Лекція 6 Планети-гіганти. Фізичні та орбітальні характеристики. Супутники планет. Кільця планет. Карликові планети

План

1. Загальні відомості про планети-гіганти

2. Юпітер

3. Сатурн

4. Уран

5. Нептун

6. Карликові планети

1. Загальні відомості про планети-гіганти

До планет-гігантів Сонячної системи належать Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун, що розташовані за межами кільця малих планет. Порівняно з планетами земної групи (внутрішніми) вони мають великі розміри й маси, унаслідок чого в їхніх надрах тиск значно вищий, більш низька середня густина, що наближається до серед­ньої Сонячної - 1, 43 г/см³, швидке обертання і велика кількість супутників.

Дуже низька середня густина і специфічний хімічний склад їхніх атмосфер свідчать про те, що вони складаються з речовини, подібної до сонячної, тобто здебільшого з водню і гелію. Значний тепловий потік, що виходить з Юпітера, указує на високу тем­пературу в його надрах - до 20 тис. градусів. Такий потік тепла свідчить про існування в надрах Юпітера і Сатурна конвективного перемішування тепла. У надрах панує колосальний тиск, що наба­гато перевищує 2,5 млн бар, за якого молекулярний водень пере­ходить до металевої фази і цілком подібний до лужних металів. Чи перебуває він у рідкому чи газоподібному стані - важко сказати, тому що температура відома недостатньо точно. Слід, однак, вва­жати, що металеве ядро Юпітера рідке, в іншому випадку важко було б пояснити існування в Юпітера потужного магнітного поля, значно потужнішого, ніж у Землі. Подібну з Юпітером структуру має Сатурн. Більш густі Уран і Нептун містять, очевидно, значно більше гелію. У цих планет температура нижче, так що біля їхньо­го центра, можливо, наявні ядра, що складаються із суміші льоду і сполук, що містять водень, кисень, вуглець, азот, сірку й ін.

2. Юпітер

Юпітер - п’ята за віддаленням від Сонця і перша за величи­ною планета Сонячної системи. Планета відома з античних часів і названа на честь давньоримського бога Юпітера, аналога давньо­грецького Зевса. Належить до типу газових гігантів.

Параметри планети

Юпітер - найбільша планета Сонячної системи. Його еквато­ріальний радіус дорівнює 71,4 тис. км, що в 11,2 раза перевищує радіус Землі. Під час спостереження Юпітера в телескоп із 40-крат- ним збільшенням його кутові розміри відповідають розмірам Міся­ця, що спостерігається неозброєним оком.

Маса Юпітера більш ніж удвічі перевищує сумарну масу всіх інших планет, у 318 разів - масу Землі і всього в 1000 разів менше від маси Сонця. Якби Юпітер був приблизно в 70 разів масивніше, він міг би стати зорею. Густина Юпітера приблизно дорівнює густи­ні Сонця і значно поступається густині Землі.

Екваторіальна площина планети близька до площини її орбіти, тому на Юпітері не буває змін пір року.

Юпітер обертається навколо своєї осі, причому не як тверде тіло: кутова швидкість обертання зменшується від екватора до по­люсів. На екваторі доба триває близько 9 год 50 хв. Юпітер обер­тається швидше, ніж будь-яка інша планета Сонячної системи. Унаслідок швидкого обертання полярний стиск Юпітера дуже по­мітний: полярний радіус менший від екваторіального на 4,6 тис. км (тобто на 6,5 %).

Усе, що ми можемо спостерігати на Юпітері,- це хмари верх­нього шару атмосфери. Гігантська планета складається переважно з газу і не має звичної нам твердої поверхні.

Юпітер виділяє в 2-3 рази більше енергії, ніж одержує від Сон­ця. Це може пояснюватися поступовим стиском планети, опускан­ням гелію і більш важких елементів або процесами радіоактивного розпаду в надрах планети.

Внутрішня будова

Юпітер складається переважно з водню і гелію. Під хмарами знаходиться шар глибиною 7-25 тис. км, у якому водень поступово змінює свій стан від газу до рідини зі збільшенням тиску і темпе­ратури (до 6000 °С). Чіткої границі, що відокремлює газоподібний водень від рідкого, очевидно, не існує. Це має виглядати як безу­пинне кипіння глобального водневого океану.

Під рідким воднем знаходиться шар металевого водню завтовш­ки, відповідно до теоретичних моделей, близько 30-50 тис. км. Рід­кий металевий водень формується під тиском у кілька мільйонів атмосфер. Протони й електрони в ньому існують роздільно, і він є гарним провідником електрики. Потужні електроструми, що ви­никають у шарі металевого водню, породжують гігантське магнітне поле Юпітера.

Учені вважають, що Юпітер має ядро, яке складається з важких елементів (більш важких, ніж гелій). Його розміри - 15-30 тис. км у діаметрі, ядро має високу густину. За теоретичними розрахунками, температура ядра планети - близько 30000 °С а тиск - 30-100 млн атмосфер.

Атмосфера

Атмосфера Юпітера складається з водню (81 % за кількістю атомів і 75 % за масою) і гелію (18 % за кількістю атомів і 24 % за масою). На частку інших речовин припадає не більше 1 %. В атмосфері наявні метан, водяна пара, аміак; є також сліди органічних сполук, етану, сірководню, неону, кисню, фосфіну, сірки. Зовнішні шари атмосфери містять кристали замороженого аміаку.

Червонуваті варіації кольору Юпітера можуть пояснюватися наявністю сполук фосфору, сірки і вуглецю. Оскільки колір може сильно варіюватися, отже, хімічний склад атмосфери також різний у різних місцях. Наприклад, існують «сухі» і «мокрі» області із різним вмістом водної пари.

Температура зовнішнього шару хмар - близько 130 °С, однак із глибиною швидко зростає. За даними спускного апарата «Га- лілео» на глибині 130 км температура дорівнює 150 °С, тиск - 24 атм. Тиск біля верхньої границі хмарного шару - близько 1 атм, тобто як біля поверхні Землі. «Галілео» знайшов «теплі плями» уздовж екватора. Очевидно, у цих місцях шар зовнішніх хмар тонкий, тож можна бачити більш теплі внутрішні області.

Швидкість вітрів на Юпітері може перевищувати 600 км/год. Циркуляція атмосфери визначається двома основними фактора­ми. По-перше, обертання Юпітера в екваторіальних і полярних областях неоднакове, тому атмосферні структури витягаються в смуги, що оперізують планету. По-друге, відбувається темпе­ратурна циркуляція за рахунок тепла, що виділяється з надр.

В атмосфері Юпітера спостерігаються блискавки, потуж­ність яких на три порядки перевищує земні, а також полярні сяйва. Крім того, орбітальним телескопом «Чандра» виявлено джерело пульсуючого рентгенівського випромінювання (назва­не Великою рентгенівською плямою), причини якого є поки не з’ясованими.

Велика червона пляма

Велика червона пляма - овальне утворення змінюваних роз­мірів, розташоване в південній тропічній зоні. На сьогодні вона має розміри 15 х ЗО тис. км (значно більші за розміри Землі), а 100 ро­ків тому спостерігачі відзначали вдвічі більші розміри. Іноді її не дуже чітко видно. Велика червона пляма - це унікальний довго- живучий гігантський ураган (антициклон), речовина в якому обер­тається проти годинникової стрілки і робить повний оберт за 6 зем­них діб. Вона характеризується висхідними плинами в атмосфері. Хмари в ній розташовані вище, а температура їх нижче, ніж у су­сідніх областях.

Магнітне поле і магнітосфера

Юпітер має потужне магнітне поле; вісь диполя нахилена до осі обертання на 10°. Напруженість поля на рівні видимої поверхні хмар дорівнює 14 Е біля північного полюса і 10,7 Е - біля півден­ного. Його полярність обернена до полярності земного магнітного поля.

Існування магнітного поля пояснюється наявністю в надрах Юпітера металевого водню, що, будучи гарним провідником й обер­таючись із великою швидкістю, створює магнітні поля.

Юпітер оточений потужною магнітосферою, що на денній сто­роні тягнеться до відстані в 50-100 радіусів планети, а на нічній стороні простягається за орбіту Сатурна. Прискорені в магнітосфе­рі Юпітера електрони досягають Землі. Якби магнітосферу Юпіте­ра можна було б бачити з поверхні Землі, то її кутові розміри пере­вищували б розміри Місяця.

Магнітосфера формується переважно за рахунок потоків заря­джених частинок, що виносяться магнітним полем планети з плаз­мового тора навколо орбіти Іо. Джерелом частинок є вулкани Іо. Магнітосфера формується також за рахунок частинок сонячного вітру.

Юпітер має потужні радіаційні пояси. Зблизившись із Юпітером, «Галілео» дістав дозу радіації, що у 25 разів перевищувала смертельну дозу для людини. Радіовипромінювання радіаційного пояса Юпітера вперше було виявлено 1955 р. Радіовипромінювання має синхротронний характер.

Юпітер оточений іоносферою завдовжки 3000 км.

Як і полярні сяйва на Землі, полярні сяйва на Юпітері обумовлені стіканням заряджених частинок уздовж ліній магнітного поля в атмосферу в районі Північного і Південного полюсів планети.

Од­нак магнітне поле Юпітера дуже велике, тому викинута з вулканічного супутника Іо іонізована речовина, що уловлюється магнітним полем Юпітера, створює сяйва в тисячу разів інтенсивніші, ніж на Землі.

Супутники і кільця

У Юпітера нараховується 63 супутники, що є максимальним показником для Сонячної системи. За оцінками учених, супутників може бути не менше сотні. Чотири найбільших супутники - Іо, Європа, Ганімед і Каллісто - було відкрито ще 1610 р. Галілео Га- лілеєм. Найбільший інтерес становить Європа, що має глобальний океан, у якому не виключено наявність життя. Усі великі супутники Юпітера обертаються синхронно і завжди повернуті до Юпітера однією і тією ж стороною унаслідок впливу потужних припливних сил планети-гіганта. Інші супутники набагато менші і являють собою скелясті тіла неправильної форми. Серед них є ті, що оберта-ються у зворотний бік.

У Юпітера наявні слабкі кільця, виявлені 1979 року під час проходження повз Юпітера «Вояджера-1». Із Землі кільця можуть бути помічені в інфрачервоному діапазоні. За результатами досліджень «Галілео» було зроблено висновок, що джерелом поповнення кілець є невеликі супутники Юпітера.

Дослідження Юпітера космічними апаратами

Юпітер вивчали винятково апарати НАСА.

1973 і 1974 pp. повз Юпітера пройшли «Піонер-10» і «Піо- нер-11» на відстані (від хмар) 132 тис. км і 43 тис. км відповідно. Апарати передали кілька сотень знімків (невисокої роздільності) планети і галілеєвих супутників, уперше виміряли основні параметри магнітного поля і магнітосфери Юпітера.

1979 р. біля Юпітера пролетіли «Вояджери» (на відстані 207 тис. км і 570 тис. км). Апарати передали велику кількість докладних знімків планети та її супутників, а також багато інших цінних даних (зокрема були виявлені кільця Юпітера).

1992 р. повз планету пройшов «Улісс» на відстані 900 тис. км. Апарат здійснив виміри магнітосфери Юпітера («Улісс» призначений для вивчення Сонця і не має фотокамер).

З 1995 по 2003 pp. на орбіті Юпітера знаходився «Галілео». за допомогою цієї місії було отримано безліч нових даних. Зокрема, спускний апарат уперше вивчив атмосферу газової планети зсередини.

2000 р. повз Юпітера пролетів «Кассіні». Він зробив низку знії ків планети з рекордною роздільністю й одержав нові дані про пла мений тор Іо. За знімками «Кассіні» були складені найдетальнід на сьогоднішній день кольорові «карти» Юпітера, на яких розм: найдрібніших деталей складає 120 км. Крім того, було поставлеї унікальний експеримент з вимірювання магнітного поля планеї одночасно з двох точок («Кассіні» і «Галілео»),

28 лютого 2007 р. на шляху до Плутона в околицях Юпітеї зробив гравітаційний маневр апарат «Нові обрії».

У 2020-х роках планується здійснення міжпланетної місії з ві вчення галілеєвих супутників.

Життя на Юпітері

На сьогодні наявність життя на Юпітері через низьку конце] трацію води в атмосфері і за умови відсутності твердої поверх] видається малоймовірним. У 1970-х роках Карл Саган висловлі вався з приводу можливості існування у верхніх шарах атмосфер Юпітера життя на основі аміаку. Слід зазначити, що навіть на н значній глибині в юпітеріанській атмосфері температура і гуетиі досить високі, тож можливість принаймні хімічної еволюції ві ключати не можна, оскільки швидкість та імовірність протікані хімічних реакцій сприяють цьому.

У липні 1992 року до Юпітера наблизилася комета. Вона прийшла на відстані близько 15 тисяч кілометрів від верхньої гранні хмар, і потужний гравітаційний вплив планети-гіганта розірвав ядро на 17 великих частин. Цей кометний рій було виявлено в оі серваторії Маунт-Паломар подружжям Керолайн і Юджином Ш; мейкерами й астрономом-аматором Девідом Леві. 1994 року, піеі наступного зближення з Юпітером, всі уламки комети урізалис в атмосферу планети з величезною швидкістю - близько 64 км/ Цей грандіозний космічний катаклізм спостерігався як із Земл так і за допомогою космічних засобів, зокрема за допомогою ко мічного телескопа «Хаббл», інфрачервоного супутника IUE і мій планетної космічної станції «Галілео». Падіння ядер супроводж; валося цікавими атмосферними ефектами, наприклад полярним сяйвами, чорними плямами в місцях падіння ядер комети, клім, тичними змінами.