Подробности системы Юпитера

Планета, названная в честь верховного бога в античной мифологии Зевса (у римлян - Юпитер) превосходит Землю в 1320 раз по объему и в 11,2 раза по диаметру. Она находится на расстоянии 778 млн. км от Солнца, то есть в 5 раз дальше, чем Земля. Экваториальный радиус Юпитера 71400 км на 7% больше полярного. Экватор планеты наклонен всего на 3 градуса к орбите, поэтому там нет смены времен года, а наклон орбиты к плоскости эклиптики еще меньше - 1 градус. Юпитер движется по орбите со скоростью 13 км/с, совершая один оборот вокруг Солнца за 11,8 земных лет. Эксцентриситет орбиты составляет 0,048, что в 3 раза больше, чем у Земли. Каждые 399 суток повторяются противостояния Земли и Юпитера. Средняя плотность Юпитера - 1,33 г/см3 лишь немного превосходит плотность воды. Сила тяжести на экваторе планеты в 2,6 раза больше, чем у Земли. Юпитер почти целиком состоит из водорода и гелия: по объему соотношения этих газов составляют 89% водорода и 11% гелия, а по массе 80% и 20% соответственно.

Вся видимая поверхность Юпитера - это плотные облака, образующие многочисленные полосы желто-коричневых, красных и голубоватых оттенков. Периоды вращения этих плотных слоев, образующих систему темных поясов и светлых зон, расположенных к северу и югу от экватора до параллелей 40 градусов северной и южной широты разные: на широте 18 градусов с.ш. - 9 час.56 мин., а на широте 23 градуса - 9 час.49 мин. Пояса и зоны - это области нисходящих и восходящих потоков в атмосфере. Атмосферные течения, параллельные экватору приводятся в движение благодаря потокам тепла из глубины планеты, быстрому вращению Юпитера и энергии Солнца. Видимая поверхность зон расположена на 20 км выше поясов. На границах поясов и зон наблюдается сильная турбулентность. Водородно-гелиевая атмосфера Юпитера имеет огромную протяженность. Облачный покров расположен на высоте около 1000 км над "поверхностью", где газообразное состояние меняется на жидкое. Еще наземными методами было установлено, что поток тепла из недр Юпитера вдвое превышает приток солнечного тепла. Это может быть связано с погружением к центру планеты более тяжелых веществ и всплыванием более легких. Метеоритные потоки также могут быть источником энергии. Окраска поясов объясняется наличием аммонийных соединений, полисульфидов и фосфинов. Полосы принято называть по их положению экваториальными, тропическими, умеренными и полярными поясами и зонами. В высоких широтах облака образуют сплошное поле с коричневыми и голубоватыми пятнами поперечником до 1000 км.

Самая известная деталь Юпитера - Большое Красное Пятно - овальное образование, изменяющихся размеров, расположенное в южной тропической зоне. В настоящее время оно имеет размеры 15х30 тыс. км, а сто лет назад наблюдатели отмечали в 2 раза большие размеры. Иногда оно бывает не очень четко видимым. Большое Красное Пятно - это долгоживущий свободный вихрь в атмосфере Юпитера, совершающий полный оборот за 6 земных суток.

Изучение планет-гигантов с помощью космических аппаратов началось 3 марта 1972г., когда с Земли стартовал КА "Пионер 10", направленный в длительное путешествие к Юпитеру. Через шесть месяцев полета аппарат успешно миновал пояс астероидов и еще через 15 месяцев достиг окрестностей "царя планет", пройдя на расстоянии 130300 км от него в декабре 1973г. Масса станции составляла 260 кг, а научная аппаратура - 30 кг , в состав которой вошли детекторы заряженных частиц, космических лучей, метеорных частиц и плазмы, магнитометр, фотополяриметр, УФ фотометр, ИК радиометр и комплект из четырех оптических телескопов.

С помощью фотополяриметра получено 340 снимков облачного покрова Юпитера и поверхностей четырех самых крупных спутников: Ио, Европы, Ганимеда и Калисто.

На снимках облачного покрова планеты видны концентрические полосы серебристо-серого, оранжевого, желтого, коричневого и синего цветов. Обнаружено белое пятно поперечником более 10000 км. По данным ультрафиолетового фотометра планета имеет водородную и гелиевую короны. Предполагается, что верхний слой облачности состоит из перистых облаков аммиака, а ниже находится смесь водорода, метана и замерзших кристаллов аммиака. Инфракрасный радиометр показал, что температура внешнего облачного покрова составляет -133° С. Обнаружено мощное магнитное поле и зарегистрирована зона наиболее интенсивной радиации на расстоянии 177000 км от планеты. Шлейф магнитосферы Юпитера был обнаружен даже за пределами Сатурна. В 1987г. КА "Пионер 10" вышел за пределы Солнечной системы.

Трасса КА "Пионер 11", пролетевшего на расстоянии 43000 км от Юпитера в декабре 1974г. была построена иначе. Он прошел между радиационными поясами и самой планетой, не получив опасной дозы радиации. На КА была установлена та же аппаратура, что и на предыдущем аппарате. Анализ цветных изображений облачного слоя, полученных фотополяриметром, позволил выявить особенности и структуру облаков. Высота облаков оказалась разной в поясах и зонах. Светлые зоны и Большое Красное Пятно характеризуются восходящими течениями в атмосфере. Облака в них расположены выше, а температура их ниже, чем в соседних областях поясов.

Притяжение Юпитера развернуло КА "Пионер 11" почти на 180 градусов. После нескольких коррекций траектории полета КА пересек орбиту Сатурна недалеко от самой планеты.

Уникальное взаимное расположение Земли и планет-гигантов, имевшее место в период с 1976 по 1978г. было использовано для последовательного изучения Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, поскольку под влиянием полей тяготения планет КА "Вояджер 1, 2" смогли переходить с трассы полета от одной планеты к другой. Без использования гравитационных полей промежуточных планет полет к Урану составил бы 16 лет вместо 9, а к Нептуну 20 лет вместо 12. Такое взаимное расположение планет повторится только в 2155г. В 1977г. в длительное путешествие отправились КА "Вояджер 1, 2" (Вояджер в переводе с английского - путешественник), причем "Вояджер 2" был запущен раньше 20 августа 1977г. по медленной траектории, а "Вояджер 1" 5 сентября 1977г. по быстрой траектории. КА "Вояджер 1" в марте 1979г впервые сфотографировал систему слабых колец, обращающихся вокруг Юпитера на расстоянии 57000 км от облачного покрова планеты и состоящих из частиц микронных размеров, а также передал подробные изображения самой планеты и нескольких спутников, зафиксировав извержение восьми вулканов на ближайшем к Юпитеру спутнике Ио.

КА "Вояджер 2" показал спустя несколько месяцев, что семь из них продолжали активно действовать. КА передали на Землю снимки облачного покрова Юпитера и поверхностей ближайших спутников с удивительными подробностями. Массы красного, оранжевого, желтого, коричневого и синего цветов постоянно менялись в атмосфере Юпитера. Полосы вихревых потоков захватывали друг друга, то сужались, то расширялись. Скорость перемещения облаков оказалась равной 11 км/с. Большое Красное Пятно вращалось против часовой стрелки и делало полный оборот за 6 суток. Фотографии других галилеевых спутников Европы, Ганимеда и Калисто показали, что их поверхности имеют совершенно различный вид.

КА "Галилей", доставленный на околоземную орбиту в грузовом отсеке космического челнока "Атлантис" представлял собой аппарат нового поколения для исследования химического состава и физических характеристик Юпитера, а также более детального фотографирования его спутников. Аппарат состоял из орбитального модуля для длительных наблюдений и специального зонда, в задачу которого входило проникновение в атмосферу планеты. Траектория КА "Галилей" была довольно сложной. Сначала аппарат направился к Венере, мимо которой он прошел в феврале 1990г. Затем по новой траектории он вернулся к Земле в декабре 1990г. Многочисленные фотографии Венеры, Земли и Луны были переданы с КА. Проходя в поясе астероидов он сфотографировал малую планету Гаспра в октябре 1991г. Вернувшись к Земле второй раз в декабре 1992г. и получив новое ускорение КА направился к основной цели своего путешествия - Юпитеру. Оказавшись снова в поясе астероидов аппарат сфотографировал еще одну малую планету - Иду в августе 1993г.

В 1995г. КА "Галилей" достиг окрестностей Юпитера. По команде с Земли спускаемый зонд отделился от основного аппарата и в течении пяти месяцев совершал самостоятельный полет до атмосферы Юпитера со скоростью 45 км/с. За счет сопротивления верхних слоев в течении 2 минут скорость снизилась до нескольких сотен метров в секунду. Перегрузки при этом в 230 раз превосходили земную силу тяжести. Зонд вошел в атмосферу под расчетным углом - более 8 градусов. После сброса защитного экрана спуск продолжался на основном парашюте. Аппарат проник в атмосферу на глубину 156 км в течении 57 минут. Данные об атмосфере ретранслировались через основной блок КА "Галилей", который продолжает вести исследования галилеевых спутников Юпитера, сближаясь с ними по несколько раз. На КА были установлены следующие приборы: ультрафиолетовый спектрометр для измерения аэрозольной составляющей атмосферы Юпитера, поляриметр-радиометр для определения характеристик частиц в атмосфере, магнитометр для измерения напряженности магнитного поля, набор специальной аппаратуры, фиксирующей заряженные частицы в магнитосфере Юпитера, приборы для измерения массы, скорости и энергии соударения пылевых микрочастиц в межпланетном пространстве, окружающем систему Юпитера.

На основе наблюдательных данных, полученных КА и теоретических расчетов, построены модели строения облачного покрова и внутреннего строения Юпитера. Внутреннее строение Юпитера можно представить в виде оболочек с плотностью, возрастающей по направлению к центру планеты. На дне уплотняющейся вглубь атмосферы толщиной 1500 км находится слой газо-жидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,88 радиуса планеты, где давление составляет 0,69 Мбар, а температура - 6200° С, водород переходит в жидкомолекулярное состояние и еще через 8000 км в жидкое металлическое состояние. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входит небольшое количество тяжелых элементов. Внутреннее ядро диаметром 25000 км - металлосиликатное, включающее воду, аммиак и метан, окружено гелием. Температура в центре составляет 23000 градусов, а давление 50 Мбар. Похожее строение имеет и Сатурн.

Вокруг Юпитера обращаются 16 спутников, которые можно разделить на две группы внутреннюю и внешнюю, включающие по 8 спутников каждая. Спутники внутренней группы обращаются почти по круговым орбитам, практически совпадающим с плоскостью экватора планеты. Четыре самых близких к планете спутника Адрастея, Метида, Амальтея и Теба диаметром от 40 до 270 км находятся в пределах 1-3 радиусов Юпитера и резко отличаются по размерам от следующих за ними 4 спутников, расположенных на расстоянии от 6 до 26 радиусов Юпитера и имеющих размеры, близкие к Луне. Они были открыты в самом начале семнадцатого века почти одновременно Симоном Марием и Галилеем, но принято их называть галилеевыми спутниками Юпитера, хотя первые таблицы движения этих спутников Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто составил Марий.

Внешняя группа состоит из маленьких диаметром от 10 до 180 км спутников, движущихся по вытянутым и сильно наклоненным к экватору Юпитера орбитам, причем четыре более близких к Юпитеру спутника Леда, Гималия, Лиситея, Элара движутся по своим орбитам в ту же сторону, что и Юпитер, а четыре самых внешних спутника Ананке, Карме, Пасифе и Синопе движутся в обратном направлении.

Подробная информация о строении поверхностей этих спутников получена космическими аппаратами. Остановимся подробнее на галилеевых спутниках.

Диаметр ближайшего к Юпитеру спутника Ио - 3630 км, а средняя плотность вещества 3,55 г/см3. Сернистый газ и пары серы выбрасываются со скоростью 1 км/с на высоту в сотни километров над поверхностью спутника. Недра этого спутника разогреваются из-за приливных сил, вызванных Юпитером с одной стороны и Европой и Ганимедом с другой. Приливные силы изгибают литосферу Ио и разогревают ее. При этом накопившаяся энергия вырывается на поверхность в виде вулканов. Хотя в районе экватора температура составляет 130° К, однако в горячих пятнах размером от 75 до 250 км температура достигает от 310 до 600° К. Возраст поверхности Ио, сложенной из продуктов извержений и имеющей оранжевый цвет, оценивается в 1 млн. лет. Рельеф Ио в основном равнинный, но имеется несколько гор высотой от 1 до 10 км. Атмосфера Ио сильно разрежена. Практически это вакуум, однако вдоль орбиты Ио обнаружено излучение кислорода, паров натрия и серы, поставляемых при извержении вулканов.

Европа - второй из галилеевых спутников по размерам несколько меньше Луны, его диаметр 3138 км, а средняя плотность вещества - 3,01 г/см3. Поверхность спутника испещрена сетью светлых и темных линий, являющихся, по-видимому, трещинами в ледяной коре, образованными в результате тектонических процессов. Ширина этих разломов меняется от километров до сотен километров, а протяженность иногда достигает нескольких тысяч километров. Оценка толщины коры колеблется от нескольких километров до десятков километров. В недрах Европы также выделяется энергия приливных взаимодействий, которая поддерживает в жидком виде мантию - подледный океан, возможно даже теплый. Не удивительно поэтому предположение о наличии простейших форм жизни в этом океане. Под океаном должны быть силикаты, исходя из средней плотности. Поскольку кратеров на Европе, имеющей довольно гладкую поверхность, очень мало, возраст этой оранжево-коричневой поверхности оценивается в сотни тысяч и миллионы лет. На снимках высокого разрешения, полученных КА "Галилей" видны отдельные поля неправильной формы с вытянутыми параллельными хребтами и долинами, напоминающими шоссейные дороги. В ряде мест видны темные пятна, являющиеся, скорее всего отложениями вещества, принесенными из под ледяной поверхности.

Изображение противоюпитерианского полушария Ганимеда, сделанное КА «Галилео». Светлые поверхности, следы недавних ударных столкновений, изборождённая поверхность и белая северная полярная шапка (в верхнем правом углу изображения) богаты водяным льдом.

Самый крупный спутник в системе Юпитера - Ганимед имеет диаметр 5262 км, однако средняя плотность его лишь вдвое превосходит плотность воды, поэтому около 50% его массы должно приходиться на лед. Множество кратеров, покрывающих участки темно-коричневого цвета, свидетельствуют об их древнем возрасте в 3-4 млрд. лет. Более молодые участки покрыты системами параллельных борозд, сформированных более светлым материалом под действием растяжения ледяной коры. Глубина этих борозд - несколько сотен метров, ширина - десятки километров, а протяженность может доходить до нескольких тысяч километров. У некоторых кратеров Ганимеда встречаются не только светлые лучевые системы, но иногда и темные.

Сильно кратерированное противоюпитерианское полушарие Каллисто. Фото сделал в 2001 году КА НАСА «Галилео». Большая ударная структура Асгард виднеется в верхнем правом углу изображения, кратер с радиальными лучами ниже и правее центра называется Брен

Диаметр Каллисто 4800 км. Исходя из его средней плотности - 1,83 г/см3 предполагается, что водяной лед составляет 60% его массы. Толщина ледяной коры, как и у Ганимеда, оценивается в 75 км. Вся поверхность этого спутника сплошь усеяна кратерами самых разных размеров. На нем нет протяженных равнин или систем борозд. Отличительной формой рельефа на Каллисто является многокольцевая структура диаметром 2600 км, состоящая из 10 концентрических колец. У спутника обнаружено собственное дипольное магнитное поле, предполагающее наличие металлического ядра. Кратеры на Каллисто имеют слабо выраженный вал и небольшую глубину. Температура поверхности на экваторе в полдень достигает 150° К. Возраст поверхности оценивается в 3,5 млрд. лет.

Изображение Вальхаллы, многокольцевой астроблемы с диаметром около 3800 км, полученное КА Вояджер-1.

В результате изучения галилеевых спутников высказана интересная гипотеза о том, что на ранних стадиях эволюции планеты-гиганты излучали в космос огромные потоки тепла, которое могло плавить льды на поверхности трех ближайших спутников. На Каллисто это не могло проявиться, поскольку он удален от Юпитера на 2 млн. км.

Источник: galaxy-science.ru