Юпитер - Астрономические сведения

Общие сведения

Юпитер отдалён о т Солнца на 778,3 млн. км (5,2 а.е.), его экваториальный диаметр - 143 тыс. км, что в 11 раз превышает земной. Юпитер представляет собой гигантский газовый шар, диаметр которого в десять раз превышает диаметр Земли, составляя одну десятую диаметра Солнца. Его масса равна 0,1% массы Солнца, а химический состав (по числу молекул) очень близок к составу Солнца: 90% водорода (находящегося на Юпитере в молекулярной форме) и 10% гелия. Вокруг своей оси он, в среднем, обращается за 10 часов. Причём, так как Юпитер не является твёрдым шаром, а состоит из газа и жидкости, то экваториальные его части быстрее вращаются, чем приполярные области, как это наблюдается у Солнца и других газовых планет. По той же причине Юпитер заметно сжат у полюсов. Ось вращения планеты почти перпендикулярна орбите. Следовательно, на Юпитере нет смены времён года.

Среди следовых газов наиболее существенны водяной пар, метан и аммиак. Под слоем облаков нет никакой твёрдой поверхности. Вместо этого ниже внешних слоёв наблюдается (при увеличении давления с глубиной) постепенный переход от газа к жидкости. Затем следует резкий переход к металлической жидкости, в которой атомы лишены электронов.

В самом центре, возможно, имеется маленькое ядро, остоящее из твёрдых пород и льда. Наличие источника внутренней энергии (тепло, выделившееся в результате гравитационного коллапса при образовании Юпитера) позволяет планете излучать в 1,5 - 2 раза больше тепла, чем она получает от Солнца. При визуальных наблюдениях диск Юпитера кажется пересечённым чередующимися светлыми зонами и тёмными поясами. Согласно данным, полученным четырьмя космическими зондами, пролетевшими мимо Юпитера в 1973 - 1981 гг. ("Пионер-10 и -11, "Вояж-1 и -2, и АМС "Галилео, внутри этих полос наблюдается очень сложная система потоков. В каждом полушарии имеется пять или шесть таких полос, по направлению совпадающих с ветровыми течениями.

В строении своем Юпитер имеет сходство с небольшой звездой Внутреннее давление в его недрах может достигать 100 миллионов атмосфер. Магнитное поле Юпитера огромно, даже в сравнении с величиной самой планеты - оно простирается на миллионы километров. Если магнитосфера его была бы видима, она имела бы при рассмотрении с Земли угловой размер равный лунному.

Относительно долговечными деталями планеты являются белые или цветные овалы. Наиболее известная и самая заметная из таких деталей Большое красное пятно, которое наблюдается уже около 300 лет. Происхождение этой детали точно не известно. Согласно одной из распространённых теорий утверждается, что она является огромным антициклоном. Цветные облака находятся в самых высоких слоях Юпитера (их глубина составляет около 0,1-0,3% радиуса планеты). Происхождение их окраски тоже остаётся тайной, хотя, по-видимому, можно утверждать, что она связана со следовыми составляющими атмосферы и свидетельствует о происходящих в ней сложных химических процессах. Цвет облаков коррелирует с высотой: синие структуры - самые глубокие, над ними лежат коричневые, затем белые.

Красные структуры - самые высокие. Зонд с АМС "Галилео" в 1995 г. парашютировал сквозь верхние слои атмосферы Юпитера, передавая данные относительно состава и физических условий среды. Наземные наблюдения места вхождения зонда показали, что оно, по-видимому, было относительно свободно от облаков. Этим можно объяснить, почему не было получено почти никаких подтверждений существования ожидаемых трёх слоёв облаков (состоящих на самых больших высотах из кристаллов аммиака, гидросульфида аммония в середине, а внизу - из водяных и ледяных кристаллов). Скорость ветра, достигающая 530 км/час, оказалась даже больше, чем ожидалось. В то же время содержание гелия составило только около половины ожидаемого. Вероятное объяснение этого явления - увеличение концентрации гелия к центру планеты.

Сопровождаемый своими спутниками и огромной сложной атмосферой, Юпитер обращается вокруг Солнца почти за 12 лет, являясь ближайшей к нему планетой-гигантом. Атмосфера его изобилует молниями и гигантскими вихрями, такими, как Большое Красное Пятно. Со своей системой спутников Юпитер подобен миниатюрной Солнечной системе, но хотя Юпитер и похож по своему химическому составу на звёзды, он не сияет, подобно Солнцу. Масса Юпитера составляет только одну восьмидесятую долю от необходимой для образования звезды. Меньшее значение массы не позволяет недрам Юпитера разогреться до нужной температуры.

Зонд обнаружил также интенсивный радиационный пояс. Предположение о существовании слабого кольца вокруг Юпитера было впервые высказано на основании данных, полученных "Пионером-11" в 1974 г. После проведенного "Вояджером" непосредственного фотографирования это предположение подтвердилось. Основная часть кольца лежит на расстоянии 1,72 - 1,81 радиуса от центра планеты. Исходя из характеристик кольца можно допустить, что оно состоит, главным образом, из частиц микронных размеров. Постоянным источником пополнения кольца могут быть движущиеся по орбите объекты размером с булыжник, постоянно бомбардируемые быстрыми частицами.

Однако Юпитер и без того сильно влияет на небесные тела Солнечной системы. Некоторые спутники Юпитера, вероятно, являются астероидами, захваченными гравитационным притяжением гиганта. Пути неосторожно приблизившихся малых планет и комет по тем же причинам искажаются, что иногда приводит к катастрофическим последствиям. Кометы-неудачники могут быть выброшены Юпитером из Солнечной системы, либо пойманы им в смертельную ловушку, как это случилось с кометой Шумейкера-Леви-9 в 1994-м году.

В настоящее время известно шестнадцать естественных спутников, вращающихся вокруг Юпитера. Они разделяются на четыре группы. По круговым орбитам в экваториальной плоскости движутся четыре маленьких внутренних спутника (Метида, Адрастея, Амальтея и Теба) и четыре больших галилеевых спутника (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто). Третья группа (Леда, Гималия, Лиситея и Элара) - маленькие спутники на круговых орбитах, наклонённых под углом 25° - 29° к экваториальной плоскости и лежащих на расстоянии 11 - 12 млн. км от Юпитера. Внешняя группа (Ананке, Карме, Пасифе и Синопе) - маленькие спутники с обратным движением по орбитам. Эти орбиты являются относительно вытянутыми эллипсами с существенным наклонением к экваториальной плоскости и лежат на расстоянии 21 - 24 млн. км от Юпитера. Четыре галилеевых спутника и их движения по орбите можно легко увидеть в маленький телескоп или бинокль.
Юпитер - одна из планет, видимых невооруженным глазом, и путь её по ночному небу был наблюдаем тысячи лет. В 1610-м году, итальянский астроном Галилео Галилей обнаружил четыре самых больших спутника планеты: Ио, Европу, Ганимед, и Каллисто, известные также как Галилеевы спутники. Это было одно из самых ранних астрономических открытий, сделанных с телескопом. Оно сыграло свою роль, добавив уверенности сторонникам гелиоцентрической системы мира. В те далёкие дни борьба мировоззрений была очень остра.

В течение последующих лет, с улучшением телескопов, становились известными и размер планеты, и существование Большого Красного Пятна, которое представлялось, по началу, островом в гигантском море на поверхности Юпитера. Земная астрономия всегда продолжала совершенствоваться, мы достигли истинного понимания некоторых "поверхностных" явлений (изменений в расположении деталей, их размеров, цвете), считая их уже атмосферными, а не относящимися к вовсе несуществующей твёрдой поверхности.

С приходом радиоастрономии в науку (а именно в 1955-м году), мы обнаружили, что Юпитер - источник устойчивого высокочастотного радиошума, указывающего на электрическую деятельность гиганта. Юпитер изучается во всех длинах волн. Внизу Вы видите сравнение снимков Юпитера в тепловых и видимых лучах.

Радиоизлучение Юпитера, обнаруженное в 1955г., послужило первым признаком наличия у него сильного магнитного поля, которое в 4000 раз сильнее земного. Следовательно, магнитосфера Юпитера в 100 раз больше земной. Закручивание электронов вокруг силовых линий порождает радиоизлучение, причём задержанные около планеты электроны дают синхротронное излучение в диапазоне дециметровых волн. Декаметровое излучение, наблюдаемое только от некоторых областей планеты, связано с взаимодействием ионосферы Юпитера со спутником Ио, орбита которого проходит внутри огромного плазменного тора. Это взаимодействие порождает также полярные сияния. Обнаруженное "Вояджерами" излучение в километровых длинах волн возникает в высоких широтах планеты и в плазменном торе.

В марте 1972-го года была запущена АМС "Пионер 10", для наблюдения пояса астероидов и Юпитера. Долетев до Юпитера в декабре 1973-го года, "Пионер 10" обнаружил интенсивное излучение, исходящее от Юпитера, огромное магнитное поле, предполагающее наличие проводящей ток жидкости в недрах планеты.

 Годом позже, однотипный космический аппарат "Пионер 11", пролетал Юпитер на своём пути к Сатурну и передал даже более подробные изображения гигантской планеты. Изучая данные, полученные этим аппаратом, учёные впервые заподозрили наличие у Юпитера колец.

31 марта 1997-го года был выключен космический аппарат "Пионер 10", который ещё в 1973-м году первым преодолел пояс астероидов и достиг Юпитера. В 1983-м году он пересёк орбиту Нептуна - самой далекой на тот год планеты от Солнца - и направился к границам Солнечной системы. Находящееся в исправности оборудование "Пионера 10" питалось энергией распада помещённых на спутник радиоактивных веществ. Теперь этот источник иссяк. "Пионер 10" был выключен с расстояния в 9 световых часов, через 25 лет после запуска.

В августе и сентябре 1977-го года, были запущенны два "Вояджера" для изучения внешней части Солнечной системы. "Вояджеры" побывали возле Юпитера в 1979-м году, подарив нам поразительные, красивые изображения царя планет, обнаружив тысячи деталей, до тех пор неизвестные. "Вояджеры" поведали нам, что процессы в атмосфере Юпитера - несоизмеримо более грандиозные подобия тех же явлений земной атмосферы. "Вояджеры" подтвердили догадки о кольцах планеты. Юпитер - третья планета, у которой открыли кольца.

 Запущенный в октябре 1989-го года с основной задачей изучения Юпитера, космический аппарат "Галилео" вернулся к Земле 8 декабря 1990-го года для совершения обычного гравитационного манёвра. После он направился к астероиду Гаспра, потом повстречался с другим астероидом - Идой, откуда уже попал в систему Юпитера. "Галилео" был нацелен на самые разнообразные исследования как самой планеты, так и её спутников. В 1995-м году от аппарата отделился специальный зонд, предназначенный для изучения атмосферы Юпитера. На рисунке  вы видите красивое изображение, на котором запечатлен момент покорения планеты этим зондом.

Образование Юпитера

Юпитер хранит ключи от многих тайн Солнечной системы. Около 4, 5 млрд. лет тому назад, когда Солнечная система формировалась из вращающегося облака газов и пыли, ядро Юпитера, вероятно, зарождалось из льда и камней общей массой, превышающей в 15 раз земную. Давление солнечного света выталкивало атомы лёгких газов (водорода и гелия) из внутренней по отношению к орбите Юпитера части Солнечной системы, а притяжение больших ледяных ядер нашего гиганта и зарождавшегося по соседству Сатурна постаралось собрать эти атомы возле себя. Из гелия и водорода, в основном, и состоит атмосфера Юпитера сегодня. Юпитер "оброс" самой большой атмосферой среди всех планет, так как центральное внутреннее ядро его раньше достигло необходимой массы. Лик Юпитера, который мы видим, - это верхние слои его атмосферы.

Химический состав, физические условия и строение Юпитера

Если не считать его ядра, Юпитер на 90% - водород и на 10% - гелий по количеству атомов, и в соотношении 3 к 1-му - по массе. В атмосфере обнаружены метан, вода, аммиак и многие другие вещества. В ядре планеты преобладающими являются тяжёлые элементы, в основном, вода. Огромная атмосфера Юпитера создаёт и огромное давление. Оно увеличивается при приближении к центру планеты. В таких экстремальных условиях газы в атмосфере находятся в необычных состояниях. Находящийся достаточно глубоко водород под давлением атмосферы, возможно, сформировал слой в жидком металлическом состоянии. Это - и не океан, и не атмосфера. Такой слой водорода должен иметь свойства, которые не укладываются в наше привычное понимание.

В отличие от простого газообразного водорода, жидкий металлический водород способен проводить электрический ток. Устойчивый радиошум и сильное магнитное поле Юпитера излучаются как раз этим слоем металлической жидкости. При удалении от ядра планеты, когда мы можем без сомнения считать, что речь идёт об атмосфере, мы увидим, что газы ведут себя более знакомым образом, перемещаясь в общих планетных циркуляциях, управляемых изначально вращением планеты. Полагают, что Юпитер имеет три слоя облаков в своей атмосфере. Наверху - облака из оледеневшего аммиака. Под ними - облака кристаллов сероводорода аммония, а в самом низком слое - собираются водяной лёд и, возможно, жидкая вода.

Атмосферам Юпитера и других газовых планет свойственны ветры больших скоростей, дующие в пределах широких полос, параллельных экватору планеты. В смежных полосах на Юпитере ветра направлены в противоположные стороны. Эти полосы различимы даже в небольшой телескоп. Ветры на Юпитере достигают скорости 500 км в час. Изучение атмосферы позволило сказать, что ветры эти также существуют в более низких её слоях, вплоть до тысячи километров от внешних облаков. Из этого сделан вывод, что они управляются не энергией излучения Солнца, а внутренним теплом планеты, в то время как на Земле все происходит наоборот.

В атмосфере Юпитера возникают чудовищные бури и вихри, одним из которых и является Большое Красное Пятно, замеченное с Земли более 300 лет назад. Большое Красное Пятно (БКП) - овал размером 12 000 на 25 000 км, т.е. это достаточно большая область для того, чтобы вместить в себя две Земли. Исследования, проведённые в ИК-диапазоне,¬и визуальные наблюдения движений в самом вихре указывают на то, что он - область высокого давления, т.е. антициклон. Облака Пятна расположены значительно выше и более холодны, чем облака вокруг. Схожие структуры обнаружены на Сатурне и Нептуне. До сих пор неизвестно, как они могут существовать так долго.

Как возникают такие красочные явления - также неизвестно, но учёные полагают, что они обусловлены потоками разогретых газов из недр планеты. Цвета потоков и прочих облаков, вероятно, вызваны их химическим составом. Например, хотя количество углерода в атмосфере Юпитера очень невелико, атомы этого вещества легко объединяются с атомами водорода и кислорода, образуя целый ряд газов, таких, как угарный, метан и другие органические соединения, вносящие разнообразие цветов. Оранжевые и коричневые цвета в облаках Юпитера могут быть соотнесены с органическими соединениями, включающими в себя серу и фосфор.    

Долгоживущий Белый Овал в атмосфере Юпитера в фиолетовых лучах. Этот вихрь образовался в 30-х годах уходящего столетия к югу от Большого Красного Пятна. С востока на запад он имеет размер 9 000 км и дрейфует вместе с другими подобными циклонами в направлении преобладающих вокруг него ветров. К югу (т. е. ниже) можно заметить меньший вихрь со своими циклоническими рукавами. Он движется со скоростью 0,4° в день относительно большего  соседа. Взаимодействие между двумя вихрями породило своеобразный рисунок из облаков в  атмосфере. Размер минимальных видимых деталей на  снимке  -  десятки  километров. Изображение получено 19-го февраля 1997-го года аппаратом "Галилео".

Вверху в виде темных пятен, выстроившихся в  линию  в  южном полушарии планеты, видны следы столкновения частей кометы  Шумейкера-Леви 9 (слева направо: части С, А, Е). Эта пара  изображений получена несколько часов спустя после падения части Е, 17-го  июля 1994-го года. Пятна перемещались вместе с ветрами в  атмосфере Юпитера. Особенно темными  пятна  кажутся  на  снимке  справа,  в ультрафиолете, потому что кометные осколки оставили  в  атмосфере частицы пыли и газ, поглощающие ультрафиолет.  Все  это  вещество медленно оседало со временем в более нижние слои облаков.Внизу представлено то же полушарие 12-13 дней спустя.  Пятна расползлись вдоль линий широт, по направлениям ветров.

Благодаря содействию профессора Виктора Тейфеля из Лаборатории физики Луны и планет Астрофизического института им.В.Г.Фесенкова в Казахстане, мы можем представить здесь две фотографии Юпитера. Снимки получены с метровым телескопом в 1997-м году.

Кольца Юпитера

Из-за препятствий, создаваемых атмосферой и магнитным полем планеты, частицы колец вряд ли остаются в них долго. Вероятность того, что наблюдаемое теперь кольцо - остаток некогда более внушительного, - невелика. Слишком много времени прошло с тех пор, как возникла планета. Это значит, что кольца должны непрерывно пополняться. Небольшие спутники Метис и Адрастея, чьи орбиты лежат в пределах колец, - очевидные источники таких пополнений.

Магнитосфера

Юпитер имеет огромное магнитное поле, значительно превышающее по напряжённости Земное. Магнитосфера Юпитера простирается на 650 млн. км за орбиту Сатурна! Но в направлении Солнца оно почти в 40 раз меньше. Даже на таком расстоянии от себя Солнце показывает, кто, на самом-то деле, в доме хозяин. Таким образом, форма магнитосферы Юпитера, как и других планет, далека от сферической.

Спутники Юпитера лежат в области влияния поля, и это, возможно, объясняет относительно недавно открытую вулканическую деятельность Ио. Напомним, что магнитное поле захватывает заряженные частицы, летящие от Солнца (этот поток называют солнечным ветром), образуя радиационные пояса. Присутствие в таких областях незащищённого специальными средствами живого существа было бы для последнего губительным. Для космических аппаратов такая обстановка создаёт большие проблемы. Магнитное поле мешает работать приборам, и само по себе, и захваченными им частицами. С этим часто сталкиваются в настоящее время. Поле Юпитера очень сильно. "Галилео", при изучении атмосферы планеты, обнаружил радиационный пояс, приблизительно в 10 раз мощнее земного, между кольцом Юпитера и самыми верхними атмосферными слоями.