия Земли состоит из [[fill_choice_big-80]].","widgets":{"fill_choice_big-80":{"type":"fill_choice_big","options":["твердых силикатных веществ, способных очень медленно деформироваться и течь","магмы","расправленного никеля и железа","воды"],"answer":0}}}]}

Поверхность Земли

Около $71 \%$ поверхности Земли покрыто водой. Остальную часть занимают материки и острова. 

Поверхность Земли постоянно изменяется под действием воды, ветра, льда и живых организмов. Поэтому на Земле сравнительно плохо сохраняются древние кратеры. В отличие от Меркурия или Луны, рельеф нашей планеты активно разрушается и обновляется.

На Земле происходят вулканические процессы, землетрясения и движение литосферных (тектонических) плит. Движение плит связано с переносом вещества внутри мантии (рисунок 29). Горячее вещество поднимается вверх, а более холодное опускается вниз. Такой процесс называют конвекцией. Именно движение плит приводит к образованию гор, глубоководных желобов, вулканов и землетрясений.

{"questions":[{"content":"Зона обитаемости — это область вокруг звезды, где вода может существовать в [[fill_choice_big-72]] состоянии.","widgets":{"fill_choice_big-72":{"type":"fill_choice_big","options":["жидком","газообразном","плазменном","твердом"],"answer":0}}}]}

Магнитное поле Земли

У Земли существует сильное магнитное поле. Оно создается движением расплавленного вещества во внешнем жидком ядре планеты.

Магнитное поле образует вокруг Земли магнитосферу (рисунок 30). Со стороны Солнца она простирается примерно на $60 \space 000 \space км$. А с противоположной стороны вытягивается в длинный магнитный хвост.

Магнитное поле играет очень важную роль для жизни на Земле. Оно защищает атмосферу и поверхность планеты от воздействия солнечного ветра и потоков высокоэнергетических частиц.  Без этой защиты атмосфера постепенно могла бы разрушаться, как это произошло на Марсе.

{"questions":[{"content":"Магнитное поле Земли защищает планету от [[fill_choice_big-84]].","widgets":{"fill_choice_big-84":{"type":"fill_choice_big","options":["солнечного ветра","кислотных дождей","падения метеоритов","землетрясений"],"answer":0}}}]}

Полярные сияния

При взаимодействии заряженных частиц солнечного ветра с магнитным полем Земли часть частиц направляется к полюсам планеты. Там они сталкиваются с атомами и молекулами верхних слоев атмосферы.

В результате этих столкновений возникает свечение атмосферы — полярные сияния (рисунок 31). Чаще всего полярные сияния наблюдаются вблизи северного и южного магнитных полюсов Земли.

{"questions":[{"content":"Солнечный ветер в основном состоит из [[fill_choice_big-88]].","widgets":{"fill_choice_big-88":{"type":"fill_choice_big","options":["протонов, ядер гелия и электронов","ядер азота и кислорода","ядер тяжелых элементов","нейтронов и электронов"],"answer":0}}}]}

Спутник Земли — Луна

У Земли есть один естественный спутник — Луна. У Меркурия и Венеры естественные спутники отсутствуют.

Луна — одно из самых изученных небесных тел Солнечной системы. Она находится на среднем расстоянии около $384 \space 000 \space км$ от Земли (рисунок 32). При этом она совершает полный оборот вокруг планеты примерно за $27$ суток. При этом Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Это связано с тем, что ее вращение и обращение постепенно синхронизировались под действием земного притяжения. 

Считается, что Луна образовалась в результате столкновения молодой Земли с крупным небесным телом на раннем этапе формирования Солнечной системы. Удар был настолько мощным, что часть вещества земной коры и тела-ударника была выброшена в космос. Эти обломки образовали вокруг Земли диск из расплавленного и испаренного вещества. Он со временем остыл и собрался в единое небесное тело — Луну. 

Поверхность Луны покрыта большим количеством кратеров, которые образовались при падениях метеоритов. Поскольку у Луны нет плотной атмосферы, космические тела не сгорают при падении и свободно достигают поверхности. Поэтому лунный рельеф сохраняется практически неизменным миллиарды лет. 

Также Луна оказывает заметное влияние на Землю. Она вызывает приливы и отливы океанов за счет гравитационного притяжения (рисунок 33). Также она стабилизирует наклон оси вращения Земли. Благодаря этому климат на планете становится более устойчивым в длительных масштабах времени.

{"questions":[{"content":"Луна — это [[fill_choice_big-93]].","widgets":{"fill_choice_big-93":{"type":"fill_choice_big","options":["естественный спутник Земли","искусственный спутник Земли","самостоятельная планета","крупный астероид"],"answer":0}}}]}

Уникальность Земли

Особенность Земли заключается в том, что на ней одновременно существуют: атмосфера, вода в жидком состоянии и активная геологическая деятельность. Эти компоненты тесно связаны между собой и постоянно взаимодействуют. 

Атмосфера участвует в переносе тепла и влаги. Вода постепенно разрушает горные породы, переносит вещества и участвует в круговороте веществ. А движение литосферных плит и вулканическая активность постоянно изменяют поверхность планеты и возвращают вещества из недр наружу. 

Кроме того, именно на Земле сформировалась биосфера — оболочка планеты, в которой существует жизнь. Живые организмы также активно изменяют атмосферу, почвы и состав воды. Например, современный кислород в атмосфере появился благодаря деятельности древних живых организмов.

Поэтому Земля представляет собой не «застывший» космический объект, а сложную динамическую систему, в которой атмосфера, гидросфера, литосфера и живые организмы непрерывно влияют друг на друга (рисунок 34).

{"questions":[{"content":"Оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов, называется [[fill_choice_big-97]].","widgets":{"fill_choice_big-97":{"type":"fill_choice_big","options":["биосферой","литосферой","тропосферой","магнитосферой"],"answer":0}}}]}

Марс

Марс — четвертая планета от Солнца (рисунок 35). Среднее расстояние от Марса до Солнца составляет около $228$ миллионов километров. Из-за большего расстояния Марс получает значительно меньше солнечной энергии, чем Земля.

Диаметр Марса равен примерно $6800 \space км$. Это почти в $2$ раза меньше диаметра Земли. Масса планеты также значительно меньше земной, поэтому сила тяжести на ее поверхности заметно слабее:
$g = 3.7 \frac{м}{с^2}$.

Свое название планета получила в честь древнеримского бога войны Марса. Такое название связано с красноватым цветом планеты, который напоминал древним людям цвет крови и огня. Красный оттенок поверхности объясняется большим количеством оксидов железа — соединений железа с кислородом (рисунок 36). Именно они образуют на поверхности Марса тонкий слой красноватой пыли.

Марс часто называют наиболее похожей на Землю планетой Солнечной системы. На нем наблюдаются смена времен года, полярные ледяные шапки, вулканы, каньоны и следы древних рек. Однако современные условия на Марсе крайне суровы. Его атмосфера очень разрежена, климат холодный, а жидкая вода на поверхности практически отсутствует.  

{"questions":[{"content":"Красный цвет Марса связан с наличием на его поверхности [[fill_choice_big-101]].","widgets":{"fill_choice_big-101":{"type":"fill_choice_big","options":["оксидов железа","меди","золота","льда"],"answer":0}}}]}

Атмосфера Марса

Атмосфера Марса очень разрежена. Давление у поверхности составляет всего около $0.6 \space кПа$. Это примерно в $170$ раз меньше атмосферного давления на Земле.

Атмосфера Марса состоит главным образом из углекислого газа ($95 \%$). Также в ней содержатся азот, аргон и небольшие количества других газов (рисунок 37).

Из-за низкого давления и малой плотности атмосфера Марса очень слабо удерживает тепло. Кроме того, такая атмосфера почти не защищает поверхность планеты от космического излучения. Поэтому температура днем и ночью сильно различается. 

Считается, что в прошлом атмосфера Марса была значительно более плотной. На это указывают следы древних рек и озер на поверхности планеты. Ведь они могли существовать только при более высоком давлении и более теплом климате.

Со временем условия на Марсе изменились. Планета меньше Земли, поэтому внутренние процессы в ее недрах постепенно стали менее активными. В результате движение расплавленного вещества в ядре, которое могло поддерживать глобальное магнитное поле, ослабло и почти прекратилось.

То есть, одна из причин потери атмосферы — это отсутствие сильного глобального магнитного поля. Магнитное поле планеты играет роль защитного “щита”: оно отклоняет поток заряженных частиц солнечного ветра. У Марса этот щит почти исчез, поэтому солнечный ветер постепенно «сдувал» верхние слои атмосферы в космическое пространство. За миллиарды лет это привело к значительному истощению атмосферы.

{"questions":[{"content":"Атмосфера Марса состоит главным образом из [[fill_choice_big-105]].","widgets":{"fill_choice_big-105":{"type":"fill_choice_big","options":["углекислого газа","кислорода","метана","азота"],"answer":0}}}]}

Температура на поверхности Марса

Из-за разреженной атмосферы Марс плохо удерживает тепло. Атмосфера слабо поглощает и перераспределяет тепловую энергию. Поэтому дневная и ночная температуры сильно различаются (рисунок 38). Кроме того, Марс получает значительно меньше солнечной энергии, чем Земля, поскольку находится дальше от Солнца. 

Средняя температура поверхности Марса составляет около $-60 \degree C$. Однако в разных областях планеты температура может сильно изменяться. Зимой у полюсов температура может опускаться ниже $-120 \degree C$. А вблизи экватора днем поверхность иногда прогревается до $+20 \degree C$.

Это еще раз показывает, что атмосфера играет роль теплового регулятора планеты.

{"questions":[{"content":"Средняя температура поверхности Марса составляет примерно [[fill_choice_big-109]].","widgets":{"fill_choice_big-109":{"type":"fill_choice_big","options":["$−60 \\degree C$","$−200 \\degree C$","$+40 \\degree C$","$+120 \\degree C$"],"answer":0}}}]}

Пылевые бури на Марсе

Одной из характерных особенностей Марса являются мощные пылевые бури. Иногда они охватывают огромные области поверхности. А в отдельных случаях — почти всю планету.

Марсианская пыль очень мелкая и легкая. Даже слабые потоки воздуха способны поднимать ее на большую высоту. Из-за этого атмосфера во время бурь становится непрозрачной. Тогда поверхность планеты может скрываться под плотной пылевой дымкой в течение многих недель.

Пылевые бури играют важную роль в переносе тепла и вещества в атмосфере Марса. Они перемешивают нагретый и холодный воздух, перераспределяя энергию по планете.

{"questions":[{"content":"На Марсе часто случаются [[fill_choice_big-113]].","widgets":{"fill_choice_big-113":{"type":"fill_choice_big","options":["пылевые бури","кислотные дожди","азотные ураганы","цунами"],"answer":0}}}]}

Поверхность Марса и вода

На поверхности Марса обнаружено множество вулканов, равнин, древних русел рек, ударных кратеров и огромных каньонов (рисунок 39). Эти данные были получены благодаря исследованиям автоматических межпланетных станций NASA и ESA, а также орбитальных аппаратов и марсоходов (например, Viking, Mars Reconnaissance Orbiter, Curiosity, Perseverance). 

Одной из самых известных особенностей планеты является вулкан Олимп (рисунок 40). Он является крупнейшим вулканом Солнечной системы. Его высота достигает около $22 \space 500 км$. Это почти в $3$ раза выше Эвереста. Олимп образовался в результате многократных излияний жидкой лавы.

Также на Марсе находится гигантская система каньонов — долина Маринер. Ее длина превышает $4000 \space км$. А глубина в некоторых местах достигает $7 \space км$. 

На поверхности Марса хорошо заметны следы древних потоков воды. Замечены высохшие русла рек, дельты и минералы, которые обычно образуются в присутствии воды. Это говорит о том, что в далеком прошлом климат Марса был значительно более теплым и влажным. Сегодня же вода на поверхности почти не может существовать в жидком виде. При низком давлении она либо замерзает, либо быстро испаряется. 

В настоящее время вода на Марсе существует в виде льда в полярных шапках и в подповерхностном слое. Также есть данные о возможных соленых рассолах, которые могут временно появляться при определенных условиях. 

{"questions":[{"content":"Крупнейший вулкан Солнечной системы, находящийся на Марсе, — это [[fill_choice_big-118]].","widgets":{"fill_choice_big-118":{"type":"fill_choice_big","options":["Олимп","Эверест","Маринер","Маат"],"answer":0}}}]}

Внутреннее строение Марса

По внутреннему строению Марс похож на другие планеты земной группы. У него также выделяют кору, мантию и ядро (рисунок 41).

Средняя толщина коры Марса составляет около $50 \space км$. Она состоит главным образом из силикатных горных пород, богатых железом.

Под корой располагается силикатная мантия. Как и у Земли, вещество мантии очень горячее. Но в основном оно находится в твердом состоянии и способно медленно течь в течение миллионов лет.

В центре планеты находится металлическое ядро радиусом около $1800 \space км$. Предполагается, что оно состоит главным образом из железа, никеля и серы. По современным данным, часть ядра Марса может оставаться жидкой.

Средняя плотность Марса составляет около $3.9 \frac{г}{см^3}$. Это заметно меньше плотности Земли и Меркурия.

{"questions":[{"content":"Ядро, мантию и кору имеют [[fill_choice_big-122]].","widgets":{"fill_choice_big-122":{"type":"fill_choice_big","options":["все планеты земной группы","все планеты Солнечной системы","только Земля и Марс","только Венера, Земля и Марс"],"answer":0}}}]}

Магнитное поле Марса

Сегодня у Марса отсутствует мощное глобальное магнитное поле, подобное земному.

Однако исследования показали, что в далеком прошлом оно существовало. Об этом свидетельствуют остаточные магнитные свойства древних горных пород марсианской коры. Вероятно, раньше внутри Марса происходило движение расплавленного вещества, создававшее магнитное поле. Но со временем внутренние процессы в недрах планеты ослабли. В итоге ядро охладилось и перестало эффективно поддерживать это движение. Тогда глобальное магнитное поле исчезло. После этого атмосфера Марса стала значительно хуже защищена от солнечного ветра. Далее начался постепенный процесс ее потери.

{"questions":[{"content":"В прошлом у Марса [[fill_choice_big-126]].","widgets":{"fill_choice_big-126":{"type":"fill_choice_big","options":["было мощное магнитное поле","никогда не было магнитного поля"],"answer":0}}}]}

Спутники Марса

У Марса есть два небольших спутника — Фобос и Деймос (рисунок 42). Их названия переводятся как «страх» и «ужас». В древнегреческой мифологии Фобос и Деймос сопровождали бога войны Ареса, которого римляне называли Марсом.

Оба спутника имеют неправильную форму. По внешнему виду они напоминают астероиды. Предполагается, что когда-то они были захвачены гравитацией Марса.

Фобос постепенно приближается к Марсу. Через десятки миллионов лет он либо разрушится, превратившись в кольцо из обломков, либо упадет на поверхность планеты. 

{"questions":[{"content":"Спутники Марса называются [[fill_choice_big-128]].","widgets":{"fill_choice_big-128":{"type":"fill_choice_big","options":["Фобос и Деймос","Европа и Ио","Ганимед и Каллисто","Титан и Энцелад"],"answer":0}}}]}

Общие закономерности и различия планет земной группы

Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) имеют общее происхождение. Все они сформировались в одной области протопланетного диска из вещества, богатого тяжелыми элементами и соединениями. Поэтому все они состоят из твердых силикатных пород, имеют металлическое ядро, мантию и кору.

Однако при общем «строительном материале» их современное состояние сильно различается. Это связано с тем, что каждая из них по-разному расположена относительно Солнца и имеет собственные особенности развития:

• массу,
• размеры,
• скорость вращения,
• наличие или отсутствие атмосферы и внутренней геологической активности. 

Так, Меркурий оказался слишком мал, чтобы удержать атмосферу. Венера — наоборот, получила плотную атмосферу и экстремальный парниковый эффект. Марс потерял атмосферу и климатическую стабильность из-за ослабления внутренней активности и магнитной защиты. И только Земля оказалась в “зоне баланса”, где одновременно возможны океаны, стабильная атмосфера и активные геологические процессы. 

Часто задаваемые вопросы