Планеты-гиганты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Планеты-гиганты -- четыре планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун; расположены за пределами кольца малых планет.

Эти планеты, имеющие ряд сходных физических характеристик, также называют внешними планетами. [1]

В отличие от твердотельных планет земной группы, все они являются газовыми планетами, обладают значительно большими размерами и массами (вследствие чего давление в их недрах значительно выше), более низкой средней плотностью (близкой к средней Солнечной, 1,4 г/смі), мощными атмосферами, быстрым вращением, а также кольцами (в то время как у планет земной группы таковых нет) и бомльшим количеством спутников. Почти все эти характеристики убывают от Юпитера к Нептуну.
В группу планет гигантов входят: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Все эти планеты (и особенно Юпитер) имеют большие размеры и массы. Например, по объему Юпитер превосходит Землю почти в 1320 раз, а по массе - в 318 раз.

Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей; менее 10 ч требуется огромному Юпитеру, чтобы совершить один оборот. Причем экваториальные зоны планет-гигантов вращаются быстрее, чем полярные, т. е. там, где максимальны линейные скорости точек в их движении вокруг оси, максимальны и угловые скорости. Результат быстрого вращения - большое сжатие планет-гигантов (заметное при визуальных наблюдениях). Разность экваториального и полярного радиусов Земли составляет 21 км, а у Юпитера она равна 4400 км.

Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господствуют низкие температуры. На Юпитере вообще нет смены времен года, поскольку ось этой планеты почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты. Своеобразно происходит смена времен года и на планете Уран, так как ось этой планеты наклонена к плоскости орбиты под углом 8 град.

Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников; у Юпитера их обнаружено к настоящему времени 16, Сатурна - 17, Урана - 16 и только у Нептуна - 8. Замечательная особенность планет-гигантов - кольца, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Нептуна.

Важнейшая особенность строения планет-гигантов заключается в том, что эти планеты не имеют твердых поверхностей. Такое представление хорошо согласуется с малыми средними плотностями планет-гигантов, их химическим составом (они состоят в основном из легких элементов - водорода и гелия), быстрым зональным вращением и некоторыми другими данными. Следовательно, все, что удается рассмотреть на Юпитере и Сатурне (на более далеких планетах детали вообще не видны), происходит в протяженных атмосферах этих планет. На Юпитере даже в небольшие телескопы заметны полосы, вытянутые вдоль экватора. В верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы Юпитера в виде примесей встречаются химические соединения (например, метан и аммиак), углеводороды (этан, ацетилен), а также различные соединения (в том числе содержащие фосфор и серу), окрашивающие детали атмосферы в красно-коричневые и желтые цвета. Таким образом, по своему химическому составу планеты-гиганты резко отличаются от планет земной группы. Это отличие связано с процессом образования планетной системы.

На фотографиях, переданных с борта американских АМС "Пионер" и "Вояджер", отчетливо видно, что газ в атмосфере Юпитера участвует в сложном движении, которое сопровождается образованием и распадом вихрей. Предполагается, что наблюдаемое на Юпитере около 300 лет Большое Красное Пятно (овал с полуосями 15 и 5 тыс. км) тоже представляет собой огромный и очень устойчивый вихрь. Потоки движущегося газа и устойчивые пятна видны и на снимках Сатурна, переданных автоматическими межпланетными станциями.

"Вояджер-2" дал возможность рассмотреть и детали атмосферы Нептуна.

Вещество, находящееся под облачным слоем планет-гигантов, недоступно непосредственному наблюдению. О его свойствах можно судить по некоторым дополнительным данным. Например, предполагают, что в недрах планет-гигантов вещество должно иметь высокую температуру. Как же такой вывод был сделан? Во-первых, зная расстояние Юпитера от Солнца, вычислили количество теплоты, которое Юпитер от него получает. Во-вторых, определили отражательную способность атмосферы, что позволило узнать, сколько солнечной энергии планета отражает в космическое пространство. Наконец, вычислили температуру, которую должна иметь планета, находящаяся на известном расстоянии от Солнца. Она оказалась близкой к -160 град С. Но температуру планеты можно определить и непосредственно, исследуя ее инфракрасное излучение с помощью наземной аппаратуры или приборов, установленных на борту АМС. Такие измерения показали, что температура Юпитера близка к -130 град С, т. е. выше расчетной. Следовательно, Юпитер излучает энергии почти в 2 раза больше, чем получает от Солнца. Это и позволило сделать вывод о том, что планета обладает собственным источником энергии.

Совокупность всех имеющихся сведений о планетах-гигантах дает возможность построить модели внутреннего строения этих небесных тел, т. е. рассчитать, каковы плотность, давление и температура в их недрах. Например, температура вблизи центра Юпитера достигает нескольких десятков тысяч Кельвинов.

В отличие от планет земной группы, обладающих корой, мантией и ядром, на Юпитере газообразный водород, входящий в состав атмосферы, переходит в жидкую, а затем и в твердую (металлическую) фазу. Появление таких необычных агрегатных состояний водорода (в последнем случае он становится проводником электричества), связано с резким увеличением давления по мере погружения в глубину. Так, на глубине, несколько большей 0.9 радиуса планеты, давление достигает 40 млн. атмосфер.

Возможно, что с быстрым вращением проводящего ток вещества, находящегося в центральных областях планет-гигантов, связано существование значительных магнитных полей этих планет. Особенно велико магнитное поле Юпитера. Оно во много раз превосходит магнитное поле Земли, причем полярность его обратна земной (у Земли вблизи северного географического полюса расположен южный магнитный). Магнитное поле планеты улавливает летящие от Солнца заряженные частицы (ионы, протоны, электроны и др.), которые образуют вокруг планеты пояса частиц высоких энергий, называемые радиационными поясами. Такие пояса из всех планет земной группы есть только у нашей планеты. Радиационный пояс Юпитера простирается на расстояние до 2,5 млн. км. Он в десятки тысяч раз интенсивнее земного. Электрически заряженные частицы, движущиеся в радиационном поясе Юпитера, излучают радиоволны в диапазоне дециметровых и декаметровых волн. Как и на Земле, на Юпитере наблюдаются полярные сияния, связанные с прорывом заряженных частиц из радиационных поясов в атмосферу, а также мощные электрические разряды в атмосфере (грозы).

Юпитер и Сатурн - удобные объекты для астрономических наблюдений, это самые большие планеты солнечной системы. Юпитер находится на расстоянии 5,2 астрономические единицы от Солнца и получает лишь 4% солнечной энергии, по сравнению с той, что получает Земля. Сатурн получает еще в четыре раза меньше, он расположен на удалении 9,54 а.е. от Солнца. На долю планет гигантов приходится 99,5% всей массы солнечной системы (исключая Солнце). Быстрое вращение Юпитера и Сатурна сделали их сплюснутыми. Даже невооруженным глазом (но в телескоп!) отлично видна сплюснутость и Юпитера, и Сатурна.

Из четырех гигантских планет лучше всего изучен Юпитер, самая большая и ближайшая из этой группы к Солнцу планета. Он в 11 раз больше 3емли по диаметру и в 300 раз по массе. Период его обращения вокруг Солнца почти 12 лет, а расстояние от него 5,2 а.е. Ось вращения Юпитера почти перпендикулярна к плоскости его орбиты, и поэтому никакой смены времен года на нем нет. У всех гигантских планет вращение вокруг оси довольно быстрое, а плотность мала. Вследствие этого у них значительное сжатие. У Юпитера оно равно 1/16. и его сразу можно заметить в телескоп. У Сатурна сжатие еще больше: 1/10, но заметно оно лишь тогда, когда Земля находится в плоскости экватора планеты.

Все планеты-гиганты окружены мощными протяженными атмосферами, и мы видим в них лишь облака, вытянутые полосами, параллельными экватору. Темные облака, по-видимому, выше светлых, и яснее всего они видны на Юпитере, даже в слабый телескоп. Никаких постоянных деталей на Юпитере нет, кроме уже три столетия наблюдаемого загадочного красного пятна, имевшего красный цвет около столетия тому назад. Юпитер вращается зонами -- чем ближе к полюсам, тем медленнее. На экваторе период вращения 9 ч 50 мин, а у красного пятна на 5 мин 11 сек больше. Периоды вращения на экваторе Сатурна -- 10 ч 14 мин, Урана -- 10 ч 49 мин, Нептуна -- около 16 ч.

Поскольку планеты-гиганты сильно удалены 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.

Спектральные наблюдения показывают, что атмосферы планет-гигантов содержат в основном молекулярный водород и метан СН4, а в атмосфере Юпитера есть еще и аммиак NН3. Отсутствие полос NН3 в спектрах более далеких планет объясняется тем, что он там вымерз. При низкой температуре аммиак конденсируется, и из него, по-видимому, состоят темные полосы Юпитера.

Теоретически построены модели массивных планет, состоящих из водорода и гелия, которые находятся в твердом состоянии из-за огромного давления, хотя в центре планеты температура может достигать нескольких тысяч градусов. Плотность газовой атмосферы у основания около 0,1 г/см3. Малая средняя плотность планет-гигантов может объясняться тем, что она получается делением массы на видимый объем, а объем мы оцениваем по непрозрачному слою обширной атмосферы. Средняя плотность Юпитера 1,3 г/см3, Урана 1,5 г/см3, Нептуна 1,7 г/см3, а Сатурна даже 0,7 г/см3, то есть меньше, чем плотность воды. Малая плотность и обилие водорода отличают планеты-гиганты от остальных планет.

Красное пятно Юпитера может быть твердым островом из легкого вещества, плавающим в океане сжатого водорода.

Юпитер, помимо слабого постоянного радиоизлучения, обнаруживает всплески радиоизлучения различной силы. Оказывается, что они исходят преимущественно из двух областей на нем.

Причиной радиоизлучений могут быть подобия мощных грозовых разрядов, вторжения частиц из магнитосферы Юпитера или колебания электронов и ионов в плазме атмосферы планеты. У Сатурна обнаружено лишь небольшое, спокойное радиоизлучение.

Единственным в своем роде образованием в солнечной системе является плоское кольцо толщиной несколько километров, окружающее Сатурн. Оно расположено в плоскости экватора планеты, которая наклонена к плоскости его орбиты на 27°. Поэтому в течение 30-летнего оборота Сатурна вокруг Солнца кольцо видно нам то довольно раскрытым, то точно с ребра, когда его можно разглядеть в виде тонкой линии лишь в большие телескопы. Ширина этого кольца такова, что по нему, будь оно сплошное, мог бы катиться земной шар.

Подтверждая теоретический вывод о том, что сплошное кольцо у Сатурна было бы неустойчиво и должно поэтому состоять из множества мелких частиц, русский ученый А. А. Белопольский изучил спектр кольца. По спектру выяснилось, что внутренние части кольца вращаются быстрее, чем наружные, в соответствии с III законом Кеплера. Частицы имеют размеры, по-видимому, от 1см до 1м.В кольце есть пустые кольцевые промежутки, отчего иногда говорят о кольцах Сатурна. Промежутки находятся в тех местах, где движение частиц кольца было бы неустойчивым из-за возмущений, производимых крупными спутниками Сатурна. Кольцо либо результат разрушения приливами спутника, слишком приблизившегося к планете, либо остатки вещества, из которого сгущались спутники, но которое так близко к Сатурну не могло собраться в одно тело из-за сильных приливов на этом расстоянии. Из остальных данных о планетах заслуживает упоминания факт осевого вращения Урана в направлении, противоположном тому, в котором вращаются все планеты. Ось его образует с плоскостью орбиты угол всего лишь 8°, так что он вращается как бы лежа на боку. Вследствие этого на планете происходит крайне резкая смена времен года. Год на Уране продолжается 84 земных года. Уран и Венера -- единственные планеты, вращающиеся не в ту сторону, в которую вращаются все остальные.

планета гигант юпитер

Размещено на Allbest.ru