Юпитер

Юпитер является пятой планетой по удаленности от Солнца и самой крупной в Солнечной системе. Так же, как и Уран, Нептун и Сатурн, Юпитер относится к газовым гигантам. Про него человечество знало уже давно. Довольно часто встречаются упоминания о Юпитере в религиозных верованиях и мифологии. В современности планета получила свое имя в честь древнеримского бога.

По масштабам на Юпитере атмосферные явления намного превосходят земные. Самым примечательным образованием на планете считается Большое красное пятно, которое является гигантским штормом, известным нам еще с 17 века.

Примерное число спутников – 67, из которых самыми крупными являются: Европа, Ио, Каллисто и Ганимед. Первым их открыл Г. Галилей в 1610 году.

Все исследования планеты проводятся при помощи орбитальных и наземных телескопов. Начиная с 70-х годов к Юпитеру отправили 8 аппаратов НАСА. Во время великих противостояний планета была видна невооруженным глазом. Юпитер относится к самым ярким объектам неба после Венеры и Луны. А спутники и сам диск считаются самыми популярными для наблюдателей.

Наблюдения за Юпитером

Оптический диапазон

Если рассматривать объект в инфракрасной области спектра, можно обратить внимание на молекулы Не и Н2, точно так же становятся заметными линии остальных элементов. Количество Н говорит о происхождении планеты, а про внутреннюю эволюцию можно узнать благодаря качественному и количественному составу других элементов. Но молекулы гелия и водорода не обладают дипольным моментом, а это означает, что их абсорбционные линии не заметны до момента поглощения ударной ионизацией. Также данные линии появляются в верхних слоях атмосферы, откуда они не способны нести данные про более глубокие слои. Исходя из этого, самую достоверную информацию о количестве водорода и гелия на Юпитере можно получить, используя аппарат «Галилео».

Касательно остальных элементов, их анализ и интерпретация сильно затруднительны. Полной достоверности о происходящих процессах в атмосфере планеты сказать никак нельзя. Также под большим вопросом химический состав. Но, по мнению большинства астрономов, все процессы, которые могут влиять на элементы, локальны и ограничены. Из этого выходит, что они не несут особых изменений в распределение веществ.

Юпитер излучает энергии на 60% больше, чем потребляет от Солнца. Данные процессы влияют на размеры планеты. В год Юпитер уменьшается на 2 см. П. Боденхеймер в 1974 году выдвинул мнение, что в момент формирования планета была в 2 раза больше, нежели сейчас, а температура была значительно выше.

Гамма-диапазон

Изучение планеты в гамма-диапазоне касается полярного сияния и изучения диска. Космическая лаборатория Эйнштейна зарегистрировала это в 1979 году. С Земли области полярного сияния в ультрафиолете и рентгене совпадают, но к Юпитеру это не относится. Более ранние наблюдения установили пульсацию излучения с периодичностью в 40 минут, но поздние наблюдения эту зависимость проявили намного хуже.

Астрономы надеялись, что при помощи рентгеновского спектра авроральное сияние на Юпитере будет похоже на сияние комет, но наблюдения с Chandra опровергли эту надежду.

По данным космической обсерватории XMM-Newton, выходит, что излучение диска в спектре гамма – это солнечное рентгеновское отражение излучения. По сравнению с полярным сиянием нет никакой периодичности интенсивности излучения.

Радионаблюдения

Юпитер относится к самым мощным радиоисточникам Солнечной системы в метровом-дециметровом диапазонах. Радиоизлучение обладает спорадическим характером. Подобные всплески происходят в диапазоне от 5 до 43 МГц, со средней шириной – 1 МГц. Продолжительность всплеска сильно мала – 0,1-1 сек. Излучение поляризовано, а по кругу может достигать 100%.

Радиоизлучение планеты в короткосантиметровом-миллиметровом диапазонах обладает чисто тепловым характером, хоть в отличие от равновесной температуры яркостная значительно выше. Эта особенность говорит о потоке тепла из недр Юпитера.

Вычисления гравитационного потенциала

Анализ траекторий космических аппаратов и наблюдения движений естественных спутников показывают гравитационное поле Юпитера. Обладает сильными отличиями в сравнении со сферически симметричным. Как правило, гравитационный потенциал представлен в разложенном виде по полиномам Лежандра.

Аппараты «Пионер-10», «Пионер-11», «Галилео», «Вояджер-1», «Вояджер-2» и «Кассини» использовали для вычисления гравитационного потенциала насколько измерений: 1) передавали изображения, чтобы определить их местоположение; 2) эффект Доплера; 3) радиоинтерферометрия. Некоторым из них при измерениях приходилось учитывать гравитационное присутствие Большого красного пятна.

Помимо этого, обрабатывая данные, приходится постулировать теорию движения спутников Галилея, обращающихся вокруг центра планеты. Огромной проблемой для точных вычислений считается учет ускорения, у которого негравитационный характер.

Юпитер в Солнечной системе

Экваториальный радиус данного газового гиганта составляет 71,4 тыс. км, тем самым в 11,2 раза превышая Земной. Юпитер – это единственная в своем роде планета, у которой центр масс с Солнцем расположен вне Солнца.

Масса Юпитера превышает суммарный вес всех планет в 2,47 раза, Земли – в 317,8 раз. Но меньше от массы Солнца в 1000 раз. По плотности сильно схожа со Светилом и в 4,16 раз меньше, чем у нашей планеты. Зато сила тяжести превышает земную в 2,4 раза.

Планета Юпитер как «неудавшаяся звезда»

Некоторые исследования теоретических моделей показали, что если бы масса Юпитера была немного большей, чем она есть в действительности, то планета начала бы сжиматься. Хоть небольшие изменения особо не повлияли бы на радиус планеты, при условии если б реальная масса увеличилась в четыре раза, планетарная плотность выросла настолько, что начался б процесс уменьшения размеров из-за действия сильной гравитации.

Исходя из данного исследования, Юпитер обладает максимальным диаметром как для планеты с аналогичной историей и строением. Дальнейшее увеличение массы привело к продолжительности сжатия до тех пор, пока Юпитер в процессе формирования звезды не превратился бы в коричневого карлика с массой, превосходящей его нынешнюю массу в 50 раз. Астрономы считают, что Юпитер – это «неудавшаяся звезда», хоть до сих пор не ясно, существует ли схожесть между процессом формирования планеты Юпитер и теми планетами, которые формируют двойные звездные системы. По ранним данным выходит, что Юпитер должен был быть в 75 раз массивнее, чтобы стать звездой, но самый маленький известный красный карлик больший в диаметре всего на 30%.

Вращение и орбита Юпитера

Юпитер с Земли имеет видимую величину в 2,94m, что делает планету третьим объектом по яркости, которые видны невооруженным взглядом после Венеры и Луны. Максимально отдалившись от нас, видимый размер планеты равен 1,61m. Минимальное расстояние от Земли к Юпитеру равно 588 миллионов километров, а максимальное — 967 миллионов километров.

Противостояние между планетами происходит каждые 13 месяцев. Нужно отметить, что раз в 12 лет проходит великое противостояние Юпитера, в данный момент планета находится возле перигелия собственной орбиты, при этом угловой размер объекта с Земли равен 50 угловым секундам.

Юпитер удален от Солнца на 778,5 миллионов километров, при этом полный оборот вокруг Солнца планета делает за 11,8 земных года. Наибольшее возмущение на движение Юпитера по собственной орбите делает Сатурн. Существует два вида возмещения:

• Вековое – оно действует на протяжении 70 тысяч лет. При этом меняется эксцентриситет орбиты планеты.

• Резонансное — проявляется за счет соотношения близости 2:5.

Особенностью планеты можно назвать то, что она имеет большую близость между плоскостью орбиты и плоскостью планеты. На планете Юпитер не бывает смены сезонов года, за счет того, что ось вращения планеты наклонена 3,13°, для сравнения можно добавить, что наклон оси Земли равен 23,45°.

Вращение планеты вокруг своей оси является самым быстрым среди всех планет, которые входят в Солнечную систему. Таким образом, в районе экватора Юпитер делает оборот вокруг оси за 9 часов 50 минут и 30 секунд, а средние широты этот оборот делают на 5 минут и 10 дольше. В силу такого вращения радиус планеты на экваторе на 6,5% больше чем в средних широтах.

Теории о существовании жизни на Юпитере

Огромное количество исследований за все время говорит о том, что условия Юпитера не способствуют зарождению жизни. Прежде всего, это объясняется низким содержанием воды в составе атмосферы планеты и отсутствием твердой основы планеты. Нужно отметить, что в 70-х годах прошлого века была выдвинута теория о том, что в верхних слоях атмосферы Юпитера возможно существование живых организмов, которые живут на основе аммиака. В поддержку данной гипотезы можно сказать, что атмосфера планеты даже на небольших глубинах имеет высокую температуру и большую плотность, а это способствует химическим эволюционным процессам. Данная теория была высказана Карлом Саганом, после чего совместно с Э.Э. Солпитером ученые проделали ряд вычислений, которые позволили вывести три предполагаемых формы жизни на планете:

• Флотеры – должны были выступать как огромные организмы, размером как большой город на Земле. Они подобны к воздушному шару, поскольку занимаются откачкой с атмосферы гелия и оставляя водород. Живут в верхних слоях атмосферы и вырабатывают молекулы для питания самостоятельно.
• Синкеры – микроорганизмы, которые способны очень быстро размножаться, что и позволяет выжить виду.
• Ханнтеры – хищники, которые питаются флотерами.

Но это только гипотезы, которые не подтверждены научными фактами.

Строение планеты

Современные технологии еще не позволяют ученым точно определить химический состав планеты, но все же верхние слои атмосферы Юпитера изучены с высокой точностью. Изучение атмосферы стало возможным только за счет спуска космического аппарата под названием «Галилео», он вошел в атмосферу планеты в декабре 1995 года. Это позволило точно говорить, что атмосфера состоит из гелия и водорода, кроме этих элементов, был обнаружен метан, аммиак, вода, фосфин и сероводород. Предполагается, что более глубокий шар атмосферы, а именно тропосфера, состоит из серы, углерода, азота и кислорода.

Также присутствуют инертные газы, такие как ксенон, аргон и криптон, причем их концентрация больше чем на Солнце. Возможность существования воды, диоксида и моноксидуглеродов возможна в верхних слоях атмосферы планеты за счет столкновения с кометами, как пример приводят комету Шумейкеров-Леви 9.

Красноватый цвет планеты объясняется присутствием соединений красного фосфора, углерода и серы или даже за счет органики, которая зародилась при воздействии электрических разрядов. Нужно отметить, что цвет атмосферы неоднороден, это говорит о том, что разные участки состоят из разных химических компонентов.

Структура Юпитера

Принято считать, что внутренняя структура планеты под облаками состоит со слоя гелия и водорода толщиной в 21 тысячу километров. Здесь вещество имеет плавный переход в своей структуре от газообразного состояния до жидкого, после чего идет слой с металлическим водородом мощностью в 50 тысяч километров. Средняя часть планеты занята твердым ядром с радиусом в 10 тысяч километров.

Наиболее признанная модель строения Юпитера:

1. Атмосфера:
2. Внешний водородный слой.

• Средний слой представлен гелием (10%) и водородом (90%).

• Нижняя часть состоит из смеси гелия, водорода, аммония и воды. Этот слой подразделяют еще на три:

  • Верхний – аммиак в твердой форме, который имеет температуру в −145 °C с давлением в 1 атм.
  • Посередине находится гидросульфат аммония в кристаллизованном состоянии.
  • Нижнюю позицию занимает вода в твердом состоянии и возможно даже в жидком. Температура составляет порядка 130 °C, а давление 1 атм.

2. Слой, состоящий из водорода в металлическом состоянии. Температуры могут меняться от 6,3 тысяч до 21 тысячи кельвинов. При этом давление так же изменчиво – от 200 и до 4 тысяч Гпа.
3. Каменное ядро.

Создание данной модели стало возможным за счет анализа наблюдений и проведенных исследований с учетом законов экстраполяции и термодинамики. Нужно отметить, что данная структура строения не имеет четких границ и переходов между соседними слоями, а это в свою очередь говорит о том, что каждый слой полностью локализован, и исследовать их можно отдельно.

Атмосфера Юпитера

Температурные показатели роста по всей планете не монотонны. В атмосфере Юпитера, так же как и в атмосфере Земли, можно выделить несколько слоев. Верхние слои атмосферы обладают самыми высокими показателями температуры, а двигаясь к поверхности планеты, данные показатели значительно снижаются, но в свою очередь растет давление.

Термосфера планеты теряет большую часть тепла самой планеты, также здесь формируется так называемое полярное сияние. Верхней границей термосферы принято считать отметку давления в 1 нбар. При изучении были получены данные по температуре в этом слое, она достигает показателя в 1000 К. Ученым еще не удалось объяснить, почему здесь такая высокая температура.

Данные с аппарата «Галилео» показали, что температура верхних облаков составляет −107 °C при давлении в 1 атмосферу, а при спуске на глубину в 146 километров температура возрастает до показателя в +153 °C и давление в 22 атмосферы.

Будущее Юпитера и его спутников

Всем известно, что в итоге Солнце, как и другая звезда, исчерпает весь запас термоядерного топлива, при этом его светимость будет увеличиваться на 11% каждый миллиард лет. За счет этого привычная обитаемая зона значительно сместится за пределы орбиты нашей планеты вплоть до достижения поверхности Юпитера. Это позволит на спутниках Юпитера растопить всю воду, что позволит положить начало зарождения живых организмов на планете. Известно, что через 7,5 млрд лет Солнце как звезда превратится в красного гиганта, за счет этого Юпитер обретет новый статус и станет горячим Юпитером. При этом температура поверхности планеты будет составлять порядка 1000 К, а это приведет к свечению планеты. В этом случае спутники будут выглядеть как безжизненные пустыни.

Спутники Юпитера

Современные данные говорят, что Юпитер имеет 67 естественных спутников. Со слов ученых можно сделать вывод, что таких объектов вокруг Юпитера может быть больше сотни. Спутники планеты названы в основном в честь мифических персонажей, которые в какой-то мере связаны с Зевсом. Все спутники подразделены на две группы: внешние и внутренние. К внутренним относятся только 8 спутников, среди которых и галилеевы.

Первые спутники Юпитера были открыты еще в 1610 году известным ученым Галилео Галилеем, это Европа, Ганимед, Ио и Каллисто. Данное открытие стало подтверждением правоты Коперника и его гелиоцентрической системе.

Вторая половина XX века ознаменовалась активным изучением космических объектов, среди которых особого внимания заслуживает Юпитер. Эту планету исследовали с помощью мощных наземных телескопов и радиотелескопов, но самые большие достижения в этой отрасли были получены за счет применения телескопа «Хаббла» и запуска большого количества зондов к Юпитеру. Исследования активно продолжаются и на данный момент, поскольку Юпитер хранит еще много тайн и загадок.