Любая из планет-гигантов, состоящих преимущественно из водорода и гелия (Юпитер и Сатурн) и льда (Уран и Нептун), превосходит по массе все планеты земной группы, вместе взятые. Крупнейшая планета Солнечной системы — Юпитер — в 11 раз по диаметру и в 300 с лишним раз по массе больше, чем Земля. Все планеты-гиганты имеют мощные протяжённые атмосферы, состоящие в основном из молекулярного водорода и содержащие также гелий (от 6 до 15% по объёму), метан, аммиак, воду и некоторые другие соединения, в том числе более сложные. Сжатие этих планет, которое заметно даже на первый взгляд, вызвано их быстрым вращением вокруг оси. Характерно, что экваториальные области планет-гигантов вращаются быстрее, чем области, находящиеся ближе к полюсам. На Юпитере различие периодов вращения на разных широтах составляет около 6 мин, а на Сатурне превышает 20 мин.

Наиболее изученным среди планет-гигантов является Юпитер, на котором даже в небольшой телескоп видны многочисленные тёмные и светлые полосы, тянущиеся параллельно экватору планеты. Так выглядят облачные образования в его атмосфере, на уровне которых давление примерно такое же, как у поверхности Земли. Красновато-коричневый цвет полос объясняется, видимо, тем, что, помимо кристалликов аммиака, составляющих основу облаков, в них содержатся различные аэрозольные примеси, в частности соединения серы и фосфора. На снимках, полученных космическими аппаратами, видны следы интенсивных атмосферных процессов. В целом ряде случаев они имеют устойчивый характер. Так, один из атмосферных вихрей, получивший название Большое Красное Пятно, наблюдается на Юпитере уже свыше 350 лет (см. рис. 1 на цветной вклейке VII). В земной атмосфере циклоны и антициклоны существуют в среднем около недели. Атмосферные течения и облака зафиксированы космическими аппаратами и на других планетах-гигантах, хотя развиты они в меньшей степени, чем на Юпитере (см. рис. 1, 2 на цветной вклейке X).

Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, поэтому там очень холодно. Температура в атмосфере Юпитера на уровне облачного слоя составляет всего 134 К (около –140 °С), Сатурна — 97 К, а на Уране и Нептуне она не превышает 60 К. Такая температура установилась на планетах не только за счёт энергии, приходящей от Солнца, но и благодаря потоку энергии из их недр. Вероятно, источником энергии является гравитационная дифференциация недр — опускание к центру планеты более тяжёлых веществ, а также радиоактивный распад некоторых элементов. На Юпитере, Сатурне и Нептуне поток энергии из недр существенно больше потока солнечной энергии, но на Уране он практически отсутствует. Вместе с данными о химическом составе планет эти сведения позволяют рассчитать физические условия в их недрах — построить модели внутреннего строения планет-гигантов. Согласно такой модели для Юпитера температура в его центре составляет около 30 000 К, давление достигает 8•1012 Па, а для Нептуна — 7000 К и 6•1011 Па. Расчёты показывают, что по мере приближения к центру планеты водород вследствие возрастания давления должен переходить из газообразного в газожидкое состояние — так называют состояние вещества, при котором сосуществуют его газообразная и жидкая фазы. Когда при дальнейшем приближении к центру давление в миллионы раз превысит атмосферное давление, существующее на Земле, водород приобретает свойства, характерные для металлов. Металлическую фазу водорода удалось получить в лабораторных условиях на Земле. В недрах Юпитера металлический водород вместе с силикатами и металлами образует ядро, которое по размерам примерно в 1,5 раза, а по массе в 10—15 раз превосходит Землю.

Согласно моделям внутреннего строения Урана и Нептуна над ядром такого же состава должна находиться мантия, представляющая собой смесь водяного и аммиачно-метанового льда. Расчёты показывают, что даже при температуре в несколько тысяч градусов и высоком давлении смесь воды, метана и аммиака может образовывать твёрдые льды. Поэтому эти две планеты иногда называют «ледяными гигантами», в отличие от «газовых гигантов» — Юпитера и Сатурна.

Все планеты-гиганты обладают магнитным полем. Магнитное поле Юпитера значительно сильнее земного, поэтому его радиационные пояса значительно превосходят земные, а магнитосфера, которая по своим размерам в 10 раз превосходит диаметр Солнца, охватывает четыре крупнейших спутника. Движение заряженных частиц в радиационных поясах Юпитера порождает его мощное радиоизлучение в дециметровом и декаметровом диапазонах. Космические аппараты зарегистрировали в атмосфере Юпитера очень сильные разряды молний, а также мощные полярные сияния на Юпитере и Сатурне.

Данные о природе и химическом составе спутников планет-гигантов, полученные в последние годы с помощью космических аппаратов, стали ещё одним подтверждением справедливости современных представлений о происхождении тел Солнечной системы. В условиях, когда водород и гелий на периферии протопланетного облака почти полностью вошли в состав планет-гигантов, их спутники оказались похожими на Луну и планеты земной группы. Все эти спутники состоят из тех же веществ, что и планеты земной группы, — силикатов, оксидов и сульфидов металлов и т. д., а также водяного (или водно-аммиачного) льда. Относительное содержание каменистых и ледяных пород у отдельных спутников различно.

На поверхности многих спутников помимо многочисленных кратеров метеоритного происхождения обнаружены также тектонические разломы и трещины их коры (см. цветную вклейку VIII) или ледяного покрова (рис. 4.15). Самым удивительным оказалось открытие на ближайшем к Юпитеру спутнике Ио около десятка действующих вулканов (см. цветную вклейку IX). Высота выброса при крупнейшем из этих извержений составила около 300 км, а его источником была вулканическая кальдера размером 24 × 8 км. Продолжительность большинства извержений превысила четыре месяца. Таким образом, первое достоверное наблюдение вулканической деятельности за пределами нашей планеты позволяет считать Ио наиболее вулканически активным объектом среди всех тел планетного типа. На спутнике Урана — Миранде — видны уникальные структуры поверхности (см. рис. 1 на цветной вклейке XI). Их возникновение связано, видимо, с мощными ударными процессами, которые могли привести к разрушению спутника. Многие спутники планет-гигантов имеют небольшие размеры и неправильную форму (см. рис. 1 на цветной вклейке VIII, рис. 4.16).

Атмосфера, состоящая в основном из азота, обнаружена у Титана (диаметр около 5000 км) — самого большого среди спутников Сатурна — и Тритона, который имеет диаметр примерно 2700 км и является наиболее крупным спутником Нептуна. По плотности и давлению у поверхности атмосфера Титана превосходит земную. На Тритоне и крупнейшем среди спутников Юпитера — Ганимеде, диаметр которого превышает 5000 км, замечены ледяные полярные шапки (см. рис. 2, 3 на цветной вклейке XI).

Особенно интересные результаты были получены в ходе продолжавшихся несколько лет исследований Титана автоматической станцией «Гюйгенс», совершившей посадку на его поверхность 14 января 2005 г. Многократные измерения во время спуска на парашюте, который продолжался 2,5 ч, показали, что атмосфера Титана содержит 98,4% азота (N2) и 1,6% метана (CH4). Другие газы, главным образом углеводороды — этан (C2H6), пропан (C3H8) и ацетилен (C2H2), — присутствуют в незначительных количествах. Вблизи поверхности содержание метана возрастает до 5%.

На равнине, где опустился аппарат, оказалось множество округлых камней, похожих на крупную гальку. Поперечник наибольшего из них достигал 15 см. Выяснилось, что эти камни состоят из водяного льда, который при низкой температуре (на поверхности Титана –180 °С) приобретает твёрдость камня. Жидкостью, насыщающей грунт, оказался метан. Хорошо известный на Земле природный газ из-за низкой температуры перешёл в жидкое состояние.

Титан, с одной стороны, сильно отличается от всех ранее изученных планет и спутников, но, с другой стороны, в его природе можно заметить определённое сходство с природными процессами на нашей планете. В частности, это практически полное отсутствие метеоритных кратеров, столь характерных для большинства планетных тел. Эта же особенность присуща и Земле, где следы древних столкновений с метеоритами стёрты активными геологическими процессами, а также водной и атмосферной эрозией. Интересно также, что основной компонент атмосферы на Земле и Титане одинаков — азот. Такой атмосферы пока не обнаружено больше ни на одном другом объекте в Солнечной системе.

Титан оказался вторым после Земли небесным телом, на поверхности которого обнаружены крупные стабильные резервуары жидкости — озёра и моря. Внешне они напоминают водоёмы на земном шаре, хотя и заполнены жидким метаном. Чрезвычайно низкая температура полностью исключает возможность существования жидкой воды на поверхности Титана. Вместе с тем происходящий на спутнике Сатурна круговорот метана аналогичен круговороту воды на Земле. Из недр газообразный метан попадает в атмосферу при вулканических и тектонических процессах. Затем он частично превращается в другие углеводородные соединения под воздействием солнечных лучей, а частично конденсируется в облака, из которых капельки жидкого метана выпадают мелким дождём на поверхность. Стекая в низкие регионы, метан образует озёра и моря. С поверхности этих резервуаров он вновь испаряется, поступая в атмосферу и участвуя в дальнейшем круговороте.

Исследования, проведённые с помощью космических аппаратов, показали, что, кроме множества спутников, все планеты-гиганты имеют ещё и кольца. С момента своего открытия в XVII в. кольца Сатурна (см. рис. 2, 3 на цветной вклейке VII) долгое время считались уникальным образованием в Солнечной системе, хотя некоторые учёные высказывали предположения о наличии колец у Юпитера и других планет-гигантов. Уже в XIX в. в работах Джеймса Максвелла и Аристарха Аполлоновича Белопольского было доказано, что кольца не могут быть сплошными. «Исчезновения» колец Сатурна, которые случались примерно через 15 лет, когда Земля оказывалась в плоскости этих колец, можно было объяснить тем, что толщина колец мала. Постепенно стало очевидно, что кольца Сатурна представляют собой скопления небольших по размеру тел, крупных и мелких кусков, которые обращаются вокруг планеты по почти круговым орбитам. Все они так малы, что по отдельности не видны. Благодаря большому количеству частиц кольца кажутся сплошными, хотя сквозь кольца Сатурна, например, просвечивает и поверхность планеты, и звёзды (см. рис. 3 на цветной вклейке X). Даже эти наиболее заметные кольца при общей ширине порядка 60 тыс. км имеют толщину не более 1 км. Снимки, сделанные с КА «Вояджер», показывают их сложное строение.

Кольца всех остальных планет-гигантов, включая Юпитер (рис. 4.17), значительно уступают по размерам и яркости кольцам Сатурна. На снимках заметно, что в кольцах Нептуна вещество распределено неравномерно и образует отдельные сгущения — арки (рис. 4.18).

Вероятнее всего, кольца планет-гигантов образовались из вещества существовавших прежде спутников, которые затем разрушились под действием приливных сил и при столкновениях между собой. Таким образом, мы наблюдаем определённый этап эволюционного процесса, который происходит в течение уже нескольких миллиардов лет.