Сайт учителя Яковлева Михаила Юрьевича

Юпитер — пятая по удалению от Солнца и первая по величине планета Солнечной системы. Планета известна с античных времён и названа в честь древнеримского бога Юпитера, аналога древнегреческого Зевса. Относится к типу газовых гигантов.

Параметры планеты

Юпитер — самая большая планета Солнечной системы. Его экваториальный радиус равен 71,4 тыс. км, что в 11,2 раза превышает радиус Земли. При наблюдении Юпитера в телескоп с 40-кратным увеличением, его угловые размеры соответствуют размерам Луны, наблюдаемой невооружённым глазом.

Масса Юпитера более чем в 2 раза превышает суммарную массу всех остальных планет, в 318 раз — массу Земли и всего в 1000 раз меньше массы Солнца. Если бы Юпитер был примерно в 70 раз массивнее, он мог бы стать звездой. Плотность Юпитера примерно равна плотности Солнца и значительно уступает плотности Земли.

Экваториальная плоскость планеты близка к плоскости её орбиты, поэтому на Юпитере не бывает смен времён года.

Юпитер вращается вокруг своей оси, причём не как твёрдое тело: угловая скорость вращения уменьшается от экватора к полюсам. На экваторе сутки длятся около 9 ч 50 мин. Юпитер вращается быстрее, чем любая другая планета Солнечной системы. Вследствие быстрого вращения, полярное сжатие Юпитера весьма заметно: полярный радиус меньше экваториального на 4,6 тыс. км (т. е. на 6,5%).

Всё, что мы можем наблюдать на Юпитере — это облака верхнего слоя атмосферы. Гигантская планета состоит преимущественно из газа и не имеет привычной нам твёрдой поверхности.

Юпитер выделяет в 2—3 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Это может объясняться постепенным сжатием планеты, опусканием гелия и более тяжёлых элементов или процессами радиоактивного распада в недрах планеты.

Внутреннее строение Юпитера

Юпитер состоит, в основном, из водорода и гелия. 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°С). Чёткой границы, отделяющей газообразный водород от жидкого, по-видимому, не существует. Это должно выглядеть как непрерывное кипение глобального водородного океана.

Под жидким водородом находится слой металлического водорода толщиной, согласно теоретическим моделям, около 30-50 тыс. км. Жидкий металлический водород формируется при давлении в несколько миллионов атмосфер. Протоны и электроны в нём существуют раздельно и он является хорошим проводником электричества. Мощные электротоки, возникающие в слое металлического водорода, порождают гигантское магнитное поле Юпитера.

Учёные полагают, что Юпитер имеет ядро, состоящее из тяжёлых элементов (более тяжёлых, чем гелий). Его размеры — 15—30 тыс. км в диаметре, ядро обладает высокой плотностью. По теоретическим расчётам, температура ядра планеты — порядка 30 000°С, а давление — 30—100 млн. атмосфер.

Атмосфера Юпитера

Атмосфера Юпитера состоит из водорода (81 % по числу атомов и 75 % по массе) и гелия (18 % по числу атомов и 24 % по массе). На долю остальных веществ приходится не более 1 %. В атмосфере присутствуют метан, водяной пар, аммиак; имеются также следы органических соединений, этана, сероводорода, неона, кислорода, фосфина, серы. Внешние слои атмосферы содержат кристаллы замороженного аммиака.

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

Температура внешнего слоя облаков — около -130 °C, однако быстро растёт с глубиной. По данным спускаемого аппарата «Галилео», на глубине 130 км температура равна +150 °C, давление — 24 атмосферы. Давление у верхней границы облачного слоя — около 1 атм, т. е. как у поверхности Земли. «Галилео» обнаружил «тёплые пятна» вдоль экватора. По-видимому, в этих местах слой внешних облаков тонок и можно видеть более тёплые внутренние области.

Скорость ветров на Юпитере может превышать 600 км/ч. Циркуляция атмосферы определяется двумя основными факторами. Во-первых, вращение Юпитера в экваториальных и полярных областях неодинаково, поэтому атмосферные структуры вытягиваются в полосы, опоясывающие планету. Во-вторых, имеется температурная циркуляция за счёт тепла, выделяющегося из недр. 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.

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. 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. На границах поясов и зон наблюдается сильная турбулентность, которая приводят к образованию многочисленных вихревых структур. Наиболее известным таким образованием является Большое красное пятно, наблюдающееся на поверхности Юпитера в течение последних 300 лет.

В атмосфере Юпитера наблюдаются молнии, мощность которых на три порядка превышает земные, а также полярные сияния. Кроме того, орбитальным телескопом «Чандра» обнаружен источник пульсирующего рентгеновского излучения (названный Большим рентгеновским пятном), причины которого представляют пока загадку.

Большое красное пятно Юпитера

Большое красное пятно — овальное образование изменяющихся размеров, расположенное в южной тропической зоне. В настоящее время оно имеет размеры 15*30 тыс. км (значительно больше размеров Земли), а 100 лет назад наблюдатели отмечали в 2 раза большие размеры. Иногда оно бывает не очень чётко видимым. Большое красное пятно — это уникальный долгоживущий гигантский ураган (антициклон), вещество в котором вращается против часовой стрелки и совершает полный оборот за 6 земных суток. Оно характеризуется восходящими течениями в атмосфере. Облака в нём расположены выше, а температура их ниже, чем в соседних областях.

Магнитное поле и магнитосфера Юпитера

Юпитер обладает мощным магнитным полем; ось диполя наклонена к оси вращения на 10°. Напряжённость поля на уровне видимой поверхности облаков равна 14 Э у северного полюса и 10,7 Э у южного. Его полярность обратна полярности земного магнитного поля.

Существование магнитного поля объясняется наличием в недрах Юпитера металлического водорода, который, будучи хорошим проводником, вращающимся с большой скоростью, создаёт магнитные поля.

Юпитер окружён мощной магнитосферой, которая на дневной стороне тянется до расстояния в 50—100 радиусов планеты, а на ночной стороне протягивается за орбиту Сатурна. Ускоренные в магнитосфере Юпитера электроны достигают Земли. Если бы магнитосферу Юпитера можно было бы видеть с поверхности Земли, то её угловые размеры превышали бы размеры Луны.

Магнитосфера формируется преимущественно за счёт потоков заряженных частиц, которые выносятся магнитным полем планеты из плазменного тора вокруг орбиты Ио. Источником частиц являются вулканы Ио. Магнитосфера формируется также за счёт частиц солнечного ветра.

Юпитер обладает мощными радиационными поясами. При сближении с Юпитером «Галилео» получил дозу радиации, в 25 раз превышающую смертельную дозу для человека. Радиоизлучение радиационного пояса Юпитера впервые было обнаружено в 1955. Радиоизлучение носит синхротронный характер.

Юпитер окружён ионосферой протяжённостью 3000 км.

Подобно полярным сияниям на Земле полярные сияния на Юпитере обусловлены стеканием заряженных частиц вдоль линий магнитного поля в атмосферу в районе северного и южного полюсов планеты. Однако магнитное поле Юпитера очень велико, поэтому выброшенное с вулканического спутника Ио ионизованное вещество, улавливаемое магнитным полем Юпитера, создаёт сияния в тысячу раз интенсивнее, чем полярные сияния на Земле.

Спутники и кольца

По данным на декабрь 2005 года у Юпитера насчитывается 63 спутника, максимальное значение для Солнечной системы. По оценкам, спутников может быть не менее сотни. Четыре самых крупных спутника — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — были открыты ещё в 1610 г. Галилео Галилеем. Наибольший интерес представляет Европа, обладающая глобальным океаном, в котором не исключено наличие жизни. Все крупные спутники Юпитера вращаются синхронно, и всегда обращены к Юпитеру одной и той же стороной вследствие влияния мощных приливных сил планеты-гиганта. Остальные спутники намного меньше, и представляют собой скалистые тела неправильной формы. Среди них есть обращающиеся в обратную сторону.

У Юпитера имеются слабые кольца, обнаруженные во время прохождения мимо Юпитера «Вояджера-1» в 1979. С Земли кольца могут быть замечены при наблюдении в инфракрасном диапазоне. По результатам исследований «Галилео» был сделан вывод, что источником пополнения колец являются небольшие спутники Юпитера.

Изучение Юпитера космическими аппаратами

Юпитер изучался исключительно аппаратами НАСА.

В 1973 и 1974 мимо Юпитера прошли «Пионер-10» и «Пионер-11» на расстоянии (от облаков) 132 тыс. км и 43 тыс. км соответственно. Аппараты передали несколько сот снимков (невысокого разрешения) планеты и галилеевых спутников, впервые измерили основные параметры магнитного поля и магнитосферы Юпитера.

В 1979 около Юпитера пролетели «Вояджеры» (на расстоянии 207 тыс. км и 570 тыс. км). Аппараты передали большое количество подробных снимков планеты и её спутников, а также много других ценных данных (в частности, были обнаружены кольца Юпитера).

В 1992 мимо планеты прошёл «Улисс» на расстоянии 900 тыс. км. Аппарат провёл измерения магнитосферы Юпитера («Улисс» предназначен для изучения Солнца и не имеет фотокамер).

С 1995 по 2003 на орбите Юпитера находился «Галилео». С помощью этой миссии было получено множество новых данных. В частности, спускаемый аппарат впервые изучил атмосферу газовой планеты изнутри.

В 2000 мимо Юпитера пролетел «Кассини». Он сделал ряд снимков планеты с рекордным разрешением и получил новые данные о плазменном торе Ио. По снимкам «Кассини» были составлены самые подробные на сегодняшний день цветные «карты» Юпитера, на которых размер самых мелких деталей составляет 120 км. Кроме того, был поставлен уникальный эксперимент по измерению магнитного поля планеты одновременно с двух точек («Кассини» и «Галилео»).

28 февраля 2007 по пути к Плутону в окрестностях Юпитера совершил гравитационный манёвр аппарат «Новые горизонты».

На 2010 запланирован запуск аппарата «Юнона», который должен выйти на орбиту Юпитера и провести детальные исследования планеты.

В 2010-х годах планируется осуществление межпланетной миссии по изучению галилеевых спутников.

Жизнь на Юпитере

В настоящее время наличие жизни на Юпитере представляется маловероятным в виду низкой концентрации воды в атмосфере и отсутствия твёрдой поверхности. В 1970-х годах Карл Саган высказывался по поводу возможности существования в верхних слоях атмосферы Юпитера жизни на основе аммиака . Следует отметить, что даже на небольшой глубине в юпитерианской атмосфере температура и плотность достаточно высоки и возможность по крайней мере химической эволюции исключать нельзя, поскольку скорость и вероятность протекания химических реакций благоприятствуют этому.

Комета Шумейкеров-Леви

В июле 1992 года к Юпитеру приблизилась комета. Она прошла на расстоянии около 15 тысяч километров от верхней границы облаков и мощное гравитационное воздействие планеты-гиганта разорвало её ядро на 17 больших частей. Этот кометный рой был обнаружен на обсерватории Маунт-Паломар супругами Кэролайн и Юджином Шумейкерами и астрономом-любителем Дэвидом Леви. В 1994 году, при следующем сближении с Юпитером, все обломки кометы врезались в атмосферу планеты с огромной скоростью — около 64 километров в секунду. Этот грандиозный космический катаклизм наблюдался как с Земли, так и с помощью космических средств, в частности с помощью Космического телескопа «Хаббл», инфракрасного спутника IUE и межпланетной космической станции «Галилео». Падение ядер сопровождалось интересными атмосферными эффектами, например полярными сияниями, чёрными пятнами в местах падения ядер кометы, климатическими изменениями.