Планета Юпитер и его спутники

Юпитер- вторая по яркости после Венеры планета Солнечной системы. Но если Венеру можно видеть только утром или вечером,то Юпитер иногда сверкает всю ночь. Из-за медленного, величественного перемещения этой планеты древние греки дали ей имя своего верховного бога Зевса; в римском пантеоне ему соответствовал Юпитер.

Дважды Юпитер сыграл важную роль в истории астрономии. Он стал первой планетой, у которой были открыты спутники. В 1610 г. Галилей, направив телескоп на Юпитер, заметил рядом с планетой четыре звёздочки, не видимые простым глазом. На следующий день они изменили своё положение и относительно Юпитера, и относительно друг друга. Наблюдая за этими звёздами Галилей заключил, что наблюдает спутники Юпитера, образовавшиеся вокруг него как центрального светила. Это была уменьшенная модель Солнечной системы. Быстрое и хорошо заметное перемещение галилеевых спутников Юпитера -Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто - делает их удобными " небесными часами", и моряки долгое время пользовались ими, чтобы определять положение корабля в открытом море.

В другой раз Юпитер и его спутники помогли решить одну из древнейших загадок: распространяется ли свет мгновенно или скорость его конечна? Регулярно наблюдая затмения спутников Юпитера и сравнивая эти данные с результатами предварительных расчетов, датский астроном Оле Рёмер в 1675 г. обнаружил, что наблюдения и вычисления расходятся, если Юпитер и Земля находятся по разные стороны Солнца. В этом случае затмения спутников запаздывают примерно на 1000 с. Рёмер пришёл к правильному выводу, что 1000 с. - это как раз, которое нужно свету, чтобы пересечь орбиту Земли по диаметру. Поскольку диаметр земной орбиты составляет 300 млн. километров, скорость света оказывается близкой к 300000км./с.

Юпитер- это планета - гигант которая содержит в себе более 2/3 всей нашей планетной системы. Масса Юпитера равна 318 земным. Его объем в 1300 раз больше, чем у Земли. Средняя плотность Юпитера 1330 кг/м^3, что сравнимо с плотностью воды и в четыре раза меньше, чем плотность Земли. Видимая поверхность планеты в 120 раз превосходит площадь Земли. Юпитер представляет собой гигантский шар из водорода, практически его химический состав совпадает с солнечным. А вот температура на Юпитере ужасающе низкая:-140 С.

Юпитер быстро вращается ( период вращения 9 ч. 55 мин. 29 с.). Из-за действия центробежных сил планета заметно расплющилась, и её полярный радиус стал на 4400 км меньше экваториального, равного 71400 км. Магнитное поле Юпитера в 12 раз сильнее земного.

Возле Юпитера побывало пять американских космических аппаратов : в 1973 г. - "Пионер-10", в 1974 - "Пионер-11". В марте и в июле1979 г. его посетили более крупные и "умные" аппараты - "Вояджер-1 и -2".В декабре 1995 до него долетела межпланетная станция "Галилео", которая стала первым искусственным спутником Юпитера и сбросила в его атмосферу зонд.

Особенности Юпитера

Из четырех гигантских планет лучше всего изучен Юпитер -- самая большая планета этой группы и ближайшая из планет-гигантов к нам и Солнцу. Ось вращения Юпитера почти перпендикулярна к плоскости его орбиты, поэтому сезонных изменений условия освещения на нем нет.

У всех планет-гигантов вращение вокруг оси довольно быстрое, а плотность мала. Вследствие этого они значительно сжаты.

Все планеты-гиганты окружены мощными протяженными атмосферами, и мы видим лишь плавающие в них облака, вытянутые полосами, параллельными экватору, вследствие их быстрого вращения.

Полосы облаков видны на Юпитере даже в слабый, телескоп Юпитер вращается зонами, - чем ближе к полюсам, тем медленнее. На экваторе период вращения 9 ч 50 мин, а на средних широтах на несколько минут больше. Аналогичным образом вращаются и другие планеты-гиганты.

Поскольку планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, их температура (по крайней мере над их облаками) очень низка:

на Юпитере - 145°С, на Сатурне - 180°С, на Уране и Нептуне еще ниже.

Атмосферы планет-гигантов содержат в основном молекулярный водород, есть там метан СН4 и, по-видимому, много гелия, а в атмосфере Юпитера и Сатурна обнаружен еще и аммиак NH³. Отсутствие полос NH3 в спектрах более далеких планет объясняется тем, что он там вымерз. При низкой температуре аммиак конденсируется, и из него, вероятно, состоят видимые облака Юпитера.

Интенсивные движения, охватывающие облачный и соседние с ним слои атмосферы, имеют устойчивый характер. В частности, таким устойчивым атмосферным "вихрем" является знаменитое Красное пятно, наблюдаемое на Юпитере уже \свыше 300 лет.

Изучение процессов, происходящих в атмосферах различных планет, помогает земной метеорологии и климатологии.

Теоретически построены модели массивных планет, состоящих из водорода и гелия. Расчеты модели внутреннего строения Юпитера показывают, что по мере приближения к центру водород должен последовательно проходить через газообразную, газо-жидкую и жидкую фазы. В центре планеты, где температура может достигать нескольких тысяч кельвин, находится жидкое ядро, состоящее из металлов, силикатов и водорода в металлической фазе, которая наступает при давлениях порядка 10" Па. В 1975 г. металлическую фазу водорода удалось экспериментально получить на Земле, что подтверждает справедливость теоретических расчетов внутреннего строения планет-гигантов.

Благодаря наличию магнитного поля Юпитер имеет пояса радиации, подобные земным, но значительно превосходящие их. Его магнитосфера простирается на миллионы километров, охватывая четыре крупнейших спутника. Юпитер является источником радиоизлучения. Космические аппараты зарегистрировали на нем мощные вспышки молний.

Из остальных данных о планетах заслуживает упоминания особенность осевого вращения Урана, которое, как и у Венеры, происходит в направлении, противоположном направлению вращения всех остальных планет. Кроме того, он вращается как бы лежа на боку, поэтому в течение года происходит значительное изменение условий освещения поверхности планеты.

Атмосфера

Атмосфера Юпитера представляет собой огромную бушующую часть планеты, состоящую из водорода и гелия. Механизм, приводящий в действие общую циркуляцию на Юпитере, такой же, как и на Земле: разность в количестве тепла, получаемого от Солнца на полюсах и экваторе, вызывает возникновение гидродинамических потоков, которые отклоняются в зональном направлении кориолисовой силой. При таком быстром вращении, как у Юпитера, линии тока практически параллельны экватору. Картина усложняется конвективными движениями, которые более интенсивны на границах между гидродинамическими потоками, имеющими разную скорость. Конвективные движения выносят вверх окрашивающее вещество, присутствием которого объясняется слегка красноватый цвет Юпитера. В области темных полос конвективные движения наиболее сильны, и это объясняет их более интенсивную окраску.

Так же как и в земной атмосфере, на Юпитере могут формироваться циклоны. Оценки показывают, что крупные циклоны, если они образуются в атмосфере Юпитера, могут быть очень устойчивы (время жизни до 100 тысяч лет). Вероятно, Большое Красное пятно является примером такого циклона. Изображения Юпитера, полученные при помощи аппаратуры, установленной на американских аппаратах "Пионер-10" и "Пионер-11", показали, что Красное пятно не является единственным образованием подобного типа: имеется несколько устойчивых красных пятен меньшего размера.

Спектроскопическими наблюдениями было установлено присутствие в атмосфере Юпитера молекулярного водорода, гелия, метана, аммиака, этана, ацетилена и водяного пара. По-видимому, элементный состав атмосферы (и всей планеты в целом) не отличается от солнечного (90% водорода, 9% гелия, 1% более тяжелых элементов).

Полное давление у верхней границы облачного слоя составляет около 1 атм. Облачный слой имеет сложную структуру. Верхний ярус состоит из кристаллов аммиака ниже, должны быть расположен облака из кристаллов льда и капелек воды.

Инфракрасная яркостная температура Юпитера, измеренная в интервале 8 - 14 мк, равна в центре диска 128 - 130К. Если рассмотреть температурные разрезы по центральному меридиану и экватору, можно увидеть, что температура, измеренная на краю диска, ниже, чем в центре. Это можно объяснить следующим образом. На краю диска луч зрения идет наклонно, и эффективный излучающий уровень (то есть уровень, на котором достигается оптическая толщина ?=1) расположен в атмосфере на большей высоте, чем в центре диска. Если температура в атмосфере падает с увеличением высоты, то яркость и температура на краю будут несколько меньше. Слой аммиака толщиной в несколько сантиметров (при нормальном давлении) уже практически непрозрачен для инфракрасного излучения в интервале 8 - 14 мк. Отсюда следует, что инфракрасная яркостная температура Юпитера относится к довольно высоким слоям его атмосферы. Распределение интенсивности в полосах CH показывает, что температура облаков значительно больше (160 - 170К) При температуре ниже 170К аммиак (если его количество соответствует спектроскопическим наблюдениям) должен конденсироваться; поэтому предполагается, что облачный покров Юпитера, по крайней мере частично, состоит из аммиака. Метан конденсируется при более низких температурах и в образовании облаков на Юпитере принимать участие не может.

Яркостная температура 130К заметно выше, чем равновесная, то есть такая, которую должно иметь тело, светящееся только за счет переизлучения солнечной радиации. Расчеты, учитывающие измерение отражательной способности планеты приводят к равновесной температуре около 100К. Существенно, что величина яркостной температуры около 130К была получена не только в узком диапазоне 8-14мк, но и далеко за его пределами. Таким образом, полное излучение Юпитера 2,9 раз превосходит энергию, получаемую от Солнца, и большая часть излучаемой им энергии обусловлена внутренним источником тепла. В этом смысле Юпитер ближе к звездам, чем к планетам земного типа. Однако источником внутренней энергии Юпитера не являются, конечно, ядерные реакции. По-видимому, излучается запас энергии, накопленный при гравитационном сжатии планеты (в процессе формирования планеты из протопланетной туманности гравитационная, когда гравитационная энергия пыли и газа, образующих планету, должна переходить в кинетическую и затем в тепловую).

Наличие большого потока внутреннего тепла означает, что температура довольно быстро растет с глубиной. Согласно наиболее вероятным теоретическим моделям она достигает 400К на глубине 100 км ниже уровня верхней границы облаков, а на глубине 500 км - около 1200К. А расчеты внутреннего строения показывают, что атмосфера Юпитера очень глубокая - 10000 км, но надо отметить, что основная масса планеты (ниже этой границы) находится в жидком состоянии. Водород при этом находится в вырожденном, что то же самое, в металлическом состоянии (электроны оторваны от протонов). При этом в самой атмосфере водород и гелий, строго говоря, находятся в сверхкритическом состоянии: плотность в нижних слоях достигает 0,6-0,7г/см ?, и свойства скорее напоминают жидкость, чем газ. В самом центре планеты (по расчетам на глубине 30000 км), возможно, находится твердое ядро из тяжелых элементов, образовавшееся в результате слипания частиц металлов и каменных образований.

Кольцо Юпитера

Юпитер преподносит много сюрпризов: он генерирует мощные полярные сияния, сильные радиошумы, возле него межпланетные аппараты наблюдают пылевые бури - потоки мелких твердых частиц, выброшенных в результате электромагнитных процессов в магнитосфере Юпитера. Мелкие частицы, которые получают электрический заряд при облучении солнечным ветром, обладают очень интересной динамикой: являясь промежуточным случаем между макро и микротелами, они примерно одинаково реагируют и на гравитационные и на электромагнитные поля.

Именно из таких мелких каменных частиц, в основном состоит кольцо Юпитера, открытое в марте 1979 года (косвенное обнаружение кольца в 1974 г. по данным "Пионера" осталось непризнанным). Его главная часть имеет радиус 123-129 тыс. км. Это плоское кольцо около 30км толщиной и очень разреженное - оно отражает лишь несколько тысячных долей процента падающего света. Более слабые пылевые структуры тянутся от главного кольца к поверхности Юпитера и образуют над кольцом толстое гало, простирающееся до ближайших спутников. Увидеть кольцо Юпитера с Земли практически невозможно: оно очень тонкое и постоянно повернуто к наблюдателю ребром из-за малого наклона оси вращения Юпитера к плоскости его орбиты.

Внутренние и внешние спутники Юпитера

У Юпитера обнаружено 16 лун. Две из них - Ио и Европа - размером с нашу Луну, а другие две - Ганимед и Каллисто - превзошли ее по диаметру примерно в полтора раза. Каллисто равна по размерам Меркурию, а Ганимед его обогнал. Правда, они находятся дальше от своей планеты, чем Луна от Земли. Только Ио видна в небе Юпитера как яркий красноватый диск (или полумесяц) лунных размеров, Европа, Ганимед и Каллисто выглядят в несколько раз меньше Луны.

Владения Юпитера довольно обширны: восемь внешних спутников настолько удалены от него, что их нельзя было бы наблюдать с самой планеты невооруженным глазом. Происхождение спутников загадочно: половина из них движется вокруг Юпитера в обратную сторону (по сравнению с обращением других 12 спутников и направлением суточного вращения самой планеты). Самый внешний спутник Юпитера в 200 раз дальше от него, чем самый близкий. Например, если высадиться на один из ближайших спутников, то оранжевый диск планеты займет полнеба. А с орбиты самого дальнего спутника диск гиганта Юпитера будет выглядеть почти в два раза меньше лунного.

Спутники Юпитера - это интереснейшие миры, каждый со своим лицом и историей, которые открывались нам только в космическую эру.

Ио

Это самый близкий к Юпитеру галилеев спутник, он удален от центра планеты на 422 тыс. км, т. е. чуть дальше, чем Луна от Земли. Благодаря огромной массе Юпитера период обращения Ио гораздо короче лунного месяца и составляет всего 42,5 ч. Для наблюдателя в телескоп это самый непоседливый спутник: практически каждый день Ио видна на новом месте, перебегая с одной стороны Юпитера на другую.

По массе и радиусу (1815км) Ио похожа на Луну. Самая сенсационная особенность Ио заключается в том, что она вулканически активна! На ее желто-оранжевой поверхности "Вояджеры" обнаружили 12 действующих вулканов, извергающих султаны высотой до 300км. Основной выбрасываемый газ - диоксид серы, замерзающий потом на поверхности в виде твердого белого вещества. Доминирующим оранжевым цветом спутник обязан соединениям серы. Вулканически активные области Ио нагреты до 300° С.

Постоянно над планетой поднимается фонтан газа высотой 300 км. Мощный подземный гул сотрясает почву, из жерла вулкана с огромной скоростью ( до 1 км/с)вылетают вместе с газом камни и после свободного безатмосферного падения с огромной высоты врезаются в поверхность во многих сотнях километров от вулкана. Из некоторых вулканических кальдер (так называются котлообразные впадины, образовавшиеся вследствие провала вершины вулкана ) выплёскивается расплавленная черная сера и растекается горячими реками. на фотографиях "Вояджеров" видны черные озёра и даже целые моря расплавленной серы.

Крупнейшее лавовое море возле вулкана Локи имеет размер 20 км в поперечнике. В центре его расположен потрескавшийся оранжевый остров из твёрдой серы. Черные моря Ио колышутся в оранжевых берегах, а в небе над ними нависает громада Юпитера…

Существование таких пейзажей вдохновило много художников.

Вулканическая активность Ио обусловлена гравитационным влиянием на нее других тел системы Юпитера. Прежде всего, сама гигантская планета своим мощным тяготением создала два приливных горба на поверхности спутника, которые затормозили вращение Ио, так что она всегда обращена к Юпитеру одной стороной - как Луна к Земле. Орбита Ио не является точным кругом, горбы слегка перемещаются по её поверхности,что приводит к разогреванию внутренних слоев планеты. В еще большей степени этот эффект вызывается приливными воздействиями других массивных спутников Юпитера, в первую очередь ближайшей к Ио Европе. Постоянное разогревание недр привело к тому, что Ио является самым вулканически активным телом Солнечной системы.

В отличие от земных вулканов, у которых мощные извержения эпизодичны, вулканы на Ио работают практически не переставая, хотя активность их может меняться. вулканы и гейзеры выбрасывают часть вещества даже в космос. Поэтому вдоль орбиты Ио тянется плазменный шлейф из ионизированных атомов кислорода и серы и нейтральных облаков атомарных натрия и калия.

Ударные кратеры на Ио отсутствуют из-за интенсивной вулканической переработки поверхности. На ней есть каменные массивы высотой до 9 км. Плотность Ио довольно высока - 3000 кг/м^3. Под частично расплавленной оболочкой из силикатов в центре спутника расположено ядро с большим содержанием железа и его соединений.

Европа

Европа имеет радиус чуть меньше, чем у Ио - 1569км. Из галилеевых спутников у Европы самая светлая поверхность с явными признаками водяного льда. Существует предположение о том, что под ледяной коркой существует водный океан, а под ним твердое силикатное ядро. Плотность Европы очень высока - 3500кг/м3. Этот спутник удален от Юпитера на 671000 км.

Геологическая история Европы не имеет ничего общего с историей соседних спутников. Европа одно из самых гладких тел в солнечной системе: на ней нет возвышенностей более ста метров высотой. Вся ледяная поверхность спутника покрыта сетью полос огромной протяженностью. Темные полосы длиной в тысячи километров - это следы глобальной системы трещин по всей Европе. Существование этих трещин объясняется тем, что ледяная поверхность достаточно подвижна и неоднократно раскалывалась от внутренних напряжений и крупномасштабных тектонических процессов.

Из-за того, что поверхность молодая ( всего 100млн. лет ), на почти не заметно ударных метеоритных кратеров, которые в большом количестве возникали 4,5 млрд. лет назад. Учёные нашли на Европе только пять кратеров диаметрами 10-30 км.

Ганимед

Ганимед является крупнейшим спутником планет в Солнечной системе, его радиус равен 2631 км. Плотность мала, по сравнению с Ио и Европой, всего 1930кг/м3. Удаленность от Юпитера составляет 1,07 млн. км. Всю поверхность Ганимеда можно разделить на две группы: первая, занимающая 60% территории, представляет собой странные полосы льда, порожденные активными геологическими процессами 3,5 млрд. лет назад; вторая, занимающая остальные 40%, представляет собой древнюю мощную ледяную кору, покрытую многочисленными метеоритными кратерами, нужно также отметить, что эта кора было частична разломлена и обновлена теми же процессами, что и упомянутые выше.

С точки зрения космического геолога Ганимед- самое привлекательное тело среди спутников Юпитера. Он имеет смешанный силикатно- ледяной состав: мантию из водяного льда и каменное ядро. Его плотность 1930 кг\м^3. В условиях низких температур и высоких внутренних давлений водяной лёд может существовать в нескольких модификациях с различными типами кристаллической решётки. Богатая геология Ганимеда во многом определяется сложными переходами между этими разновидностями льда. Поверхность спутника припорошена слоем рыхлой каменно-ледяной пыли толщиной от нескольких метров до нескольких десятков метров.

Каллисто

Это второй по величине спутник в системе Юпитера, его радиус 2400км. Среди галилеевых спутников Каллисто самый дальний: расстояние от Юпитера 1,88 млн. км, период вращения составляет 16,7 суток. Плотность силикатно-ледяной Каллисто мала - 1830кг/м3. Поверхность Каллисто до предела насыщена метеоритными кратерами. Темный цвет Каллисто - результат силикатных и других примесей. Каллисто - самое кратерированное тело Солнечной системы из всех известных. Огромной силы удар метеорита вызвал образование гигантской структуры, окружённой кольцевыми волнами, - Вальхаллы. В центре её находится кратер диаметром 350 км, а в радиусе 2000 км от него концентрическими кругами располагаются горные хребты.

У Юпитера внутри орбиты Ио открывается несколько маленьких спутников. Три из них - Метида, Адрастея и Теба- обнаружены с помощью межпланетных станций, и о них известно немного. Метида и Атрастея (их диаметры 40 и 20 км соответственно) движутся по краю главного кольца Юпитера,по одной орбите радиусом 128000км. Эти самые быстрые спутники делают оборот вокруг гиганта Юпитера за 7 ч. со скоростью свыше 100000 км /ч.

Более удалённый спутник Теба расположен посередине между Ио и Юпитером- на расстоянии 222 тыс. км от планеты; его диаметр около 100 км.

Наиболее крупный внутренний спутник Амальтерея имеет неправильную форму ( размеры 270*165*150 км) и покрыт кратерами; он состоит из тугоплавких пород тёмно-красного цвета. Амальтелия обнаружена американским астрономом Эдуардом Бернардом в 1892 г. и стала пятым по счету открытым спутником Юпитера. Вращается она по орбите радиусом 181 тыс. км.

Внутренние спутники Юпитера и его четыре главные луны расположены вблизи плоскости экватора планеты на почти круговых орбитах. У орбит этих восьми спутников эксцентрисеты и наклонения настолько малы, что ни один из них не отклоняется от "идеальной" круговой траектории более чем на один градус. Такие спутники называются регулярными.

Остальные восемь спутников Юпитера относятся к нерегулярным и отличаются значительными эксцентриситетами и наклонениями орбит. В своём движении они могут менять удаленность от планеты в 1,5-2 раза, отклоняясь при этом от её экваториальной плоскости на многие миллионы километров. Эти восемь внешних спутников Юпитера сгруппированы в две команды, которые были названы по наиболее крупным телам : группа Гималии, куда также входят Леда, Лиситея и Элара;и группа Пасифе с Ананке, Карме и Синопе. Эти спутники открывались с помощью наземных телескопов в течение 70 лет( 1904 -1974).Средние радиусы планет группы Гималии соответствуют 11,1-11,7 млн. км. спутники группы Гималии совершают оборот вокруг Юпитера за 240-260 суток, а группы Пасифе --за 630-760 суток, т.е. более чем за два года. Собственные радиусы спутников очень малы : в группе Гималии - от 8 км у Леды до 90 км у Гималии; в группе Пасифе -от 15 до 35 км. они черны и неровны. Внешние спутники, входящие в группу Пасифе, вращаются вокруг Юпитера в обратную сторону.

Учёные еще не пришли к единому мнению о происхождении нерегулярных спутников.( Считается, что регулярные внутренние спутники сформировались из околопланетного газопылевого диска в результате слипания многих мелких частиц.) Ясно только, что важную роль в формировании внешних спутников играл захват Юпитером астероидов. Компьютерные расчеты показывают, что, возможно, группа Пасифе возникла в результате систематического захвата планетой мелких частиц и астероидов на обратные орбиты во внешней области околоюпитерианского диска.

Список литературы

1. Жарков В.Н. "Внутреннее строение Земли и планет", М.: Наука, 1974 год.

2. Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия /Глав. ред. М.Д. Аксенова - М.: Аванта+, 1997 г., 688с: ил.

3. Материалы с сайта http://referat2000.bizforum.ru/