Планеты-гиганты

За поясом астероидов начинается царство планет – гигантов. Их четыре: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самая крупная из них Юпитер. По размеру он в 1300 раз превосходит Землю. Планеты – гиганты владеют и очень значительными массами. Масса Юпитера равна 318 земным массам, Сатурн –95. Все планеты данной группы скоро вращаются вокруг собственных осей. День на Нептуне продолжаются 15ч. 48Мин. На Юпитере –9ч.50 Мин .Химический состав гигантов в основном водородно-гелиевые базы. Средняя плотность их вещества очень невелика. У Юпитера она чуток больше, чем у воды –1.3.У Сатурна ниже воды –0.7г/см3 . Судя по всему, у планет –гигантов нет жесткой поверхности .Вокруг планет-гигантов движется огромное число спутников. У Юпитера –16, у Сатурна –15, у Урана –5 . и лишь у Нептуна –2.

В инфракрасной области спектра лежат линии молекул H2 и He, а также линии множества других элементов[4]. Количество первых двух несёт информацию о происхождении планеты, а количественный и качественный состав остальных — о её внутренней эволюции.

Однако молекулы водорода и гелия не имеют дипольного момента, а значит, абсорбционные линии этих элементов незаметны до того момента, пока поглощение за счёт ударной ионизации не станет доминировать. Это с одной стороны, с другой — эти линии образуются в самых верхних слоях атмосферы и не несут информацию о более глубоких слоях. Поэтому самые надёжные данные по обилию гелия и водорода на Юпитере получены со спускаемого аппарата «Галилео»[4].

Что же касается остальных элементов, то при их анализе и интерпретации тоже возникают трудности. Пока что нельзя с полной уверенностью сказать, какие процессы происходят в атмосфере Юпитера и насколько сильно они влияют на химический состав — как во внутренних областях, так и во внешних слоях. Это создаёт определённые трудности при более детальной интерпретации спектра. Однако считается, что все процессы, способные тем или иным образом влиять на обилие элементов, локальны и сильно ограничены, так что они не способны глобально изменить распределения вещества[5].

Юпитер.

Юпитер находится за поясом астероидов, это первая планета в группе газовых гигантов.

Орбита. При наблюдениях с Земли во время противостояния Юпитера может достигать видимой звёздной величины в −2,94m, это делает его третьим по яркости объектом на ночном небе после Луны и Венеры. При наибольшем удалении видимая величина падает до −1,61m. Расстояние между Юпитером и Землёй меняется в пределах от 588 до 967 млн. км[27].

Противостояния Юпитера происходят с периодом раз в 13 месяцев. В 2010 году противостояние планеты-гиганта пришлось на 21 сентября. Раз в 12 лет происходят великие противостояния Юпитера, когда планета находится около перигелия своей орбиты. В этот период времени его угловой размер для наблюдателя с Земли достигает 50 угловых секунд, а блеск — ярче −2,9m[28].

Среднее расстояние между Юпитером и Солнцем составляет 778,57 млн км (5,2 а. е.), а период обращения составляет 11,86 года[18][29]. Поскольку эксцентриситет орбиты Юпитера 0,0488, то разность расстояния до Солнца в перигелии и афелии составляет 76 млн км.

Основной вклад в возмущения движения Юпитера вносит Сатурн. Первого рода возмущение — вековое, действующее на масштабе ~70 тысяч лет, меняя экцентриситет орбиты Юпитера от 0,2 до 0,06, а наклон орбиты от ~1° — 2°. Возмущение второго рода — резонансное с соотношением близким к 2:5 (с точностью до 5 знаков после запятой — 2:4,96666[30][31]).

Экваториальная плоскость планеты близка к плоскости её орбиты (наклон оси вращения составляет 3,13° против 23,45° для Земли[1]), поэтому на Юпитере не бывает смены времён года[32][33].

Юпитер вращается вокруг своей оси быстрее, чем любая другая планета Солнечной системы[34]. Период вращения у экватора — 9 ч. 50 мин. 30 сек., а на средних широтах — 9 ч. 55 мин. 40 сек[35]. Из-за быстрого вращения экваториальный радиус Юпитера (71492 км) больше полярного (66854 км) на 6,49 %; таким образом, сжатие планеты составляет (1:51,4)[1].

Химической состав.

Химический состав внутренних слоёв Юпитера невозможно определить современными методами наблюдений, однако обилие элементов во внешних слоях атмосферы известно с относительно высокой точностью, поскольку внешние слои непосредственно исследовались спускаемым аппаратом «Галилео», который был спущен в атмосферу 7 декабря 1995 года[38]. Два основных компонента атмосферы Юпитера — молекулярный водород и гелий[37]. Атмосфера содержит также немало простых соединений, например, воду, метан (CH4), сероводород (H2S),аммиак (NH3) и фосфин (PH3)[37]. Их количество в глубокой (ниже 10 бар) тропосфере подразумевает, что атмосфера Юпитера богатауглеродом, азотом, серой и, возможно,кислородом по фактору 2—4 относительно Солнца[37]. Другие химические соединения,арсин (AsH3) и герман (GeH4), присутствуют, но в незначительных количествах. Концентрация инертных газов, аргона, криптона и ксенона, превышает их количество на Солнце (см. таблицу), а концентрация неона явно меньше. Присутствует незначительное количество простых углеводородов: этана, ацетилена и диацетилена, — которые формируются под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации и заряженных частиц, прибывающих из магнитосферы Юпитера. Диоксид углерода, моноксид углерода и вода в верхней части атмосферы, как полагают, своим присутствием обязаны столкновениям с атмосферой Юпитера комет, таких, например, как комета Шумейкеров-Леви 9. Вода не может прибывать из тропосферы, потому что тропопауза, действующая как холодная ловушка, эффективно препятствует поднятию воды до уровня стратосферы[37].

Красноватые вариации цвета Юпитера могут объясняться наличием соединений фосфора, серы и углерода[39]в атмосфере. Поскольку цвет может сильно варьироваться, предполагается, что химический состав атмосферы также различен в разных местах. Например, имеются «сухие» и «мокрые» области с разным содержанием водяного пара.

Структура.

На данный момент наибольшее признание получила следующая модель внутреннего строения Юпитера:

1. Атмосфера. Её делят на три слоя[39]:

   1. внешний слой, состоящий из водорода;

   2. средний слой, состоящий из водорода (90 %) и гелия (10 %);

   3. нижний слой, состоящий из водорода, гелия и примесей аммиака, гидросульфата аммонияи воды, образующих три слоя облаков[39]:

      1. вверху — облака из оледеневшего аммиака (NH3). Его температура составляет около −145 °C, давление — около 1 атм[2];

      2. ниже — облака кристаллов гидросульфида аммония (NH4HS);

      3. в самом низу — водяной лёд и, возможно, жидкая водавероятно, имеется в виду — в виде мельчайших капель.Давление в этом слое составляет около 1 атм, температура примерно −130 °C (143 К). Ниже этого уровня планета непрозрачна[39].

2. Слой металлического водорода. Температура этого слоя меняется от 6300 до 21 000 К, а давление от 200 до 4000 ГПа.

3. Каменное ядро.

Построение этой модели основано на синтезе наблюдательных данных, применении законов термодинамики и экстраполяции лабораторных данных о веществе, находящемся под высоким давлением и при высокой температуре. Основные предположения, положенные в её основу:

• Юпитер находится в гидродинамическом равновесии

• Юпитер находится в термодинамическом равновесии.

Если к этим положениям добавить законы сохранения массы и энергии, получится система основных уравнений.

В рамках этой простой трёхслойной модели чёткой границы между основными слоями не существует, однако и области фазовых переходов невелики. Следовательно, можно сделать допущение, что почти все процессы локализованы, и это позволяет каждый слой рассматривать отдельно.

Атмосфера.

Температура в атмосфере не растёт монотонно. В ней, как и на Земле, можно выделить экзосферу, термосферу, стратосферу, тропопаузу, тропосферу. В самых верхних слоях температура велика; по мере продвижения вглубь давление растёт, а температура падает до тропопаузы; начиная с тропопаузы, и температура, и давление растут по мере продвижения вглубь. В отличие от Земли, на Юпитере нет мезосферы и соответствующей ей мезопаузы.

В термосфере Юпитера происходит довольно много интересных процессов: именно здесь планета теряет излучением значительную часть своего тепла, именно здесь формируются полярные сияния, именно тут формируется ионосфера. За её верхнюю границу взят уровень давления в 1 нбар. Наблюдаемая температура термосферы 800—1000 К, и на данный момент этот фактический материал до сих пор не получил объяснения в рамках современных моделей, так как в них температура не должна быть выше примерно 400 К[40]. Охлаждение Юпитера тоже нетривиальный процесс: трёхатомный ион водорода(H3+), кроме Юпитера найденный только на Земле, вызывает сильную эмиссию в средней инфракрасной части спектра на длинах волн между 3 и 5 мкм[40][41].

Согласно непосредственным измерениям спускаемого аппарата, верхний уровень непрозрачных облаков характеризовался давлением в 1 атмосферу и температурой −107 °C; на глубине 146 км — 22 атмосферы, +153 °C.[42] Также «Галилео» обнаружил «тёплые пятна» вдоль экватора. По-видимому, в этих местах слой внешних облаков тонок, и можно видеть более тёплые внутренние области.

Под облаками находится слой глубиной 7—25 тыс. км, в котором водород постепенно изменяет своё состояние от газа к жидкости с увеличением давления и температуры (до 6000 °C). Чёткой границы, отделяющей газообразный водород от жидкого, по-видимому, не существует[43][44]. Это может выглядеть примерно как непрерывное кипение глобального водородного океана[18].

Слой металлического водорода

Металлический водород возникает при больших давлениях (около миллиона атмосфер) и высоких температурах, когда кинетическая энергия электронов превышает потенциал ионизации водорода. В итоге протоны и электроны в нём существуют раздельно, поэтому металлический водород является хорошим проводником электричества[45][46]. Предполагаемая толщина слоя металлического водорода — 42—46 тыс. км[45][47].

Мощные электротоки, возникающие в этом слое, порождают гигантское магнитное поле Юпитера[18][6]. В 2008 году Реймондом Джинлозом из Калифорнийского университета в Беркли и Ларсом Стиксрудом из Лондонского университетского колледжа была создана модель строения Юпитера и Сатурна, согласно которой в их недрах находится также металлический гелий, образующий своеобразный сплав с металлическим водородом[48][49][50][51][52].

Ядро

С помощью измеренных моментов инерции планеты можно оценить размер и массу её ядра. На данный момент считается, что масса ядра — 10 масс Земли, а размер — 1,5 её диаметра[32][7][53].

Юпитер выделяет существенно больше энергии, чем получает её от Солнца. Исследователи предполагают, что Юпитер обладает значительным запасом тепловой энергии, образовавшимся в процессе сжатия материи при формировании планеты[45]. Прежние модели внутреннего строения Юпитера, стараясь объяснить избыточную энергию, выделяемую планетой, допускали возможность радиоактивного распада в её недрах или освобождение энергии при сжатии планеты под действием сил тяготения[45].

Межслоевые процессы

Локализовать все процессы внутри независимых слоёв невозможно: необходимо объяснять недостаток химических элементов в атмосфере, избыточное излучение и т. д.

Различие в содержании гелия во внешних и во внутренних слоях объясняют тем, что гелий конденсируется в атмосфере и в виде капель попадает в более глубокие области. Данное явление напоминает земной дождь, но только не из воды, а из гелия. Недавно было показано, что в этих каплях может растворяться неон. Тем самым объясняется и недостаток неона[54].

Атмосферные явления и феномены Движение атмосферы

Скорость ветров на Юпитере может превышать 600 км/ч. В отличие от Земли, где циркуляция атмосферы происходит за счёт разницы солнечного нагрева в экваториальных и полярных областях, на Юпитере воздействие солнечной радиации на температурную циркуляцию незначительно; главными движущими силами являются потоки тепла, идущие из центра планеты, и энергия, выделяемая при быстром движении Юпитера вокруг своей оси[55].

Ещё по наземным наблюдениям астрономы разделили пояса и зоны в атмосфере Юпитера на экваториальные, тропические, умеренные и полярные. Поднимающиеся из глубин атмосферы нагретые массы газов в зонах под действием значительных на Юпитере кориолисовых сил вытягиваются вдоль меридианов планеты, причём противоположные края зон движутся навстречу друг другу. На границах зон и поясов (области нисходящих потоков) присутствует сильная турбулентность[39][55]. Севернее экватора потоки в зонах, направленные к северу, отклоняются кориолисовыми силами к востоку, а направленные к югу — к западу. В южном полушарии — соответственно, наоборот[55]. Схожей структурой на Земле обладают пассаты.

Полосы

Характерной особенностью внешнего облика Юпитера являются его полосы. Существует ряд версий, объясняющих их происхождение. Так, по одной из версий, полосы возникали в результате явления конвекции в атмосфере планеты-гиганта — за счёт подогрева, и, как следствие, поднятия одних слоёв, и охлаждения и опускания вниз других. Весной 2010 года[56] учёными была выдвинута гипотеза, согласно которой полосы на Юпитере возникли в результате воздействия его спутников[56][57]. Предполагается, что под влиянием притяжения спутников на Юпитере сформировались своеобразные «столбы» вещества, которые, вращаясь, и сформировали полосы[56][57].

Конвективные потоки, выносящие внутреннее тепло к поверхности, внешне проявляются в виде светлых зон и тёмных поясов. В области светлых зон отмечается повышенное давление, соответствующее восходящим потокам. Облака, образующие зоны, располагаются на более высоком уровне (примерно на 20 км), а их светлая окраска объясняется, видимо, повышенной концентрацией ярко-белых кристаллов аммиака. Располагающиеся ниже тёмные облака поясов состоят, предположительно, из красно-коричневых кристаллов гидросульфида аммония и имеют более высокую температуру. Эти структуры представляют области нисходящих потоков. Зоны и пояса имеют разную скорость движения в направлении вращения Юпитера. Период обращения колеблется на несколько минут в зависимости от широты[7]. Это приводит к существованию устойчивых зональных течений или ветров, постоянно дующих параллельно экватору в одном направлении. Скорости в этой глобальной системе достигают от 50 до 150 м/с и выше[55]. На границах поясов и зон наблюдается сильная турбулентность, которая приводит к образованию многочисленных вихревых структур[58][55]. Наиболее известным таким образованием является Большое красное пятно, наблюдающееся на поверхности Юпитера в течение последних 300 лет.

Возникнув, вихрь поднимает на поверхность облаков нагретые массы газа с пара́ми малых компонентов. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиака в виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере, пока не достигают уровней, на которых температура достаточна высока, и испаряются. После чего вещество в газообразном состоянии снова возвращается в облачный слой[55].

Летом 2007 года телескоп «Хаббл» зафиксировал резкие изменения в атмосфере Юпитера. Отдельные зоны в атмосфере к северу и югу от экватора превратились в пояса, а пояса — в зоны. При этом изменились не только формы атмосферных образований, но и их цвет[59].

9 мая 2010 года астроном-любитель Энтони Уэсли (англ. Anthony Wesley, также см. ниже) обнаружил, что с лика планеты внезапно исчезло одно из самых заметных и самых стабильных во времени образований — Южный экваториальный пояс. Именно на широте Южного экваториального пояса расположено «омываемое» им Большое красное пятно. Причиной внезапного исчезновения Южного экваториального пояса Юпитера считается появление над ним слоя более светлых облаков, под которыми и скрывается полоса тёмных облаков[60]. По данным исследований, проведённых телескопом «Хаббл», был сделан вывод о том, что пояс не исчез полностью, а просто оказался скрыт под слоем облаков, состоящих из аммиака[61].