Юпитер
Содержание
- Основные сведения о Юпитере
- Исследования Юпитера
- Атмосфера и недра Юпитера
- Большое Красное Пятно
- Температура на Юпитере
- Ионосфера и магнитосфера
- Спутники Юпитера
Основные сведения о Юпитере
Юпитер — крупнейшая планета Солнечной системы, пятая по порядку от Солнца. Расстояние Юпитера от Солнца изменяется от 4,95 до 5,45 а.е. (740—814 млн. км), среднее расстояние 5,203 а.е. (778 млн. км). Расстояние между Юпитером и Землёй колеблется от 588 до 967 млн. км (видимые угловые размеры Юпитера при этом изменяются от 50 до 30''). Эксцентриситет орбиты 0,0484, наклон плоскости орбиты к эклиптике 1°18,3'; экватор Юпитера наклонён к плоскости его орбиты на 3°5', т. е. ось вращения Юпитера почти перпендикулярна к плоскости орбиты. Период обращения Юпитера вокруг Солнца 11,862 года. Средняя скорость по орбите 13,06 км/с. Видимая величина Юпитера в среднем противостоянии около 2,3 звёздной величины (уступает в блеске только Венере и Марсу во время великого противостояния). Значение экваториального радиуса ~71 400 км до уровня верхней границы облачного слоя (при давлении атмосферы ~100 кПа), сжатие ~0,0647. Масса Юпитера 1,899×1027 кг (317,8 земной). Уточнённое значение отношения массы Солнца к массе Юпитера 1047,346 ±0,004, средняя плотность 1330 кг/м2, ускорение свободного падения на экваторе за вычетом центробежного (которое равно 2,25 м/с2) — 23,5 м/с2 (2,35 земного), первая космическая скорость на Юпитера 43,6 км/с, вторая — 61,7 км/с. Газовая оболочка Юпитера изменяет период обращения от зоны к зоне (т.н. дифференциальное вращение). Период обращения тропической зоны атмосферы 9 ч 50 мин 30 с, полярных зон — на 5 мин 11 с медленнее. Определение периода планеты по модуляции декаметрового и дециметрового излучений, связанной с вращением силовых линий её магнитного поля, даёт значение 9 ч 55 мин 29,7 с ± 0,07 с.
На видимом диске Юпитера хорошо видны тёмные и светлые полосы, параллельные экватору, получившие название поясов и зон, крупнейшие из них — тропические, оттенок их и ширина со временем изменяются. В умеренных южных широтах плавает, медленно перемещаясь по долготе (примерно 3 оборота за 100 лет), Большое Красное Пятно (БКП) — овал с максимальным поперечным размером 30—40 тыс. км. Солнечная постоянная на Юпитере 50 Вт/м2, освещённость Солнцем ~5000 лк. Болометрическое сферическое альбедо 0,42 ±0,07. Средняя наблюдаемая эффективная температура 125—135 К, к которой близка температурa наружных облачных слоев; она больше рассчитанной равновесной, равной 105 К. Заметного различия по температуре между дневной и ночной сторонами не обнаружено.
Исследования Юпитера
Начало космическим исследованиям Юпитера положено полётами американских космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11», пролетевших около планеты в 1973 и 1974 годах. По возмущениям их орбит уточнена степень сжатия планеты и определены гармоники гравитационного потенциала (до шестой включительно). Эти данные свидетельствуют в пользу жидкостной модели Юпитера, находящегося в состоянии гидростатического равновесия на всех уровнях. В марте и июле 1979 года пролёты около Юпитера осуществили космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», передавшие на Землю высококачественные телевизионные изображения планеты и нескольких её спутников. Были также проведены исследования атмосферы, облачного слоя, параметров магнитного поля, ионосферы и магнитосферной плазмы.
Атмосфера и недра Юпитера
Юпитер состоит в основном из водорода и гелия. Для большинства моделей внутреннего строения принимается, что отношение содержаний водорода и гелия (по массе) на уровне, отвечающем давлению ~100 кПа и температуре 150—175 К, примерно соответствует солнечному — 3,4:1. Граница перехода от молекулярного водорода к металлическому лежит на глубине 0,75—0,8 радиуса Юпитера Это соответствует давлению ~300 ГПа.
По современным представлениям, в центре планеты находится жидкое ядро из металлов и силикатов, окружённое ледяной оболочкой, состоящей из воды и, возможно, аммиака. Радиус центрального ядра составляет менее 0,1 радиуса Юпитера, масса — 3–4% от массы всей планеты, температурa в центральной части ядра ~25 000К, давление ~8000 ГПа. Совокупности имеющихся данных довольно хорошо соответствует модель с примерно адиабатическим температурным градиентом в недрах планеты.
Измерения с космических аппаратов подтвердили существование значительного теплового потока из недр Юпитера, хотя и меньшего, чем по данным наземных наблюдений. Таким образом, Юпитер излучает в космос приблизительно в 2 раза больше энергии, чем получает от Солнца, с чем связано превышение эффективной температуры над равновесной. Механизм генерации теплоты до конца не ясен. Вероятными источниками могут быть продолжающееся остывание, обусловливаемый гравитационным сжатием (~1 им в год) разогрев планеты, непрерывный переход молекулярного водорода в металлический либо, наконец, «осаждение» гелия из водородно-гелиевого раствора и дрейф гелия к центру планеты.
Об атмосфере Юпитера можно говорить в известном смысле условно, как о приблизительно 1000-километровом газовом слое, поскольку планета не обладает поверхностью, отделяющей твёрдую оболочку от газообразной. Давлению 100 кПа соответствует температура (165 ±5) К. В первом приближении высотный ход температуры можно охарактеризовать адиабатическим градиентом. Нижней атмосфере свойственны интенсивные вертикальные движения и крупномасштабная циркуляция. Её основные составляющие — водород, гелий; есть метан, аммиак и вода. Содержание воды определено не очень уверенно (различие достигает двух порядков — от значений 10–1 до 10–3%). Содержание CH4 составляет ~0,06%, a NH3 — менее 0,02%, хотя обе эти составляющие создают сильные полосы поглощения в спектре Юпитера Обнаружены также молекулы CO, PH3 GeH4, CH3D, HCN, C2H6, C2H2. Предполагается, что красноватые и жёлтые оттенки на диске Юпитера связаны с присутствием в атмосфере аморфного красного фосфора, водородных и аммонийных полисульфидов и серы, а также, возможно, органических соединений, образующихся под действием электрических разрядов в атмосфере.
Модель структуры атмосферы и облаков Юпитера
Цветные изображения облачного слоя, полученные с космических аппаратов («Пионер-10, 11», «Вояджер-1, 2»), дали сведения об особенностях и структуре облаков, характере движений в атмосфере Юпитера. Высота облаков различна в хорошо выделяющихся на диске планеты поясах и зонах. Расчётная модель облачного покрова включает три основных слоя. Верхний (давление 50—100 кПа) состоит из кристаллического аммиака, промежуточный — из гидросульфида аммония NH4SH, нижний (давление несколько кПа) — из кристаллов водяного льда.
Большое Красное Пятно
Большое Красное Пятно
Светлые зоны и Большое Красное Пятно характеризуются восходящими течениями. Облака в них расположены выше, их поверхностная температура ниже, чем в соседних областях поясов. На границах зон и поясов образуются встречные течения, развивается сильная турбулентность. Природа Большого Красного Пятна аналогична обнаруженным на снимках другим красным, белым, голубым пятнам меньшего размера: это метеорологические явления, представляющие собой громадные устойчивые вихри в атмосфере. Его размер — 30—40 тыс. км, что больше диаметра Земли. Вихревая структура Большого Красного Пятна, представляющего собой антициклон, отчётливо различима на снимках. Первостепенный интерес представляет вопрос о механизме подвода энергии и об удивительной стабильности таких образований.
Температура на Юпитере
Согласно данным радиоизмерений, при заходе космических аппаратов за диск Юпитера самая низкая температура в его атмосфере (80—120 К) достигается на уровне, где давление ~10 кПа. Между уровнями, соответствующими давлениям 1 и 10 кПа, лежит область температурной инверсии, и на уровне 1 кПа температура возрастает до 130—170 К. Эти данные удовлетворительно согласуются с измерениями температуры, проводившимися ИК-радиометрами. Согласно расчётам, мезосфера Юпитера в области давлений 0,1—100 Па характеризуется примерно постоянной температурой 180 К. В термосфере и экзосфере температура близка к средней электронной температуре, равной 800—1000 К. В атмосфере Юпитера примерно на уровне облаков зарегистрирована грозовая активность.
Ионосфера и магнитосфера
Юпитер обладает ионосферой, протяжённость которой превышает 3 тыс. км, а концентрация электронов составляет ~1011 частиц в 1 м3. Зарегистрированы заметные флуктуации электронной плотности. Эти нерегулярности носят изотропный характер в нижней части ионосферы, однако на более высоких уровнях обнаруживаются отклонения от равномерного распределения в пространстве, обусловленные магнитным полем планеты.
Уникальный феномен представляет магнитосфера Юпитера. При наблюдении с Земли её угловой размер составляет ~2°. На дневной стороне планеты магнитосфера простирается на 50—100 радиусов Юпитера в зависимости от флуктуации потока солнечного ветра. С ночной стороны магнитный шлейф Юпитера тянется больше чем на 5 а.е., т.е. за орбиту Сатурна.
Дипольное магнитное поле Юпитера имеет напряжённость 318 А/м на экваторе (на уровне с давлением ~100 кПа). Магнитная ось наклонена к оси вращения планеты на (10,2 ±0,6)°. Напряжённость поля у полюсов составляет 1105 А/м (у северного) и 1063 А/м (у южного). Дипольный характер магнитного поля сохраняется примерно до расстояния в 15 радиусов Юпитера, хотя заметный вклад вносят квадрупольная и октупольная составляющие. Дальше заметное влияние на конфигурацию поля оказывают заряженные частицы, захваченные магнитным полем планеты. Они вращаются вместе с планетой. В результате вокруг Юпитера образуется «магнитный диск», во внешних областях которого магнитные силовые линии, возможно, не замкнуты, а сам диск на больших расстояниях, вероятно, отклоняется от плоскости, перпендикулярной оси вращения планеты.
Магнитосфера Юпитера
Магнитосфера Юпитера во многих чертах аналогична земной, увеличенной в ~100 раз. Протоны и электроны внутри магнитосферы образуют радиационные пояса. В этих поясах генерируется дециметровое излучение Юпитера. Механизм дециметрового излучения — синхротронный; оно образуется при движении захваченных электронов в тороидальной области на расстоянии 1,5—6 радиусов Юпитера. Энергия этих электронов ~10 МэВ. В свою очередь, всплески декаметрового излучения на частоте 8 МГц, вероятно, связаны с плазменными нестабильностями ионосферы. Юпитер излучает также в метровом диапазоне радиоволн.
В магнитосфере Юпитера, представляющей собой микроаналог пульсара, происходит мощное ускорение электронов, которые проникают до орбиты Земли. Их энергия 3—30 МэВ. Как внутри, так и вне магнитосферы потоки ускоренных электронов характеризуются ~10-часовой периодичностью, которая соответствует периоду вращения Юпитера. Это даёт основание предполагать, что найденные вариации отражают взаимодействие солнечной плазмы с магнитосферой Юпитера.
Радиационное излучение Юпитера настолько сильно, что космический аппарат «Галилео», сблизившись с ним получил дозу радиации в 25 раз превышающую смертельную для человека.
Спутники Юпитера
Галилеевы спутники Юпитера: Европа, Ганимед, Ио и Каллисто
В 2017 году было известно 69 спутников Юпитера (на конец 1983 года — 15). Четыре самых крупных (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто) открыты в 1610 году Галилеем и называют галилеевыми. В либрационных точках орбиты Юпитера движутся астероиды (9 впереди и 5 позади Юпитера) — «троянцы». Юпитер оказывает сильное возмущающее воздействие на периодические кометы, движущиеся по вытянутым орбитам между Солнцем и внешними областями Солнечной системы. У Юпитера обнаружено кольцо, внешний край которого находится на расстоянии 55 тыс. км от верхней границы облаков. Ширина кольца ~6 тыс. км, толщина ~1 км; оно состоит из частиц, обладающих низким альбедо, диапазон размеров которых оценивается от нескольких микрометров до нескольких метров.
По результатам пролётов космических аппаратов получены следующие отношения масс галилеевых спутников к массе Юпитера и значений их диаметров:
Некоторые параметры спутников Юпитера |
||
Спутник | Отношение массы к массе Юпитера | Диаметр, км |
Ио | (4,684 ±0,022)×10–5 | 3640 ±30 |
Европа | (2,523 ± 0,025)×10–5 | 3130 ±30 |
Ганимед | (7,803 ± 0,030)×10–5 | 5280 ±30 |
Каллисто | (5,661 ± 0,019)×10–5 | 4840 ±30 |
Плотности спутников последовательно убывают с ростом расстояния от Юпитера: 3530 кг/м3 (Ио), 3030 кг/м3 (Европа), 1930 кг/м3 (Ганимед), 1790 кг/м3 (Каллисто). Это отражает особенности их внутреннего строения: Ио целиком состоит из «скальных» пород, в то время как Европа на 20%, Ганимед на 40% и Каллисто почти наполовину состоят из водяного льда. На Ио открыта сильная вулканическая деятельность. Современный активный вулканизм, вероятно, объясняется приливной диссипацией энергии из-за наличия соизмеримостей в движении галилеевых спутников в гравитационном поле Юпитера. Зарегистрированы мощные выбросы серы из вулканов (на высоту до 250 км со скоростью 1 км/с); толстый (в несколько километров) слой серы и двуокиси серы предположительно покрывает поверхность Ио, придавая ему красно-оранжевую окраску. Поверхность Европы ледяная, выровненная, с многочисленными широкими протяжёнными трещинами. Поверхности Ганимеда и Каллисто также в основном ледяные, с обширными отложениями и выходами тёмного материала, сильно кратерированные (особенно Каллисто); в формировании наблюдаемых структур значительную роль, по-видимому, играла в прошлом тектоническая деятельность.
У Ио обнаружены атмосфера и ионосфера, состоящая в основном из ионов серы и натрия, а вдоль орбиты спутника образуется газовый тор. Ионосфера, очевидно, создаётся за счёт ударной ионизации атмосферных атомов, заряженных частицами магнитосферы Юпитера. В свою очередь, сами спутники вносят заметное возмущение в магнитосферу: ионосфера Ио вызывает модуляцию радиоизлучения Юпитера. Между тором Ио и магнитосферой Юпитера в полярных областях образуются сильные электрические поля, приводящие к ускорению заряженных частиц и их высыпанию в атмосферу Юпитера с возникновением полярных сияний, сопровождаемых мощными водородными эмиссиями.