Размещено на http://www.allbest.ru/

Планеты-гиганты

юпитер сатурн уран нептун

Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) сильно отличаются от планет земной группы. У них нет твердой поверхности, и все они окружены атмосферами, которые никак нельзя назвать разреженными. Эти планеты представляют собой огромные жидкие шары из водорода и гелия, возможно, с небольшим твердым ядром внутри. По своему химическому составу они напоминают Солнце и другие звезды, однако из-за их гораздо меньшей массы в них не смогли начаться термоядерные реакции, служащие источником энергии звезд.

Строение.

Благодаря наземным наблюдениям и информации, переданной межпланетными зондами, мы располагаем прямыми данными наблюдений за верхними 2000 км атмосфер планет-гигантов. Однако при исследовании более глубоких слоев мы можем опираться только на теоретические модели. Их выбор определяется ограничениями, которые накладывают другие данные наблюдений. Это известное соотношение содержания водорода и гелия во внешних слоях атмосферы, наблюдаемое превышением энергии, излучаемой планетой, над энергией, получаемой от Солнца, и гравитационными аномалиями, которые зафиксировали межпланетные зонды. Таким образом, можно считать, что атмосфера планеты-гиганта простирается внутрь нее вплотьдо границы гипотетического ядра, однако температура и давление в ней сильно отличаются от всего того, что когда-либо воспроизводилось в земных лабораториях. Кроме водорода и гелия, атмосферы планет-гигантов, по-видимому, содержат небольшое количество углерода, азота, кремния, марганца, серы и других элементов.

Юпитер и Сатурн.

В обоих наружных слоях этих двух планет есть очень разреженная внешняя атмосфера, состоящая из водорода. Под ней расположена средняя атмосфера, состоящая из водорода и гелия (соответственно 90% и 10% у Юпитера, 93 и 7% у Сатурна) и небольшого количества (0,1 %) других соединений, главным образом метана, Нижняя атмосфера расположена под тропопаузой (уровень температурного минимума в атмосфере планеты: 120 К у Юпитера и 85 К у Сатурна). В нижней атмосфере имеется небольшое количество аммиака, который там очень важен. Именно в нижней атмосфере возникают наблюдаемые с Земли облачные структуры (особенно активно они проявляются на Юпитере). Облака начинаются на уровне, где давление равно 1 атм, и их считают своего рода "поверхностью" планеты. Ниже этого уровня планета непрозрачна для излучения, но при этом она все еще не однородна. На уровне, где давление достигает 1 млн атм, происходит очень важное изменение. При этом давлении молекулы водорода разрушаются, и образуется неправильная структура из свободных протонов. Электроны теряют связь с конкретными ядрами атомов водорода и начинают свободно передвигаться между протонами. В результате плотность скачком возрастает с 1,1 до 4 г/см³ Температура металлического водорода составляет всего 8000 К, а в это: случае гелий в металлическом водороде нерастворим и образ) капли, которые осаждаются к центру планеты. Выделяющаяся при этом гравитационная энергия служит источником разогрева Сатурна. Опусканием гелия, вероятно, можно объяснить то, что во внешней атмосфере Сатурна его содержится меньше по отношению к водороду. Наконе в центре каждой из двух планет по-видимому; находится ядро, которое состоит из силикатов, железа и, возможно, льда, аммиака и метана. Образовалось оно в результате аккреции первичных планетезималей. На Юпитере выделившаяся при первичной аккреции энергия нагрела планету; именно этим объясняют тот факт, что Юпитерт излучает в 1,7 раза больше тепл. чем получает от Солнца. Сатурн же из-за его меньшего размера должен был остыть гораздо быстрее Юпитера. И поскольку Сатурн излучает в 2,8 раза болы энергии, чем получает от Солш считается, что дополнительным источником энергии у него является рассмотренный выше процесс конденсации и опускания гелия.

Уран и Нептун.

Эти две планеты очень трудно наблюдать с Земли, а межпланетный зонд пролетел вблизи них лишь однажды. Планеты состоят из железосиликатного ядра, окруженного атмосферой из водорода, гелия и углеводородов, которая, всвок очередь, подразделяется на ионную и молекулярную части. Содержание элементов тяжелее водорода и гелия выше, чем у Юпитера и Сатурна: на Уране и Нептуне оно достигает 3% от общей массы планеты.

Кольца.

25 июля 1610 г. Галилей, наблюдая Сатурн в созданный им за несколько месяцев до этого телескоп, в первые увидел кольцо, которому планета обязана своей славой. Галилей не смог объяснить то, что увидел; первым на кольцеобразную природу этого образования указал Гюйгенс в 1654 г. А 10 марта 1977 г. при наблюдении покрытия звезды Ураном у этой планеты также было обнаружено кольцо.5 марта 1979 г. на снимках, полученных межпланетным зондом "Вояджер-1", было обнаружено кольцо вокруг Юпитера. Наконец, 25 августа 1989 г. "Вояджер-2" подтвердил, что вокруг Нептуна есть система колец. Существование колец вокруг планет-гигантов - прямое следствие законов механики. Системы спутников и колец у этих планет образовались в результате процесса, напоминающего процесс формирования планет, обращающихся вокруг Солнца. Дело в том, что тело большого размера не может сохраниться вблизи планеты. Разность гравитационного притяжения, действующего на ближайшую и наиболее удаленную от планеты части спутника стремится разорвать его. Эта разность тем больше, чем ближе спутник находится к планете, поскольку сила притяжения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Согласно расчетам, если Луна приблизится к Земле на расстояние 18 000 км, то она распадется на фрагменты размером около 200 км каждый. По той же причине влияние гравитационного поля просто не допускает формирования крупных спутников слишком близко от соответствующих планет. Это, несомненно, верно в случае Сатурна. Минимальное расстояние, на котором спутник еще может существовать, называется пределом Роша и определяется следующей формулой:

А = 2,446 R (р/р) %

где R_n равно радиусу планеты, р_и равно плотности планеты, ар - плотности гипотетического спутника.

Современная конфигурация колец обязана своим существованием таюке влиянию гравитационного притяжения спутников. Подобно тому как резонансы с Юпитером привели к образованию пустых "люков" в кольце астероидов, резонансы со спутниками Сатурна породили щели в системе колец этой планеты. В то же время наличие спутников с очень близкими орбитами может приводить к эффекту гравитационной фокусировки и концентрации частиц в тонких кольцах, Кольца Юпитера представляют собой довольно плотную (правда, не столь плотную, как у Сатурна) область оранжеватого цвета, заполненную силикатными частицами очень малых размеров (менее 8 микрон). Продолжением этой области снаружи и внутри является диффузная туманность. Кольца Юпитера, возможно, образовались при распаде спутника, проникшего внутрь полости Роша. За пределами полости Роша находится четвертое, очень протяженное кольцо, по-видимому обязанное своим происхождением извержениям вулканов на спутнике Ио. Кольца Сатурна гораздо обширнее, и их структура более сложная. Традиционно кольца Сатурна разделяют на семь частей. Кольца А и В видны в обычный бинокль. Кольцо F очень узкое, извилистое. Оно - результат воздействия на частицы кольца гравитационных возмущений со стороны двух спутников планеты: орбита одного из них расположена пне, а другого - внутри кольца (так называемые спутники-"пастухи"). За исключением кольца Е, связанного со спутником Энцелад остальные кольца Сатурна состоят из множества тонких концентрических колец, обязанных своим существован многочисленным резонансам в обширной системе спутников планеты. Кольца состоят из покрытых льдом частиц размером от одного микрона до километра (при этом размеры их основной части - от сантиметра до метр Различия яркости внутри коле определяются размерами част их пространственной плотное Кольца Урана очень темные, потому что составляющие их частицы не прокрыты льдом. Самое крупное из этих девяти колец, так называемое кольцо Эпсилон, имеет вытянутую форму и переменную ширину. Есть также свидетельства существования неполных колец. Своей малой толщиной эти кольца обязаны спутникам-" пастухам". Кольца Нептуна состоят из четырех компонентов. В само* значительном из них имеются мощные конденсации, одно время кольцо считалось неполным.

Галилеевы спутники

Четыре больших спутника Юпитера были открыты Галилеем в 1610 г и стали сильным доводом в пользу теории Коперника. Крупнейшие из них - Ганимед и Каллисто - сходны по внутреннему строению. Большое силикатное ядро окружено оболочкой из воды в жидком состоянии, которая, в свою очередь, покрыта корой из льда и силикатов. У Европы также есть водная оболочка, правда, менее толстая. Более удаленные от планеты спутники еще в большей степени состоят из воды. На Ио вулканическая активность привела к потере этим спутником летучих элементов (если они вообще когда-либо там были), и теперь Ио - однородный силикатный шар, возможно, с относительно более плотным ядром. Обнаружение вулканической деятельности на Ир стало одним из величайших открытий, сделанных с помощью космических зондов "Вояджер". Поверхность спутника покрыта соединениями серы - продуктами извержений вулканов; именно с этим связано наблюдаемое на нем разнообразие красок. Ударных кратеров нет; современная поверхность молодая и является результатом вулканической деятельности. Есть множество вулканов с потоками лавы длиной в сотни километров и отложениями серы и двуокиси серы; эти отложения охватывают области размером до 2000 км и своим появлением обязаны извержениям серы, которые подобны по своей природе земным гейзерам. Высота гейзеров на Ио достигает 300 км, а скорость истечения газа - 1км/с. Источником энергии для этой бурной активности служит внутреннее трение, причина которого - вызванные Юпитером приливы. Вулканическая активность на Ио привела к образованию этого спутника заметной, правда сильно переменной, атмосферы. Она состоит из двуокиси серы и заполняющих всю его орбиту облаков из ионов серы, кислорода, а также натрия и калия. Европа - одно из самых гладких и светлых тел Солнечной системы (этот спутник отражает 60% падающего на него солнечного света}. Поверхность Европы, по-видимому состоит из чистого льда, на ней нет кратеров, но встречаются разломы длиной до 3000 км и шириной до 70 км. Епубина некоторых разломов достигает сотен метров, и это единственные заметные неровности рельефа. Возможно, распад радиоактивных элементов обеспечивал достаточно энергии для поддержания жидкого океана на поверхности спутника во время фазы интенсивной метеоритной бомбардировки в первичной Солнечной системе. Впоследствии океан частично замерз, образовав современную ледяную кору в которой в результате конвективных движений жидкости образовались разломы. Ганимед - самый большой из четырех Галилеевых спутников. На его поверхности встречаются как светлые, так и темные области. Темные древнее и покрыты многочисленными ударными кратерами, а светлые моложе, с более изрезанной структурой. Возможно, первичная ледяная кора была разрушена при падении крупных метеоритов, а образовавшиеся пробелы заполнились льдом из внутренних областей спутника. Каллисто - самый темный из четырех спутников, и его поверхность самая древняя. Он почти весь покрыт ударными кратерами со средним диаметром около 100 км. Очень больших кратеров нет. Однако долина, образованная концентрическими кольцами, - по-видимому; результат падения крупного метеорита. Благодаря пластичности ледяной коры следы падения других метеоритов сгладились.

Титан.

Титан - один из трех планетных спутников с собственной атмосферой (другие два - Ио и Тритон), но при этом он единственный спутник с достаточно устойчивой атмосферой. Атмосферу Титана открыл в 1920 г испанский астроном Хосе Комас Сола в обсерватории Фабра близ Барселоны. Однако существование у Титана атмосферы не признавали вплоть до 1944г., пока американский астроном Джерард Койпер, изучая спектр Титана, не открыл ее заново. У Титана есть твердое ядро радиусом 1700 км, содержащее 55% общей массы спутника. Ядро покрыто оболочкой из гидратов аммиака и метана в жидком состоянии, над которой располагается ледяная поверхность с океанами из жидкого этана, возможно, с небольшой примесью азота. Химический состав атмосферы Титана пока еще в точности не изучен, поскольку основной ее компонент-азот (его доля в атмосфере от 65 до 98%) - с трудом поддается обнаружению. Следующим по относительном) ' содержанию компонент атмосферы - аргон (на него приходится до 2о% массы атмосферы), а за ним метан {его доля составляет от 2 до 10%). При господствующих на Титане температурах возможно образование метановых облаков и выпадение осадков в виде метановых дождей. Под действием солнечного излучения молекулы метана и азота в верхних слоях атмосферы Титана распадаются, создавая благоприятные условия для химических реакций с образованием органических соединений - этана, пропана, ацетилена, этилена, синильной кислоты и других химических компонентов, необходимых для появления жизни. Возможно, Титан-это то место, где в настоящее время происходят процессы, подобные тем, что когда-то привели к зарождению жизни на Земле.

Тритон.

Это самое холодное тело Солнечной системы. Температура его поверхности всего 37 К, и покрыта она твердым азотом и метаном. У Тритона есть очень разреженная атмосфера с давлением всего 10 микробар, состоящая из азота и метана. Возможно, она возникла в результате холодной вулканической деятельности: жидкий азот из недр спутника выходит на поверхность в форме гейзеров. Поверхность Тритона отличается разнообразием структур и, по-видимому, очень молодая, о чем свидетельствует малое количество ударных кратеров.

Размещено на Allbest.ru