Группу планет-гигантов составляют четыре планеты Солнечной системы – Нептун, Сатурн, Уран и Юпитер. Поскольку эти огромные планеты гораздо дальше удалены от Солнца, чем меньшие по размерам планеты, у них есть и другое название - внешние планеты.
Можно распределить интересные факты о планетах-гигантах по нескольким категориям. В первой учитываются их строение и вращение. Вторая посвящена явлениям, наблюдаемым в их атмосферах. В третьей отмечается наличие у планет колец. Четвертая описывает наличие у них спутников.
Структура планет-гигантов и их вращение
В основном планеты-гиганты образованы из сложной смеси газов – аммиака, водорода, метана и гелия. Как считают ученые, эти планеты имеют каменные или металлические ядра небольших размеров.
Из-за громадной массы объекта давление в недрах газовой планеты достигает миллионов атмосфер. Ее сжатие силой гравитации высвобождает значительную энергию. В результате этого фактора планетами-гигантами тепла выделяется больше, чем поглощается из солнечного излучения.
Имея размеры, значительно больше земных, суточный оборот такие газовые планеты совершают за 9-17 часов. что касается средней плотности планет-гигантов, то она близка к 1,4 г/куб. см. – примерно равна солнечной.
У Юпитера, крупнейшей планеты Солнечной системы, масса превышает общую массу всех прочих планет. Вероятно, именно за это его назвали в честь главного бога римского Пантеона. Ученые полагают, что именно быстрым вращением Юпитера объясняется расположение облаков в его атмосфере - мы их наблюдаем в виде протяженных полос.
Атмосферные явления
К числу интересных фактов о планетах-гигантах относится и наличие мощных атмосферных оболочек, где проходят неординарные по земным понятиям процессы.
В атмосферах таких планет нередки сильные ветры, имеющие скорость свыше тысячи километров в час.
Там же наблюдаются долгоживущие ураганные вихри, к примеру, на Юпитере - трехсотлетнее Большое красное пятно. На Нептуне существовало на протяжении подолжительного периода Большое темное пятно, а на Сатурне отмечаются пятна антициклонов.
Кольца и спутники планет-гигантов
Малозаметность «оправы» Юпитера объясняется ее узостью и небольшими размерами частиц пыли в ее составе.
Кольцо Сатурна самое внушительное по размеру – его диметр равен 400 тысячам километров, а вот ширина кольца насчитывает только несколько десятков метров. Состоит кольцо из вращающихся вокруг планеты кусков льда и небольших камней. Эти части разделены несколькими щелями, что формирует несколько разных колец, опоясывающих планету.
Кольцевая система у Урана - вторая по величине, и его «оправа» имеет красный, серый и синий цвета. В ее составе кусочки водяного льда и очень темные обломки размером не более метра в диаметре.
В кольце Нептуна пять подколец, состоящих, предположительно, из частичек льда.
Спутниковая система Юпитера включает в себя почти 70 объектов. Один из них – Ганимед, считается крупнейшим спутником в составе Солнечной системы.
Исследователи обнаружили у Сатурна более 60 спутников, Нептун обладает 27 спутниками, Нептун – 14, включая Тритон. Последний примечателен своей ретроградной орбитой - единственной из всех крупных спутников Солнечной системы.
Этот спутник, а также два других спутника газовых планет – Титан и Ио, имеют атмосферы.
Юпитер
Юпитер, пятая от Солнца большая планета Солнечной системы, самая крупная из планет-гигантов.
Движение, размеры, форма
Юпитер движется вокруг Солнца по близкой к круговой эллиптической орбите, плоскость которой наклонена к плоскости эклиптики под углом 1°18,3". Минимальное расстояние Юпитера от Солнца 4,95 а. е., максимальное - 5,45 а. е., среднее - 5,2 а. е. (1 а. е. = 149,6 млн. км).
Экватор наклонен к плоскости орбиты под углом 3°5"; из-за малости этого угла сезонные изменения на Юпитере выражены весьма слабо. Юпитер, двигаясь вокруг Солнца со средней скоростью 13,06 км/с, совершает один оборот за 11, 862 земных года. Расстояние Юпитера от Земли меняется в пределах от 188 до 967 млн. км. В противостоянии Юпитер виден как чуть желтоватая звезда -2,6 звездной величины; из всех планет уступает в блеске только Венере и Марсу во время великого противостояния последнего.
Юпитер не имеет твердой поверхности, поэтому, говоря о его размерах, указывают радиус верхней границы облаков, где давление порядка 10 КПа; радиус Юпитера на экваторе равен 71400км. В атмосфере Юпитера отчетливо просматриваются параллельные плоскости его экватора слои, или зоны, вращающиеся вокруг оси планеты с различными угловыми скоростями. Быстрее всего вращается экваториальная зона - период ее обращения 9 ч 50 мин 30 с, что на 5 мин 11 с меньше периода обращения полярных зон. Так быстро не вращается ни одна другая планета Солнечной системы.
Масса Юпитера составляет 1,899*10 27 кг, что в 317,8 раз превосходит массу Земли, но при этом средняя плотность равна 1,33 г/см 3 , то есть в 4 раза меньше, чем у Земли. Ускорение свободного падения на экваторе 23,5 м/с 2 .
В умеренных южных широтах Юпитера медленно перемещается овальное Большое Красное Пятно, поперечные размеры которого 30-40 тыс. км. За сто лет оно совершает примерно 3 оборота. Природа этого феномена до конца неясна.
Строение и состав Юпитера
Как и другие планеты-гиганты, Юпитер существенно отличается по химическому составу от планет земной группы. Абсолютно доминирующими здесь являются водород и гелий в «солнечной» пропорции 3,4: 1, но в центре планеты согласно существующим моделям имеется жидкое ядро из расплавленных металлов и силикатов, окруженное водно-аммиачной жидкой оболочкой. Радиус этого ядра порядка 1/10 радиуса планеты, масса ~ 0,3-0,4 ее массы, температура около 2500 К при давлении ~ 8000ГПа.
Поток тепла из недр Юпитера вдвое превышает энергию, получаемую им от Солнца. Ввиду отсутствия твердой поверхности атмосфера как таковая у Юпитера отсутствует. Его газовая оболочка состоит в основном из водорода и гелия, но имеется и небольшая примесь метана, молекул воды, аммиака и др.
Физические и химические параметры
В атмосфере Юпитера замечены грозы. Установлено также наличие ионосферы, протяженность которой по высоте - порядка 3000 км.
На Юпитере имеется магнитное поле. Его магнитный дипольный момент почти в 12000 раз превосходит дипольный момент Земли, но так как напряженность магнитного поля обратно пропорциональна кубу радиуса, а он у Юпитера на два порядка больше, чем у Земли, то напряженность у поверхности Юпитера выше, по сравнению с Землей, только в 5-6 раз. Магнитная ось наклонена к оси вращения на (10,2 ± 0,6)°. Дипольная структура магнитного поля доминирует до расстояний порядка 15 радиусов планеты. Юпитер обладает обширной магнитосферой, которая подобна земной, но увеличена примерно в 100 раз. Имеются радиационные пояса.
Спутники Юпитера
Первый из галилеевских спутников, Ио, по размерам превосходит Луну. Имеет атмосферу и ионосферу, состоящую, в основном, из ионов серы и натрия. Весьма активна его вулканическая деятельность (больше, чем на Земле). Размеры вулканических кратеров достигают сотни километров, превосходя земные в десятки и даже сотни раз, хотя высота вулканов сравнительна невелика. Только в полярных областях Ио есть вулканы высотой около 10 км. Выбросы серы из вулканов вздымаются на высоту до 250 км. По мнению ряда исследователей, под тонкой твердой поверхностной коркой спутника, засыпанной слоем серы и ее диоксида, может находиться жидкая сера. Температура у поверхности Ио около -120° С на экваторе (кроме вулканических областей) и еще на 50° ниже у полюсов. Относительная немногочисленность ударных кратеров крупнее 1-2 км позволяет считать поверхность Ио сравнительно молодой (менее 1млн. лет).
Однако далеко не все спутники Юпитера имеют гладкие поверхности. Так, плотность кратеров в некоторых районах Каллисто, уступающему по размерам Ганимеду, близка к предельной. В отдельных участках края кратеров смыкаются. Одной из причин такого распределения кратеров может быть легкоплавкость пород поверхности (в частности, льда).
Кольцо Юпитера
У Юпитера установлено существование огромного плоского кольца из пыли и некрупных камней, которое при ширине в 6 км и толщине в 1 км простирается до десятков тыс. км от верхней границы облаков.
Изучение Юпитера и его спутников, уже давшее много существенно новых результатов, привело и к постановке ряда новых проблем. В частности, еще только в процессе становления находятся исследования, касающиеся физической природы интенсивных электрических полей у ближайших к Юпитеру спутников.
Сатурн
Сатурн, шестая от Солнца, вторая по размерам после Юпитера большая планета Солнечной системы; относится к планетам-гигантам.
Движение, размеры, форма
Эллиптическая орбита Сатурна имеет эксцентриситет 0,0556 и средний радиус 9,539 а. е. (1427 млн. км). Максимальное и минимальное расстояния от Солнца равны приблизительно 10 и 9 а. е. Расстояния от Земли меняются от 1,2 до 1,6 млрд. км. Наклон орбиты планеты к плоскости эклиптики 2°29,4". Угол между плоскостями экватора и орбиты достигает 26°44". Сатурн движется по своей орбите со средней скоростью 2,64 км/с; период обращения вокруг Солнца составляет 29,46 земных лет.
Планета не имеет твердой поверхности, оптические наблюдения затрудняются непрозрачностью атмосферы. Для экваториального и полярного радиусов приняты значения 60 тыс. км и 53,5 тыс. км. Средний радиус Сатурна в 9,1 раз больше, чем у Земли. На земном небе Сатурн выглядит как желтоватая звезда, блеск которой меняется от нулевой до первой звездной величины. Масса Сатурна составляет 5,68 · 10 26 кг, что в 95,1 раз превосходит массу Земли; при этом средняя плотность Сатурна, равная 0,68 г/см3, почти на порядок меньше, чем плотность Земли. Ускорение свободного падения у поверхности Сатурна на экваторе равно 9,06 м/с 2 . Поверхность Сатурна (облачный слой), как и Юпитера, вращается не как единое целое. Тропические области в атмосфере Сатурна обращаются с периодом 10 ч 14 мин земного времени, а на умеренных широтах этот период на 26 мин больше.
Строение и состав
Температура в средних слоях атмосферы (преимущественно водородной, хотя и предполагается присутствие небольшого количества гелия, аммиака и метана) около 100 К.
По внутреннему строению и составу Сатурн сильно напоминает Юпитер. В частности, на Сатурне в экваториальной области существует образование, аналогичное Большому Красному Пятну, хотя оно и меньших размеров, чем на Юпитере.
На две трети Сатурн состоит из водорода. На глубине, примерно равной R/2, то есть половине радиуса планеты, водород при давлении около 300 ГПа переходит в металлическую фазу. По мере дальнейшего увеличения глубины, начиная с R/3, возрастает доля соединений водорода и оксидов. В центре планеты (в области ядра) температура порядка 20000 К.
Спутники Сатурна
Все спутники, кроме огромного Титана, превосходящего по размерам Меркурий и имеющего атмосферу, сложены в основном изо льда (с некоторой примесью скальных пород у Мимаса, Дионы и Реи). Уникальным по яркости является Энцелад - он отражает свет, почти как свежевыпавший снег. Темнее всего поверхность Фебы, которая поэтому почти не видна. Необычна поверхность Япета: его передняя (по ходу движения) полусфера сильно отличается по отражательной способности от задней.
Из всех больших спутников Сатурна только Гиперион имеет неправильную форму, возможно, из-за произошедшего некогда столкновения с массивным телом, например, с гигантским ледяным метеоритом. Поверхность Гипериона сильно загрязнена. Поверхности многих спутников в значительной степени кратерированы. Так, на поверхности Дионы обнаружен крупнейший десятикилометровый кратер; на поверхности Мимаса лежит кратер, вал которого так высок, что это явственно заметно даже на фотографиях. Кроме кратеров, на поверхностях ряда спутников существуют разломы, борозды, впадины. Наибольшая тектоническая и вулканическая деятельность обнаружена у Энцелада.
Кольцо Сатурна
Уран
УРАН (астрономический знак I), планета, среднее расстояние от Солнца - 19,18 а. е. (2871 млн. км), период обращения 84 года, период вращения ок. 17 ч, экваториальный диаметр 51 200 км, масса 8,7·10 25 кг, состав атмосферы: Н 2 , Не, СН 4 . Ось вращения Урана наклонена на угол 98 °. Уран имеет 15 спутников (5 открыты с Земли - Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон, и 10 открыты космическим аппаратом «Вояджер-2» - Корделия, Офелия, Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Порция, Розалинда, Белинда, Пэк) и систему колец.
Движение, размеры, масса
Уран движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, большая полуось которой (среднее гелиоцентрическое расстояние) в 19,182 больше, чем у Земли, и составляет 2871 млн. км. Эксцентриситет орбиты равен 0,047, то есть орбита довольно близка к круговой. Плоскость орбиты наклонена к эклиптике под углом 0,8°. Один оборот вокруг Солнца Уран совершает за 84,01 земного года. Период собственного вращения Урана составляет приблизительно 17 часов. Существующий разброс при определении значений этого периода обусловлен несколькими причинами, из которых основными являются две: газовая поверхность планеты не вращается как единое целое и, кроме того, на поверхности Урана не обнаружено заметных локальных неоднородностей, которые помогли бы уточнить длительность суток на планете.
Состав и внутреннее строение
Подобно другим планетам-гигантам, атмосфера Урана в основном состоит из водорода, гелия и метана, хотя их относительные вклады несколько ниже по сравнению с Юпитером и Сатурном.
Теоретическая модель строения Урана такова: его поверхностный слой представляет собой газожидкую оболочку, под которой находится ледяная (смесь водяного и аммиачного льда) мантия, а еще глубже - ядро из твердых пород. Масса мантии и ядра составляет примерно 85-90% от всей массы Урана. Зона твердого вещества простирается до 3/4 радиуса планеты
Температура в центре Урана близка к 10000 К при давлении 7-8 млн. атмосфер (одна атмосфера примерно соответствует одному бару). На границе ядра давление примерно на два порядка ниже (около 100 килобар). Эффективная температура, определяемая по тепловому излучению с поверхности планеты, составляет ок. 55 К.
Спутники Урана
История открытия Урана
В течение многих веков астрономы Земли знали только пять «блуждающих звезд» - планет. 1781 был ознаменован открытием еще одной планеты, названной Ураном. Это произошло, когда английский астроном У. Гершель приступил к реализации грандиозной программы: составлению полного систематического обзора звездного неба. 13 марта вблизи одной из звезд созвездия Близнецов Гершель заметил любопытный объект, который явно не был звездой: его видимые размеры менялись в зависимости от увеличения телескопа, а главное, менялось его положение на небосводе. Гершель первоначально решил, что открыл новую комету (его доклад на заседании Королевского общества 26 апреля 1781 так и назывался - «Сообщение о комете»), но от кометной гипотезы вскоре пришлось отказаться. В благодарность Георгу III, назначившему Гершеля королевским астрономом, последний предложил назвать планету «Георгиева звезда», однако, чтобы не нарушать традиционной связи с мифологией, было принято название «Уран». Первые немногочисленные наблюдения еще не позволяли достаточно точно определить параметры орбиты новой планеты, но, во-первых, число этих наблюдений (в частности, в России, Франции и Германии) быстро увеличивалось, и во-вторых, внимательное исследование каталогов прошлых наблюдений позволило убедиться, что планета неоднократно фиксировалась и прежде, но принималась за звезду, что также заметно увеличивало число данных.
В течение 30 лет после открытия Урана острота интереса к нему периодически падала, но только на время. Дело в том, что повышение точности наблюдений выявило загадочные аномалии в движении планеты: оно то «отставало» от расчетного, то начинало «опережать» его. Теоретическое объяснение этих аномалий привело к новым открытиям - обнаружению заурановых планет.
Нептун
НЕПТУН (астрологический знак J), планета, среднее расстояние от Солнца 30,06 а. е. (4500 млн. км), период обращения 164,8 года, период вращения 17,8 ч, экваториальный диаметр 49 500 км, масса 1,03.10 26 кг, состав атмосферы: CH 4 , H 2 , Нe. Нептун имеет 6 спутников. Открыт в 1846 И. Галле по теоретическим предсказаниям У. Ж. Леверье и Дж. К. Адамса. Удаленность Нептуна от Земли существенно ограничивает возможности его исследования.Нептун, восьмая от Солнца большая планета Солнечной системы, относится к планетам-гигантам.
Движение и параметры планеты
Нептун движется вокруг Солнца по эллиптической, близкой к круговой (эксцентриситет - 0,009), орбите; его среднее расстояние от Солнца в 30,058 раз больше, чем у Земли, что составляет примерно 4500 млн. км. Это значит, что свет от Солнца доходит до Нептуна немногим более чем за 4 часа. Продолжительность года, то есть время одного полного оборота вокруг Солнца 164,8 земных лет. Экваториальный радиус планеты 24750 км, что почти в четыре раза превосходит радиус Земли, притом собственное вращение настолько быстрое, что сутки на Нептуне длятся всего 17,8 часов. Хотя средняя плотность Нептуна, равная 1,67 г/см 3 , почти втрое меньше земной, его масса из-за больших размеров планеты в 17,2 раза больше, чем у Земли. Нептун выглядит на небе как звезда 7,8 звездной величины (недоступна невооруженному глазу); при сильном увеличении имеет вид зеленоватого диска, лишенного каких-либо деталей. Нептун обладает магнитным полем, напряженность которого на полюсах примерно вдвое больше, чем на Земле.
Состав и внутреннее строение
Из всех элементов на Нептуне преобладают водород и гелий примерно в таком же соотношении, как и на Солнце: на один атом гелия приходится около 20 атомов водорода. В несвязанном состоянии водорода на Нептуне значительно меньше, чем на Юпитере и Сатурне. Присутствуют и другие элементы, в основном легкие. На Нептуне, как и на других планетах-гигантах, произошла многослойная дифференциация вещества, в процессе которой образовалась протяженная ледяная оболочка как на Уране. По теоретическим оценкам, имеется и мантия, и ядро. Масса ядра вместе с ледяной оболочкой согласно расчетным моделям может достигать 90% всей массы планеты.
Спутники Нептуна
История открытия
После того, как в 1781 У. Гершель открыл Уран и рассчитал параметры его орбиты, довольно скоро обнаружились загадочные аномалии в движении этой планеты - оно то «отставало» от расчетного, то опережало его.
В 1832 в отчете Британской Ассоциации развития науки Дж. Эри, впоследствии ставший королевским астрономом, отмечал, что за 11 лет ошибка в положении Урана достигла почти полминуты дуги. Вскоре после опубликования отчета Эри получил от британского астронома-любителя, преподобного доктора Хассея, письмо, в котором выдвигалось предположение, что эти аномалии обусловлены воздействием пока еще неоткрытой «заурановой» планеты. По-видимому, это было первым предложением искать «возмущающую» планету. Эри не одобрил идею Хассея, и поиски не были начаты.
А еще за год до этого талантливый молодой студент Дж. К. Адамс отметил в своих записях: «В начале этой недели появилась мысль заняться сразу же после получения степени исследованием аномалий в движении Урана, которые до сих пор не объяснены. Надо найти, могут ли они быть обусловлены влиянием находящейся за ним неоткрытой планеты и, если возможно, определить хотя бы приблизительно элементы ее орбиты, что может привести к ее открытию».
Адамс получил возможность приступить к решению этой задачи только через два года, и к октябрю 1843 предварительные вычисления были закончены. Адамс решил показать их Эри, однако встретиться с королевским астрономом ему не удалось. Адамсу оставалось лишь вернуться в Кембридж, оставив для Эри результаты проведенных расчетов. По непонятным причинам Эри отреагировал на работу Адамса отрицательно, ценой чего явилась потеря Англией приоритета в открытии новой планеты.
Независимо от Адамса над проблемой заурановой планеты работал во Франции У. Ж. Леверье. 10 ноября 1845 он представил Французской АН результаты своего теоретического анализа движения Урана, заметив в заключение о расхождении между данными наблюдений и расчетов: «Это можно объяснить воздействием внешнего фактора, который я оценю во втором трактате».
Такие оценки были проведены в первой половине 1846. Успеху дела помогло предположение, что искомая планета движется, в соответствии с эмпирическим -Тициуса Боде правилом, по орбите, радиус которой равен утроенному радиусу орбиты Урана, и что орбита имеет очень малый наклон к плоскости эклиптики. Леверье выступил с указанием, где следует искать новую планету. Получив второй трактат Леверье, Эри обратил внимание на очень близкое совпадение результатов исследований Адамса и Леверье, относящихся к движению предполагаемой планеты, возмущающей движение Урана, и даже подчеркнул это на специальном заседании Совета инспекторов Гринвича. Но он, как и ранее, не торопился начать поиски и стал хлопотать о них только в июле 1846, поняв, какое негодование может вызвать впоследствии его пассивность.
Тем временем Леверье 31 августа 1846 закончил еще одно исследование, в котором была получена окончательная система элементов орбиты искомой планеты и указано ее место на небе. Но во Франции, как и в Англии, астрономы все не приступали к поискам, и 18 сентября Леверье обратился к И. Галле, ассистенту Берлинской обсерватории, который, получив разрешение директора обсерватории, 23 сентября вместе со студентом Д"Арре начал поиски. В первый же вечер планета была обнаружена, она находилась всего в 52" от предполагаемого места.
Весть об открытии планеты «на кончике пера», что явилось одним из ярчайших триумфов небесной механики, вскоре облетела весь научный мир. По установившейся традиции планета получила название Нептун в честь античного бога.
Около года между Францией и Англией шла борьба за приоритет открытия, к которой, как это часто бывает, сами герои непосредственного отношения не имели. В частности, между Адамсом и Леверье установилось полное взаимопонимание, и они оставались друзьями до конца жизни.
Решебник по астрономии 11 класс на урок №14 (рабочая тетрадь) - Планеты-гиганты
1. Пользуясь справочниками, заполните таблицу с основными физическими характеристиками планет-гигантов.
| Физические характеристики планет | Юпитер | Сатурн | Уран | Нептун |
| Масса (в массах Земли) | 318 | 95.2 | 14.5 | 17.2 |
| Диаметр (в диаметрах Земли) | 11.2 | 9.5 | 4 | 3.9 |
| Плотность, кг/м^3 | 1270 | 690 | 1290 | 1640 |
| Период вращения | 9 ч 55 мин | 10 ч 40 мин | 17 ч 14 мин | 16 ч 7 мин |
| Атмосфера: температура, °C; химический состав | 90% H, 10% He | 96% H, 4% He | 83% H, 15% He, 2% CH(4) | 80% H, 19% He, 1% CH(4) |
| Число спутников | 63 | 61 | 27 | 13 |
| Названия самых крупных спутников | Ио, Европа, Ганимед, Каллисто, Амальтея | Титан, Рея, Япет, Диона, Тефия | Ариэль, Оберон, Умбриэль, Дездемона, Джульетта | Тритон, Нереида, Протей, Ларисса, Таласса |
Заполнив таблицу, сделайте выводы и укажите сходства и различия между планетами-гигантами.
Выводы: Это газообразные тела с мощным протяжёнными атмосферами, быстро вращаются вокруг своих осей, имеют много спутников, также все они обладают кольцами. У планет-гигантов нет ни твёрдой не жидкой поверхности. Основные компоненты всех планет-гигантов - гелий и водород.
2. Проведите качественное сравнение свойств планет земной группы и планет-гигантов. Используйте при этом слова: «высокая», «низкая», «большая» и т. п. В выводе укажите принципиальное отличие планет земной группы от планет-гигантов.
Вывод: Планеты земной группы обладают значительно меньшими массами и размерами, но большей плотностью, не имеют колец. Они ближе расположены к Солнцу и быстрее движутся по своим орбитам, но медленнее вращаются вокруг своей оси и меньше сжаты у полюсах. Также они имеют значительно меньше спутников.
3. Закончите предложения.
Особенностью вращения планет-гигантов вокруг оси является то, что они вращаются слоями: слой планеты вблизи экватора вращается быстрее других слоёв.
Наличие у Юпитера и Сатурна плотных и протяжённых атмосфер объясняется тем, что при формировании они быстро достигли такой массы, чтобы удержать больше кислорода.
Спутник Сатурна Титан обладает мощной атмосферой, состоящей в основном из азота.
Планеты-гиганты имеют малую среднюю плотность по причине того, что их атмосферы имеют в основном водородо-гелевый состав.
Существование колец обнаружено у следующих планет-гигантов: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
Юпитер излучает значительно больше тепловой энергии, чем получает её от Солнца. Причиной этого можно считать постепенное сжатие планеты и процесса радиоактивного распада в её недрах.
4. Звёздный период вращения Сатурна вокруг Солнца T = 29.5 года. Какого среднее расстояние от Сатурна до Солнца?
5. Какой вид будет иметь кольцо Сатурна для наблюдателя, находящегося на экваторе и на полюсах Сатурна?
6. Закончите предложения, касающиеся внутреннего строения планет-гигантов.
У планет Юпитер и Сатурн между центральным ядром и протяжённой атмосферой имеется оболочка со свойствами металла.
Планеты-гиганты, как и Земля, обладают магнитным полем, напряжённость которого
у Юпитера в 12 раз выше, чем у Земли;
у Сатурна близка к земной;
у Урана примерно равна земной;
у Нептуна в 3 раза меньше, чем у Земли.
Полярные сияния были отмечены у следующих планет-гигантов: Юпитер, Сатурн и Уран.
Издавна внимание людей привлекает космос. Планеты Солнечной системы астрономы начали изучать еще в средние века, рассматривая их в примитивные телескопы. Но тщательную классификацию, описание особенностей строения и движения небесных тел стало возможно сделать только в 20 веке. С появлением мощного оборудования, оснащенных по последнему слову техники обсерваторий и космических кораблей было открыто несколько ранее неизвестных объектов. Теперь каждый школьник может перечислить все планеты Солнечной системы по порядку. Почти на все из них опускался космический зонд, а человек пока побывал только на Луне.
Что такое Солнечная система
Вселенная огромна и включает в себя множество галактик. Наша Солнечная система входит в состав галактики в которой более 100 миллиардов звезд. Но очень мало таких, которые похожи на Солнце. В основном все они - красные карлики, которые и по размеру меньше него, и светят не так ярко. Ученые высказали предположение, что Солнечная система образовалась после возникновения Солнца. Его огромное поле притяжения захватило газо-пылевое облако, из которого в результате постепенного охлаждения образовались частички твердого вещества. Со временем из них сформировались небесные тела. Считается, что Солнце сейчас пребывает на середине своего жизненного пути, поэтому существовать оно, равно как и все зависимые от него небесные тела, будет еще несколько миллиардов лет. Ближний космос астрономами изучен давно, и любой человек знает, какие существуют планеты Солнечной системы. Фото их, сделанные с космических спутников, можно найти на страницах всевозможных информационных ресурсов, посвященных данной тематике. Все небесные тела удерживаются сильным полем притяжения Солнца, которое составляет более 99 % объема Солнечной системы. Крупные небесные тела вращаются вокруг светила и вокруг своей оси в одном направлении и в одной плоскости, которую называют плоскостью эклиптики.
Планеты Солнечной системы по порядку
В современной астрономии принято считать небесные тела, начиная от Солнца. В 20 веке была создана классификация, в которую входит 9 планет Солнечной системы. Но последние исследования космоса и новейшие открытия подтолкнули ученых к пересмотру многих положений в астрономии. И в 2006 году на международном конгрессе, из-за своих маленьких размеров (карлик, в диаметре не превышающий трех тыс. км), Плутон был исключен из числа классических планет, и их осталось восемь. Теперь строение нашей Солнечной системы приняло симметричный, стройный вид. Она включает в себя четыре планеты земной группы: Меркурий, Венеру, Землю и Марс, потом идет пояс астероидов, после него следуют четыре планеты-гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. На окраине Солнечной системы тоже проходит который ученые назвали поясом Койпера. Именно в нем и расположен Плутон. Эти места еще мало изучены из-за своей отдаленности от Солнца.
Особенности планет земной группы
Что же позволяет отнести эти небесные тела к одной группе? Перечислим основные характеристики внутренних планет:
- относительно небольшие размеры;
- твердая поверхность, высокая плотность и схожий состав (кислород, кремний, алюминий, железо, магний и прочие тяжелые элементы);
- наличие атмосферы;
- одинаковое строение: ядро из железа с примесями никеля, мантия, состоящая из силикатов, и кора из силикатных пород (кроме Меркурия - у него коры нет);
- малое количество спутников - всего 3 на четыре планеты;
- довольно слабое магнитное поле.
Особенности планет-гигантов
Что же касается внешних планет, или газовых гигантов, то им присущи такие схожие характеристики:
- большие размеры и массы;
- они не имеют твердой поверхности и состоят из газов, в основном это гелий и водород (поэтому их еще называют газовыми гигантами);
- жидкое ядро, состоящее из металлического водорода;
- высокая скорость вращения;
- сильное магнитное поле, чем объясняется необычность многих процессов, протекающих на них;
- в этой группе 98 спутников, большинство из которых принадлежат Юпитеру;
- самая характерная особенность газовых гигантов - это наличие колец. Они есть у всех четырех планет, правда, не всегда заметны.
Первая по счету планета - Меркурий
Расположен он ближе всех к Солнцу. Поэтому с его поверхности светило выглядит в три раза большим, нежели с Земли. Этим же объясняются сильные перепады температур: от -180 до +430 градусов. Меркурий очень быстро движется по орбите. Может, поэтому он получил такое название, ведь в греческой мифологии Меркурий - это вестник богов. Здесь практически нет атмосферы, и небо всегда черное, но Солнце светит очень ярко. Впрочем, на полюсах есть места, куда его лучи не попадают никогда. Этот феномен можно объяснить наклоном оси вращения. Воды на поверхности не нашли. Это обстоятельство, а также аномально высокая дневная температура (равно как и низкая ночная) вполне объясняют факт отсутствия жизни на планете.
Венера
Если изучать планеты Солнечной системы по порядку, то второй по счету идет Венера. Ее люди могли наблюдать на небе еще в древности, но, поскольку показывалась она только утром и вечером, считалось, что это 2 разных объекта. Кстати, наши предки-славяне называли её Мерцаной. Это третий по яркости объект в нашей Солнечной системе. Раньше люди называли ее утренней и вечерней звездой, ведь лучше всего она видна перед восходом и закатом Солнца. Венера и Земля очень похожи по строению, составу, размерам и силе тяжести. Вокруг своей оси эта планета движется очень медленно, делая полный оборот за 243.02 земных суток. Конечно, условия на Венере сильно отличаются от земных. Она находится в два раза ближе к Солнцу, поэтому там очень жарко. Высокая температура объясняется еще и тем, что густая облачность из серной кислоты и атмосфера из углекислого газа создают на планете парниковый эффект. Кроме того, давление у поверхности больше, чем на Земле, в 95 раз. Поэтому первый корабль, посетивший Венеру в 70-е годы 20 века, выдержал там не более часа. Особенностью планеты является еще и то, что вращается она в противоположном направлении, по сравнению с большинством планет. Больше астрономам об этом небесном объекте пока ничего не известно.
Третья от Солнца планета
Единственное место в Солнечной системе, да и во всей известной астрономам Вселенной, где существует жизнь, - Земля. В земной группе она имеет самые большие размеры. Каковы еще ее
- Самая большая гравитация среди планет земной группы.
- Очень сильное магнитное поле.
- Высокая плотность.
- Она единственная среди всех планет обладает гидросферой, что способствовало образованию жизни.
- Она имеет самый большой, по сравнению со своими размерами, спутник, который стабилизирует ее наклон относительно Солнца и влияет на природные процессы.
Планета Марс
Это одна из самых маленьких планет нашей Галактики. Если рассматривать планеты Солнечной системы по порядку, то Марс - четвертая от Солнца. Атмосфера у нее сильно разреженная, а давление на поверхности почти в 200 раз меньше, чем на Земле. По этой же причине наблюдаются очень сильные перепады температур. Планета Марс мало изучена, хотя издавна привлекала внимание людей. По мнению ученых, это единственное небесное тело, на котором могла бы существовать жизнь. Ведь в прошлом на поверхности планеты была вода. Такой вывод можно сделать на основании того, что на полюсах существуют большие ледяные шапки, а поверхность покрыта множеством борозд, которые могли быть высохшими руслами рек. Кроме того, на Марсе существуют некоторые минералы, образование которых возможно только в присутствии воды. Еще одной особенностью четвертой планеты является наличие двух спутников. Необычность их в том, что Фобос постепенно замедляет свое вращение и приближается к планете, а Деймос, наоборот, отдаляется.
Чем знаменит Юпитер
Пятая по счету планета является самой большой. В объем Юпитера поместилось бы 1300 Земель, а масса его в 317 раз больше земной. Как и у всех газовых гигантов, его структура водородно-гелиевая, напоминающая состав звезд. Юпитер - самая интересная планета, которая имеет много характерных особенностей:
- это третье по яркости небесное тело после Луны и Венеры;
- на Юпитере самое сильное магнитное поле среди всех планет;
- полный оборот вокруг оси он совершает всего за 10 земных часов - быстрее, чем другие планеты;
- интересной особенностью Юпитера является большое красное пятно - так виден с Земли атмосферный вихрь, вращающийся против часовой стрелки;
- как и все планеты-гиганты, он имеет кольца, правда, не такие яркие, как у Сатурна;
- эта планета имеет самое большое большое количество спутников. Их у него 63. Самые известные - это Европа, на которой нашли воду, Ганимед - самый большой спутник планеты Юпитер, а также Ио и Калисто;
- еще одна особенность планеты - это то, что в тени температура поверхности выше, чем в местах, освещенных Солнцем.
Планета Сатурн
Это второй по величине газовый гигант, также названный в честь античного бога. Он состоит из водорода и гелия, но на его поверхности были обнаружены следы метана, аммиака и воды. Ученые выяснили, что Сатурн - это самая разреженная планета. Ее плотность меньше, чем у воды. Вращается этот газовый гигант очень быстро - один оборот совершает за 10 земных часов, в результате чего планета сплющивается с боков. Огромные скорости на Сатурне и у ветра - до 2000 километров в час. Это больше скорости звука. У Сатурна есть еще одна отличительная особенность - он держит в поле своего притяжения 60 спутников. Самый крупный из них - Титан - является вторым по величине во всей Солнечной системе. Уникальность данного объекта заключается в том, что, исследуя его поверхность, ученые впервые обнаружили небесное тело с условиями, схожими с теми, что существовали на Земле около 4 миллиардов лет назад. Но самая главная особенность Сатурна - это наличие ярких колец. Они опоясывают планету вокруг экватора и отражают больше света, чем она сама. Четыре - это самое удивительное явление в Солнечной системе. Необычно то, что внутренние кольца движутся быстрее, чем наружные.
- Уран
Итак, продолжаем рассматривать планеты Солнечной системы по порядку. Седьмая от Солнца планета - Уран. Она самая холодная из всех - температура опускается до -224 °С. Кроме того, ученые не обнаружили в ее составе металлического водорода, а нашли модифицированный лед. Потому Уран относят к отдельной категории ледяных гигантов. Удивительная особенность данного небесного тела в том, что вращается оно, лежа на боку. Необычна также смена времен года на планете: целых 42 земных года там царит зима, и Солнце не показывается совсем, лето также длится 42 года, и Солнце в это время не заходит. Весной же и осенью светило появляется каждые 9 часов. Как и у всех планет-гигантов, у Урана есть кольца и много спутников. Целых 13 колец вращается вокруг него, но они не такие яркие, как у Сатурна, а спутников планета удерживает всего 27. Если сравнивать Уран с Землей, то он в 4 раза больше ее, в 14 раз тяжелее и находится от Солнца на расстоянии, в 19 раз превышающем путь к светилу от нашей планеты.
Нептун: планета-невидимка
После того как Плутон исключили из числа планет, последним от Солнца в системе стал Нептун. Расположен он в 30 раз дальше от светила, чем Земля, и с нашей планеты не виден даже в телескоп. Открыли его ученые, так сказать, случайно: наблюдая за особенностями движения ближайших к нему планет и их спутников, они сделали вывод, что за орбитой Урана должно быть еще одно крупное небесное тело. После обнаружения и исследования выяснились интересные особенности этой планеты:
- из-за наличия в атмосфере большого количества метана цвет планеты из космоса кажется сине-зеленым;
- орбита Нептуна почти идеально круглая;
- вращается планета очень медленно - один круг совершает за 165 лет;
- Нептун в 4 раза больше Земли и в 17 раз тяжелее, но сила притяжения почти такая же, как и на нашей планете;
- самый большой из 13 спутников этого гиганта - Тритон. Он всегда повернут к планете одной стороной и медленно к ней приближается. По этим признакам ученые предположили, что он был захвачен притяжением Нептуна.
Во всей галактике Млечный Путь - около ста миллиардов планет. Пока ученые не могут изучить даже некоторые из них. А вот количество планет Солнечной системы известно почти всем людям на Земле. Правда, в 21 веке интерес к астрономии немного угас, но даже дети знают название планет Солнечной системы.
Почитай:В группу планет гигантов вошли Сатурн, Юпитер, Нептун и Уран. Все перечисленные планеты (в особенности Юпитер) имеют огромные массы и размеры. К примеру, Юпитер по объему превзошел Землю почти в полторы тысячи раз, а по массе – более чем в триста раз.Планета-гигант довольно-таки быстро вращается вокруг своей оси; менее десяти часов потребуется большущему Юпитеру, чтобы совершить 1 оборот. При этом экваториальная зона планеты-гиганта вращается быстрее, чем полярная, то есть именно там, где максимальна линейная скорость точки в ее движении вокруг оси, максимальна и угловая скорость. Итог быстрого вращения – это огромное сжатие планеты-гиганта (заметное при визуальном наблюдении). Разность полярного и экваториального радиусов Земли составила двадцать один километр, а у Юпитера она равняется четырем тысячам четыремстам километров.
Планета-гигант находится далеко от Солнца, и в независимости от характера смены времени года на ней всегда господствует низкая температура. На Юпитере нет смены времени года вообще, потому, что ось этой планеты практически перпендикулярна плоскости ее орбиты. Оригинально совершается смена времени года и на планете Уран, поскольку ось данной планеты наклонена к плоскостям орбит под углом восемь градусов.Планета-гигант отличается большим числом спутников; у Юпитера к середине две тысячи первого года обнаружено их уже двадцать восемь, Сатурна — тридцать, Урана – двадцать один и только у Нептуна — восемь. Превосходная особенность планеты-гиганта — кольцо, которое открыто не только у Сатурна, но и у Урана, Нептуна и Юпитера.Важной особенностью построения планеты-гиганта заключается в том, что такая планета не имеет твердой поверхности. Это представление прекрасно согласуется с маленькими средними частотами планет-гигантов. Соответственно, все, что, получается, рассмотреть на Сатурне и Юпитере, случается в протяженных атмосферах этой планеты. На Юпитере в небольшие телескопы заметны даже полосы, которые вытянуты вдоль экватора. В верхнем слое водородно-гелиевой атмосферы Юпитера в виде примеси можно встретить химические соединения (к примеру, аммиак и метан), углеводороды (ацетилен, этан) и разные соединения, содержащие серу и фосфор, способные окрасить детали атмосферы в красно-коричневый и желтый цвета. Так, по химическому составу планета-гигант резко отличается от планеты земной группы.Смотрите также:Общая характеристика планет земной группы
Планетами, которые относятся к земной группе, являются следующие: Венера, Марс, Земля, Меркурий, Плутон – все они имеют небольшие массы и размеры, их средняя плотность в несколько раз превзошла плотность воды; они способны медленно вращаться вокруг личных осей; у них малое количество спутников (у Марса — два, у Земли – всего лишь один…
Планеты-гиганты
На фотографиях, которые были переданы с борта американского АМС «Вояджер» и «Пионер», ясно видно, что в атмосфере Юпитера газ участвует в не простом движении, сопровождаемым распадом и образованием вихрей. Предполагают, что наблюдаемое Большое Красное Пятно на Юпитере около трехсот лет в виде овала с полуосями пятнадцать и пять тысяч километров так же представляет громадный…
Характеристика планет-гигантов
В отличие от планеты земных групп, наделенных мантией, корой и ядром, на Юпитере есть газообразный водород, который входит в состав атмосферы, и может переходить в жидкую, а потом в твердую фазу. Появление этих агрегатных противоестественных состояний водорода связано с острым повышением давления по мере его погружения в глубину…
Наша Солнечная система, если иметь в виду ее вещество, состоит из Солнца и четырех планет-гигантов, а еще проще − из Солнца и Юпитера, поскольку масса Юпитера больше, чем всех прочих околосолнечных объектов – планет, комет, астероидов − вместе взятых. Фактически, мы живем в двойной системе Солнце-Юпитер, а вся остальная «мелочь» подчиняется их гравитации
Сатурн вчетверо меньше Юпитера по массе, но по составу похож на него: он тоже в основном состоит из легких элементов – водорода и гелия в отношении 9:1 по количеству атомов. Уран и Нептун еще менее массивны и по составу богаче более тяжелыми элементами – углеродом, кислородом, азотом. Поэтому группу из четырех гигантов обычно делят пополам, на две подгруппы. Юпитер и Сатурн называют газовыми гигантами, а Уран и Нептун – ледяными гигантами. Дело в том, что Уран и Нептун обладают не очень толстой атмосферой, а большая часть их объема – это ледяная мантия; т. е. довольно твердое вещество. А у Юпитера и Сатурна почти весь объем занят газообразной и жидкой «атмосферой». При этом все гиганты имеют железокаменные ядра, превышающие по массе нашу Землю.
На первый взгляд, планеты-гиганты примитивны, а маленькие планеты намного интереснее. Но может быть это потому, что мы пока плохо знаем природу этих четырех гигантов, а не потому что они малоинтересны. Просто мы с ними слабо знакомы. Например, к двум ледяным гигантам − Урану и Нептуну − за всю историю астрономии лишь однажды приближался космический зонд («Вояджер-2», NASA, 1986 и 1989 гг.), да и то – пролетел, не останавливаясь, мимо них. Много ли он мог там увидеть и измерить? Можно сказать, что к исследованию ледяных гигантов мы еще по-настоящему не приступали.
Газовые гиганты изучены намного детальнее, поскольку кроме пролетных аппаратов («Пионер-10 и 11», «Вояджер-1 и 2», «Улисс», «Кассини», «Новые горизонты», NASA и ESA) рядом с ними длительно работали искусственные спутники: «Галилео» (NASA) в 1995-2003 гг. и «Джуно» (NASA) с 2016 г. исследовали Юпитер, а «Кассини» (NASA и ESA) в 2004-2017 гг. изучал Сатурн.
Наиболее глубоко был исследован Юпитер, причем – в прямом смысле: в его атмосферу с борта «Галилео» был сброшен зонд, который влетел туда со скоростью 48 км/с, раскрыл парашют и за 1 час опустился на 156 км ниже верхней кромки облаков, где при внешнем давлении 23 атм и температуре 153 °C прекратил передавать данные, по-видимому, из-за перегрева. На траектории спуска он измерил многие параметры атмосферы, включая даже ее изотопный состав. Это заметно обогатило не только планетологию, но и космологию. Ведь гигантские планеты не отпускают от себя вещество, они навечно сохраняют то, из чего они родились; особенно это касается Юпитера. У его облачной поверхности вторая космическая скорость составляет 60 км/с; ясно, что ни одной молекуле оттуда никогда не уйти.
Поэтому мы думаем, что изотопный состав Юпитера, особенно состав водорода, характерен для самых первых этапов жизни, по крайней мере, Солнечной системы, а, может быть, и Вселенной. И это очень важно: соотношение тяжелого и легкого изотопов водорода говорит о том, как в первые минуты эволюции нашей Вселенной протекал синтез химических элементов, какие физические условия тогда были.
Юпитер быстро вращается, c периодом около 10 часов; а поскольку средняя плотность планеты невелика (1,3 г/см 3), центробежная сила заметно деформировала ее тело. При взгляде на планету можно заметить, что она сжата вдоль полярной оси. Степень сжатия Юпитера, т. е. относительная разница между его экваториальным и полярным радиусами составляет (R экв − R пол)/R экв = 0,065. Именно средняя плотность планеты (ρ ∝ M/R 3) и ее суточный период (T ) определяют форму ее тела. Как известно, планета – это космическое тело в состоянии гидростатического равновесия. На полюсе планеты действует только сила тяготения (GM/R 2), а на экваторе ей противодействует центробежная сила (V 2 /R = 4π 2 R 2 /RT 2). Их отношением и определяется форма планеты, поскольку давление в центре планеты не должно зависеть от направления: экваториальная колонка вещества должна весить столько же, сколько полярная. Отношение этих сил (4π 2 R /T 2)/(GM /R 2) ∝ 1/(M/R 3)T 2 ∝ 1/(ρT 2). Итак, чем меньше плотность и продолжительность суток, тем сильнее сжата планета. Проверим: средняя плотность Сатурна 0,7 г/см 3 , период его вращения 11 час, − почти такой же, как у Юпитера, − а сжатие 0,098. Сатурн сжат в полтора раза сильнее Юпитера, и это легко заметить при наблюдении планет в телескоп: сжатие Сатурна бросается в глаза.
Быстрое вращение планет-гигантов определяет не только форму их тела, а значит и форму их наблюдаемого диска, но и его внешний вид: облачная поверхность планет-гигантов имеет зональную структуру с полосами разного цвета, вытянутыми вдоль экватора. Потоки газа движутся быстро, со скоростями во многие сотни километров в час; их взаимное смещение вызывает сдвиговую неустойчивость и совместно с силой Кориолиса порождает гигантские вихри. Издалека заметны Большое Красное Пятно на Юпитере, Большой Белый Овал на Сатурне, Большое Темное Пятно на Нептуне. Особенно знаменит антициклон Большое Красное Пятно (БКП) на Юпитере. Когда-то БКП было вдвое больше нынешнего, его видели еще современники Галилея в свои слабенькие телескопы. Сегодня БКП побледнело, но все-таки этот вихрь уже почти 400 лет живет в атмосфере Юпитера, поскольку охватывает гигантскую массу газа. Его размер больше земного шара. Такая масса газа, единожды закрутившись, не скоро остановится. На нашей планете циклоны живут примерно неделю, а там − столетия.
В любом движении рассеивается энергия, а значит требуется ее источник. Каждая планета обладает двумя группами источников энергии – внутренними и внешними. Извне на планету льется поток солнечного излучения и падают метеороиды. Изнутри планету греет распад радиоактивных элементов и гравитационное сжатие самой планеты (механизма Кельвина - Гельмгольца). . Хотя мы уже видели, как на Юпитер падают крупные объекты, вызывающие мощные взрывы (комета Шумейкеров - Леви 9), оценки частоты их падения показывают, что средний поток приносимой ими энергии существенно меньше, чем приносит солнечный свет. С другой стороны, роль внутренних источников энергии неоднозначна. У планет земной группы, состоящих из тяжелых тугоплавких элементов, единственным внутренним источником тепла служит радиоактивный распад, но вклад его ничтожен по сравнению с теплом от Солнца.
У планет-гигантов доля тяжелых элементов существенно ниже, зато они массивнее и легче сжимаются, что делает выделение гравитационной энергии их главным источником тепла. А поскольку гиганты удалены от Солнца, внутренний источник становится конкурентом внешнему: порой планета греет себя сама сильнее, чем ее нагревает Солнце. Даже Юпитер, ближайший к Солнцу гигант, излучает (в инфракрасной области спектра) на 60 % больше энергии, чем получает от Солнца. А энергия, которую излучает в космос Сатурн, в 2,5 раза больше той, которую планета получает от Солнца.
Гравитационная энергия выделяется как при сжатии планеты в целом, так и при дифференциации ее недр, т. е. при опускании к центру более плотного вещества и вытеснении оттуда более «плавучего». Вероятно, работают оба эффекта. Например, Юпитер в нашу эпоху уменьшается приблизительно на 2 см в год. А сразу после формирования он имел вдвое больший размер, сжимался быстрее и был значительно теплее. В своих окрестностях тогда он играл роль маленького солнышка, на что указывают свойства его галилеевых спутников: чем ближе они к планете, тем плотнее и тем меньше содержат летучих элементов (как и сами планеты в Солнечной системе).
Кроме сжатия планеты как целого, важную роль в гравитационном источнике энергии играет дифференциация недр. Вещество разделяется на плотное и плавучее, и плотное тонет, выделяя свою потенциальную гравитационную энергию в виде тепла. Вероятно, в первую очередь, это конденсация и последующее падение капель гелия сквозь всплывающие слои водорода, а также фазовые переходы самого водорода. Но могут быть явления и поинтереснее: например, кристаллизация углерода – дождь из алмазов (!), правда, выделяющий не очень много энергии, поскольку углерода мало.
Внутреннее строение планет-гигантов пока изучается только теоретически. На прямое проникновение в их недра у нас мало шансов, а методы сейсмологии, т. е. акустического зондирования, к ним пока не применялись. Возможно, когда-нибудь мы научимся просвечивать их с помощью нейтрино, но до этого еще далеко.
К счастью, в лабораторных условиях уже неплохо изучено поведение вещества при тех давлениях и температурах, которые царят в недрах планет-гигантов, что дает основания для математического моделирования их недр. Для контроля адекватности моделей внутреннего строения планет есть методы. Два физических поля, – магнитное и гравитационное, − источники которых находятся в недрах, выходят в окружающее планету пространство, где их можно измерять приборами космических зондов.
На структуру магнитного поля действует много искажающих факторов (околопланетная плазма, солнечный ветер), зато гравитационное поле зависит только от распределения плотности внутри планеты. Чем сильнее тело планеты отличается от сферически симметричного, тем сложнее ее гравитационное поле, тем больше в нем гармоник, отличающих его от простого ньютоновского GM/R 2 .
Прибором для измерения гравитационного поля далеких планет, как правило, служит сам космический зонд, точнее – его движение в поле планеты. Чем дальше зонд от планеты, тем слабее в его движении проявляются мелкие отличия поля планеты от сферически симметричного. Поэтому необходимо запускать зонд как можно ближе к планете. С этой целью с 2016 года рядом с Юпитером работает новый зонд Juno (NASA). Он летает по полярной орбите, чего раньше не было. На полярной орбите высшие гармоники гравитационного поля проявляются заметнее, поскольку планета сжата, а зонд время от времени подходит очень близко к поверхности. Именно это дает возможность измерить высшие гармоники разложения гравитационного поля. Но по этой же причине зонд довольно скоро закончит свою работу: он пролетает через наиболее плотные области радиационных поясов Юпитера, и его аппаратура от этого сильно страдает.
Радиационные пояса Юпитера колоссальны. При большом давлении водород в недрах планеты металлизируется: его электроны обобщаются, теряют связь с ядрами, и жидкий водород становится проводником электричества. Огромная масса сверхпроводящей среды, быстрое вращение и мощная конвекция − эти три фактора способствуют генерации магнитного поля за счет динамо-эффекта. В колоссальном магнитном поле, захватывающем летящие от Солнца заряженные частицы, формируются чудовищные радиационные пояса. В их наиболее плотной части лежат орбиты внутренних галилеевых спутников. Поэтому на поверхности Европы человек не прожил и дня, а на Ио – и часа. Даже космическому роботу нелегко там находиться.
Более удаленные от Юпитера Ганимед и Каллисто в этом смысле значительно безопаснее для исследования. Поэтому именно туда Роскосмос собирается в будущем послать зонд. Хотя Европа с ее подледным океаном была бы намного интереснее.
Ледяные гиганты Уран и Нептун выглядят промежуточными между газовыми гигантами и планетами земного типа. По сравнению с Юпитером и Сатурном у них меньше размер, масса и центральное давление, но при этом их относительно высокая средняя плотность указывает на большую долю элементов группы CNO. Протяженная и массивная атмосфера Урана и Нептуна в основном водородно-гелиевая. Под ней водная с примесью аммиака и метана мантия, которую принято называть ледяной. Но у планетологов принято называть «льдами» сами химические элементы группы CNO и их соединения (H 2 O, NH 3 , CH 4 и т. п.), а не их агрегатное состояние. Так что мантия в большей степени может быть жидкой. А под ней лежит сравнительно небольшое железно-каменное ядро. Поскольку концентрация углерода в недрах Урана и Нептуна выше, чем у Сатурна и Юпитера, в основании их ледяной мантии может лежать слой жидкого углерода, в котором конденсируются кристаллы, т. е. алмазы, оседающие вниз.
Подчеркну, что внутреннее строение планет-гигантов активно обсуждается, и конкурирующих моделей пока довольно много. Каждое новое измерение с борта космических зондов и каждый новый результат лабораторного моделирования в установках высокого давления приводят к пересмотру этих моделей. Напомню, что прямое измерение параметров весьма неглубоких слоев атмосферы и только у Юпитера было осуществлено лишь однажды зондом, сброшенным с «Галилео» (NASA). А все остальное – косвенные измерения и теоретические модели.
Магнитные поля Урана и Нептуна слабее, чем у газовых гигантов, но сильнее, чем у Земли. Хотя у поверхности Урана и Нептуна индукция поля примерно такая же, как у поверхности Земли (доли гаусса), но объем, а значит и магнитный момент намного больше. Геометрия магнитного поля у ледяных гигантов очень сложная, далекая от простой дипольной формы, характерной для Земли, Юпитера и Сатурна. Вероятная причина в том, что генерируется магнитное поле в относительно тонком электропроводящем слое мантии Урана и Нептуна, где конвекционные потоки не обладают высокой степенью симметрии (поскольку толщина слоя много меньше его радиуса).
При внешнем сходстве Уран и Нептун нельзя назвать близнецами. Об этом говорит их разная средняя плотность (соответственно 1,27 и 1,64 г/см 3) и разная интенсивность выделения тепла в недрах. Хотя Уран в полтора раза ближе к Солнцу, чем Нептун, и поэтому получает от него в 2,5 раза больше тепла, он холоднее Нептуна. Дело в том, что Нептун выделяет в своих недрах даже больше тепла, чем получает от Солнца, а Уран не выделяет почти ничего. Поток тепла из недр Урана вблизи его поверхности составляет всего 0,042 ± 0,047 Вт/м 2 , что даже меньше чем у Земли (0,075 Вт/м 2). Уран – самая холодная планета в Солнечной системе, хотя и не самая далекая от Солнца. Связано ли это с его странным вращением «на боку»? Не исключено.
Теперь поговорим о кольцах планет.
Все знают, что «окольцованная планета» − это Сатурн. Но при внимательном наблюдении выясняется, что кольца есть у всех планет-гигантов. С Земли их заметить сложно. Например, кольцо Юпитера мы не видим в телескоп, но замечаем его в контровом освещении, когда космический зонд смотрит на планету с ее ночной стороны. Это кольцо состоит из темных и очень мелких частиц, размер которых сравним с длинной волны света. Они практически не отражают свет, но хорошо рассеивают его вперед. Тонкими кольцами окружены Уран и Нептун.
В общем, двух одинаковых колец у планет не бывает, они все разные.
В шутку можно сказать, что и у Земли есть кольцо. Искусственное. Оно состоит из нескольких сотен спутников, выведенных на геостационарную орбиту. На этом рисунке не только геостационарные спутники, но и те, что на низких орбитах, а также на высоких эллиптических орбитах. Но геостационарное кольцо выделяется на их фоне вполне заметно. Впрочем, это рисунок, а не фото. Сфотографировать искусственное кольцо Земли пока никому не удалось. Ведь его полная масса невелика, а светоотражающая поверхность ничтожна. Едва ли суммарная масса спутников в кольце составит 1000 тонн, что эквивалентно астероиду размером 10 м. Сравните это с параметрами колец планет-гигантов.
Заметить какую-либо взаимосвязь между параметрами колец довольно сложно. Материал колец Сатурна белый как снег (альбедо 60 %), а остальные кольца чернее угля (А = 2-3 %). Все кольца тонкие, а у Юпитера довольно толстое. Все из булыжников, а у Юпитера из пылинок. Структура колец тоже разная: одни напоминают граммофонную пластинку (Сатурн), другие – матрешкообразную кучу обручей (Уран), третьи – размытые, диффузные (Юпитер), а кольца Нептуна вообще не замкнуты и похожи на арки.
В голове не укладывается относительно малая толщина колец: при диаметре в сотни тысяч километров их толщина измеряется десятками метров. Мы никогда не держали в руках столь тонкие предметы. Если сравнить кольцо Сатурна с листом писчей бумаги, то при его известной толщине размер листа был бы с футбольное поле!
Как видим, кольца у всех планет различаются по составу частиц, по их распределению, по морфологии – у каждой планеты-гиганта свое уникальное украшение, происхождение которого мы пока не понимаем. Обычно кольца лежат в экваториальной плоскости планеты и вращаются в ту же сторону, куда вращается сама планета и группа близких к ней спутников. В прежние времена астрономы считали, что кольца вечны, что они существуют от момента зарождения планеты и останутся при ней навсегда. Сейчас точка зрения изменилась. Но расчеты показывают, что кольца не слишком долговечны, что их частицы тормозятся и падают на планету, испаряются и рассеиваются в пространстве, оседают на поверхности спутников. Так что украшение это временное, хотя и долгоживущее. Сейчас астрономы считают, что кольцо – это результат столкновения или приливного разрушения спутников планеты. Возможно, кольцо Сатурна самое молодое, поэтому оно такое массивное и богатое летучими веществами (снегом).
А так может сфотографировать хороший телескоп с хорошей камерой. Но здесь еще мы не видим у кольца почти никакой структуры. Давно была замечена темная «щель» − разрыв Кассини, который более 300 лет назад открыл итальянский астроном Джованни Кассини. Кажется, что в разрыве ничего нет.
Плоскость кольца совпадает с экватором планеты. Иного и быть не может, поскольку у симметричной сплющенной планеты вдоль экватора в гравитационном поле потенциальная яма. На серии снимков, полученных с 2004 по 2009 гг., мы видим Сатурн и его кольцо в разных ракурсах, поскольку экватор Сатурна наклонен к плоскости его орбиты на 27°, а Земля всегда недалеко от этой плоскости. В 2004 г. мы точно оказались в плоскости колец. Сами понимаете, при толщине несколько десятков метров самого кольца мы не видим. Тем не менее, черная полоска на диске планеты ощущается. Это тень кольца на облаках. Она видна нам, поскольку Земля и Солнце с разных направлений смотрят на Сатурн: мы смотрим точно в плоскости кольца, но Солнце освещает немножко под другим углом и тень кольца ложится на облачный слой планеты. Раз есть тень, значит в кольце довольно плотно упакованное вещество. Тень кольца исчезает только в дни равноденствия на Сатурне, когда Солнце оказывается точно в его плоскости; и это независимо указывает на малую толщину кольца.
Кольцу Сатурна посвящено много работ. Джеймс Клерк Максвелл, тот самый, что прославился своими уравнениями электромагнитного поля, исследовал физики кольца и показал, что оно не может быть единым твердым предметом, а должно состоять из мелких частиц, иначе центробежная сила его разорвала бы. Каждая частица летит по своей орбите – чем ближе к планете, тем быстрее.
Взгляд на любой предмет с другой стороны всегда полезен. Там, где в прямом свете мы видели черноту, «провал» в кольце, здесь мы видим вещество; просто оно другого типа, по-другому отражает и рассеивает свет
Когда космические зонда прислали нам снимки кольца Сатурна, нас поразила его тонкая структура. Но еще в XIX в выдающиеся наблюдатели на обсерватории Пик-дю-Миди во Франции именно эту структур видели глазом, но им тогда никто особенно не поверил, потому что никто кроме них такие тонкости не замечал. Но оказалось, кольцо Сатурна именно такое. Объяснение этой тонкой радиальной структуре кольца специалисты по звездной динамике ищут в рамках резонансного взаимодействия частиц кольца с массивными спутниками Сатурна вне кольца и мелкими спутниками внутри кольца. В целом теория волн плотности справляется с задачей, но до объяснения всех деталей еще далеко.
На верхнем фото дневная сторона кольца. Зонд пролетает через плоскость кольца, и мы видим на нижнем фото, как оно повернулось к нам ночной стороной. Вещество в делении Кассини стало вполне заметно с теневой стороны, а яркая часть кольца, напротив, потемнела, поскольку она плотная и непрозрачная. Там, где была чернота, появляется яркость, потому что мелкие частицы не отражают, но рассеивают свет вперед. Эти снимки показывают, что вещество есть везде, просто частицы разного размера и структуры. Какие физические явления сепарируют эти частицы, мы пока не очень понимаем. На верхнем снимке виден Янус − один из спутников Сатурна.
Надо сказать, что хоть и близко от кольца Сатурна пролетали космические аппараты, тем не менее ни одному из них не удалось увидеть реальные частицы, составляющие кольцо. Мы видим лишь общее их распределение. Отдельные глыбы увидеть не удается, не рискуют аппарат внутрь кольца запускать. Но когда-нибудь это придется сделать.
С ночной стороны Сатурна сразу появляются те слабо видимые части колец, которые в прямом свете не видно.
Это не настоящий цветной снимок. Цветами здесь показан характерный размер тех частиц, которые составляют ту или иную область. Красные – мелкие частицы, бирюзовые – более крупные.
В ту эпоху, когда кольцо разворачивалась ребром к Солнцу, тени от крупных неоднородностей ложатся на плоскость кольца (верхнее фото). Самая длинная тень здесь − от спутника Мимас, а многочисленные мелкие пики, которые в увеличенном изображении показаны на врезке, однозначного объяснения пока не получили. За них ответственны выступы километрового размера. Не исключено, что некоторые из них – это тени от наиболее крупных камней. Но квазирегулярная структура теней (фото внизу) более соответствует временным скоплениям частиц, возникающим в результате гравитационной неустойчивости.
Вдоль некоторых колец летают спутники, так называемые «сторожевые псы» или «пастушьи собаки», которые своей гравитацией удерживают от размытия некоторые кольца. Причем сами спутники довольно интересные. Один движется внутри тонкого кольца, другой снаружи (например, Янус и Эпиметей). У них орбитальные периоды чуть-чуть разные. Внутренний ближе к планете и, следовательно, быстрее облетает ее, догоняет наружный спутник и за счет взаимного притяжения меняет свою энергию: наружный притормаживается, внутренний ускоряется, и они меняются орбитами – тот, что затормозил переходит на низкую орбиту, а тот, что ускорился – на высокую. Так они делают несколько тысяч оборотов, а затем вновь меняются местами. Например, Янус и Эпиметей меняются местами раз в 4 года.
Несколько лет назад открыли самое далекое кольцо Сатурна, о котором вообще не подозревали. Это кольцо связано со спутником Феба, с поверхности которого улетает пыль, заполняя область вдоль орбиты спутника. Плоскость вращения этого кольца, как и самого спутника, не связана с экватором планеты, поскольку из-за большого расстояния гравитация Сатурна воспринимается как поле точечного объекта.
У каждой гигантской планеты есть семейство спутников. Особенно богаты ими Юпитер и Сатурн. На сегодняшний день у Юпитера их 69, а у Сатурна 62 и регулярно обнаруживаются новые. Нижняя граница массы и размера для спутников формально не установлена, поэтому для Сатурна это число условное: если вблизи планеты обнаруживается объект размером 20-30 метров, то что это – спутник планеты или частица ее кольца?
В любом многочисленном семействе космических тел мелких всегда больше, чем крупных. Спутники планет – не исключение. Мелкие спутники – это, как правило, глыбы неправильной формы, в основном состоящие изо льда. Имея размер менее 500 км, они не в состоянии своей гравитацией придать себе сфероидальную форму. Внешне они очень похожи на астероиды и ядра комет. Вероятно, многие из них таковыми и являются, поскольку движутся вдали от планеты по весьма хаотическим орбитам. Планета могла захватить их, а через некоторое время может потерять.
С малыми астероидоподобными спутниками мы пока не очень близко знакомы. Детальнее других исследованы такие объекты у Марса − два его небольших спутника, Фобос и Деймос. Особенно пристальное внимание было к Фобосу; на его поверхность даже зонд хотели отправить, но пока не получилось. Чем внимательнее присматриваешься к любому космическому телу, тем больше в нем загадок. Фобос – не исключение. Посмотрите, какие странные структуры идут вдоль его поверхности. Уже несколько физических теорий существует, пытающихся объяснить их образование. Эти линии из мелких провалов и борозд похожи на меридианы. Но физической теории их формирования пока никто не предложил.
Все мелкие спутники несут на себе многочисленные следы ударов. Время от времени они сталкиваются друг с другом и с приходящими издалека телами, дробятся на отдельные части, а могут и объединяться. Поэтому восстановить их далекое прошлое и происхождение будет нелегко. Но среди спутников есть и те, что генетически связаны с планетой, поскольку движутся рядом с ней в плоскости ее экватора и, скорее всего имеют общее с ней происхождение.
Особый интерес представляют крупные планетоподобные спутники. У Юпитера их четыре; это так называемые «галилеевы» спутники – Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. У Сатурна выделяется своим размером и массой могучий Титан. Эти спутники по своим внутренним параметрам почти неотличимы от планет. Просто их движение вокруг Солнца контролируется еще более массивными телами – материнскими планетами.
Вот перед нами Земля и Луна, а рядом в масштабе спутник Сатурна Титан. Замечательная маленькая планета с плотной атмосферой, с жидкими большими «морями» из метана, этана и пропана на поверхности. Моря из сжиженного газа, который при температуре поверхности Титана (–180 °C) находятся в жидком виде. Очень привлекательная планета, потому что на ней будет легко и интересно работать – атмосфера плотная, надежно защищает от космических лучей и по составу близка к земной атмосфере, поскольку тоже в основном состоит из азота, хотя и лишена кислорода. Вакуумные скафандры там не нужны, поскольку атмосферное давление почти как на Земле, даже чуть больше. Тепло оделись, баллончик с кислородом за спину, и вы легко будете работать на Титане. Кстати, это единственный (кроме Луны) спутник, на поверхность которого удалось посадить космический аппарат. Это был «Гюйгенс», доставленный туда на борту «Кассини» (NASA, ESA), и посадка была довольно удачной.
Вот единственный снимок, сделанный на поверхности Титана. Температура низкая, поэтому глыбы – это очень холодный водяной лед. Мы в этом уверены, потому что Титан вообще по большей части состоит из водяного льда. Цвет красновато-рыжеватый; он естественный и связан с тем, что в атмосфере Титана под действием солнечного ультрафиолета синтезируется довольно сложные органические вещества под общим названием «толины». Дымка из этих веществ пропускает к поверхности в основном оранжевый и красный цвет, довольно сильно его рассеивая. Поэтому изучать из космоса географию Титана довольно сложно. Помогает радиолокация. В этом смысле ситуация напоминает Венеру. Кстати, и циркуляция атмосферы на Титане тоже венерианского типа: по одному мощному циклону в каждом из полушарий.
Спутники других планет-гигантов тоже оригинальны. Это Ио – ближайший спутник Юпитера. На таком же расстоянии находится, что и Луна от Земли, но Юпитер – гигант, а значит, действует на свой спутник очень сильно. Юпитера расплавило недра спутника и на нем мы видим множество действующих вулканов (черные точки). Видно, что вокруг вулканов выбросы ложатся по баллистическим траекториям. Ведь там практически нет атмосферы, поэтому то, что выброшено из вулкана, летит по параболе (или по эллипсу?). Малая сила тяжести на поверхности Ио создает условия для высоких выбросов: 250-300 км вверх, а то и прямо в космос!
Второй от Юпитера спутник – Европа. Покрыт ледяной корой, как наша Антарктида. Под корой, толщина которой оценивается в 25-30 км, океан жидкой воды. Ледяная поверхность покрыта многочисленными древними трещинами. Но под влиянием подледного океана пласты льда медленно перемещаются, напоминая этим дрейф земных материков.
Трещины во льду время от времени открываются, и оттуда фонтанами вырывается вода. Теперь мы это точно знаем, поскольку видели фонтаны с помощью космического телескопа «Хаббл». Это открывает перспективу исследовать воду Европы. Кое-что о ней мы уже знаем: это соленая вода, хороший проводник электричества, на что указывает магнитное поле. Ее температура, вероятно, близка к комнатной, но о ее биологическом составе мы пока ничего не знаем. Хотелось бы зачерпнуть и проанализировать эту воду. И экспедиции с этой целью уже готовятся.
Другие крупные спутники планет, включая нашу Луну, не менее интересны. По сути, они представляют самостоятельную группу планет-спутников.
Здесь в одном масштабе показаны наиболее крупные спутники в сравнении с Меркурием. Они ничем ему не уступают, а по своей природе некоторые из них даже более интересны.
