Начиная рассуждать о системе Юпитера, нельзя не сказать хотя бы главное о месте ее в Солнечной системе. Астрономы прошлого предложили много теорий образования Солнечной системы. Отто Юльевич Шмидт в середине ХХ века предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, захватило в свои гравитационные объятия облако обломков, пыли и газа. Из вещества этого огромного холодного облака, согласно его теории, сформировались холодные плотные допланетные тела – планетезимали. Я ничего не имею против захвата Солнцем такого облака. Однако, кроме камней, пыли и газа за долгие годы странствий по Галактике наше светило вполне могло подцепить и тела побольше - планеты в уже почти сформированном виде. Это могли быть ядра потухших звезд и куски тяжелой протоматерии, которые образовались в результате взрыва черных дыр.
Рис. 1. Сравнительные размеры тел Солнечной системы.
Если масса пропланеты составляет 1–2 масс Земли, она способна захватывать пыль и газ и формировать вокруг себя атмосферу. Постепенно она выбирает все обломки и весь газ на своей орбите, и процесс замедляется.
В нашей Солнечной системе на периферии образовались планеты-гиганты, способные удержать возле себя огромные газовые оболочки. Первичная атмосфера планет гигантов, равно как и самого Солнца, состояла из водорода и гелия. Массы ядер планет-гигантов примерно одинаковы и равны 15–20 массам Земли. Чем больше масса протопланеты, тем быстрее идет аккреция газа на нее.
Уран и Нептун росли еще медленнее, чем Юпитер и Сатурн. К тому времени газа в Солнечной системе из-за действия солнечного ветра осталось еще меньше, поэтому Уран и Нептун содержат меньше водорода в процентном содержании, чем Юпитер.
В центре Солнечной системы сформировались менее массивные планеты. Здесь солнечный ветер выдул мелкие частицы и газ. А вот более тяжелые частицы, наоборот, стремились к центру. Солнечные приливы затормозили вращение близких к Солнцу планет – Меркурия и Венеры.
Рисунок 2. Наклон осей вращения планет к плоскостям их орбит. От угла наклона экватора планеты к плоскости орбиты и от вытянутости орбиты планеты зависит смена времен года на планете. Последовательность планет по направлению от Солнца (слева направо).
Компьютерные эксперименты продемонстрировали замечательное свойство нашей планетной системы: пролет звезды с массой порядка 0,1 массы Солнца через ее внешние области мало изменит орбиты планет земной группы. Этого нельзя сказать об удаленных объектах, расположенных в облаке Оорта, для которых расстояние от Солнца в сотни раз больше, чем радиус орбиты Земли.
Рис. 3. Большие полуоси орбит планет хорошо следуют правилу Тициуса – Боде. Красным выделен теоретический график, синим – реальные размеры орбит.
Гравитационное поле Галактики возмущает орбиты малых тел на окраине Солнечной системы и даже вызывает их появление внутри орбиты Земли. Дело в том, что тела, захваченные Солнцем в его гравитационные объятия, вначале имеют сильно вытянутые орбиты, и только потом, с каждым оборотом, из-за приливных сил орбиты их становятся менее вытянутыми.
Что касается Солнца, центрального тела Солнечной системы, то считается, что это – типичная звезда главной последовательности, равновесие которой обусловлено равенством сил газового давления и гравитации. Солнце существует 5 миллиардов лет и еще столько же будет излучать практически неизменный поток энергии вследствие протекающих на нем процессов. Затем, в соответствии с законами звездной эволюции, Солнце превратится в красный гигант, и его радиус значительно увеличится, станет больше орбиты Земли. После этого газовая оболочка рассеется, и на месте Солнца останется белый карлик. Этот остаток нашего бывшего светила будет высвечивать запасы тепловой энергии в течение миллиардов лет, постепенно превращаясь в невидимый холодный объект. Впоследствии, попав в поле тяготения другой звезды, этот темный остывший объект может превратиться в одну из планет новой планетной системы.
Рис. 4. Область Оорта как внешняя часть Солнечной системы.
Современная планетная космогония встречается со многими вопросами, которые требуют строгого решения. Один из таких вопросов – парадокс вращательного момента. Протопланетные диски имеют небольшую массу, в 10–100 раз меньшую центральной звезды. Так, например, в Солнечной системе 99,8 % массы заключается в Солнце. Тем не менее, основной вращательный момент приходится именно на планеты. Вопрос о перераспределении вращательного момента из центральной части конденсирующегося газопылевого облака к периферии очень актуален и до сих пор не решен. Это лишний раз говорит о том, что общепринятая гипотеза происхождения солнечной системы из газопылевого облака неверна. Скорее всего, не облако пыли и газа, а захваченные тяжелые тела привнесли большой вращательный момент в Солнечную систему.
Все планеты, астероиды, кометы вращаются вокруг Солнца в одном направлении (против хода часовой стрелки, если смотреть с северного полюса мира). Орбиты планет практически круговые, их плоскости мало наклонены к плоскости орбиты Земли. Только две планеты – Меркурий и Плутон – имеют орбиты с большим наклоном к эклиптике. Скорее всего, эти тела были захвачены Солнцем из другой системы и в другое время. А может быть, все планеты Солнечной системы попали в объятия Солнца в разное время. Орбиты комет сильно вытянутые, имеют большой эксцентриситет. Большинство объектов Солнечной системы вращаются вокруг своей оси в одном направлении, которое называется прямым. Однако Венера вращается в обратном направлении, а Уран вращается, как говорят, «лежа на боку». Эти факты также говорят не в пользу гипотезы О.Ю. Шмидта.
Почти все спутники обращаются вокруг планеты в том же направлении, что и планеты вокруг Солнца. Исключение составляют спутники Юпитера – Карме, Синопе, Ананке, Пасифе и спутник Нептуна Тритон.
Дни и годы на каждой из планет различны по своей продолжительности. Все планеты вращаются вокруг Солнца с разными скоростями. Самая большая скорость у Меркурия, медленнее всего вокруг Солнца вращается планета Плутон со своим спутником Хароном.
Самые длинные сутки на Венере, они продолжаются 243 земных суток. Планеты-гиганты вращаются вокруг своей оси очень быстро. Продолжительность суток на Юпитере всего 9,92 часа.
Одним из важнейших факторов, влияющих на климат планет, является солнечное излучение, падающее на планету. Солнечное излучение, падающее на планету, частично отражается в космическое пространство, частично поглощается. Поглощенная энергия нагревает поверхность планеты. Исключительно важным фактором, влияющим на климат планет, является наличие или отсутствие атмосферы. Атмосфера планеты влияет на ее тепловой режим. Плотная атмосфера влияет на климат несколькими путями:
а) создавая парниковый эффект, она увеличивает и температуру поверхности;
б) атмосфера сглаживает суточные колебания температуры;
в) движение воздушных масс (циркуляция атмосферы) сглаживает разность температур между экватором и полюсами.
Однако и внутреннее тепло, выделяемое из недр планет, нельзя сбрасывать со счетов в формировании климата. Особенно это касается сильно удаленных от Солнца планет и их спутников, каким и являются спутники планеты гиганта Юпитера.
Юпитер - владыка неба
Рис. 5. Внутреннее строение Юпитера.
Юпитер назван в честь царя римских богов. Он господствует среди девяти планет нашей Солнечной системы, соперничая с Солнцем в своем гравитационном могуществе и электромагнитном великолепии. Он находится далеко за основным поясом астероидов. Масса Юпитера намного превышает массу всех других планет, вместе взятых. Масса планеты равна 318 массам Земли и составляет 1,9∙1027 кг, радиус его 71 492 км. Вместе с тем, Юпитер весьма разрежен: его плотность равна 1,33 г/см3, что в четыре раза меньше плотности Земли. Ускорение свободного падения на уровне облачной поверхности Юпитера составляет всего 2,53 g.
Большая полуось орбиты Юпитера равна 5,2 а.е., эксцентриситет орбиты е = 0,0489, период обращения по орбите – 11,867 лет. Наклон плоскости орбиты к плоскости эклиптики – 1°18´17". Средняя скорость движения по орбите – 13,1 км/с.
Большая полуось орбиты Юпитера равна 5,2 а.е., эксцентриситет орбиты е = 0,0489, период обращения по орбите – 11,867 лет. Наклон плоскости орбиты к плоскости эклиптики – 1°18´17". Средняя скорость движения по орбите – 13,1 км/с.
Период вращения вокруг оси – 9 часов 55 минут. Каждая точка на его экваторе движется со скоростью 45 тысяч километров в час. Из-за действия центробежных сил Юпитер заметно сплющен (коэффициент сжатия у него больше 6%). Экваториальные части его атмосферы вращаются быстрее, чем приполярные. Ось вращения Юпитера почти перпендикулярна его орбите, следовательно, на планете нет смен времен года.
Юпитер – прекрасный объект для наблюдений. Даже в простейший телескоп или бинокль видны четыре его гигантских спутника Юпитера, открытых Галилеем еще в 1610 году .
Рис. 6. Схема орбит спутников Юпитера.
При захвате вещества газо-пылевого облака на долю Юпитера пришлось 2/3 его массы, но этого не хватило для того, чтобы на Юпитере начались термоядерные реакции. Юпитер в 80 раз легче самой маленькой звезды главной последовательности. Однако он обладает собственным источником тепла. Если бы он нагревался только Солнцем, температура верхних слоев была бы равной 100 градусам по Кельвину, измерения же дают 140 градусов. В тепловом режиме Юпитера большую роль играют потоки внутренней энергии из центра планеты. Планета излучает больше энергии, чем получает от Солнца. Следовательно, в окрестностях Юпитера тела нагреваются не только за счет излучения Солнца, но и за счет потока тепла от Юпитера.
Рис. 7. Состав атмосферы Юпитера.
Атмосфера Юпитера состоит на 89 % из водорода и на 11 % гелия и напоминает по химическому составу атмосферу Солнца. Ее мощность около 6 тысяч километров. Оранжевый цвет атмосфере придают соединения фосфора и серы. Для людей она губительна, так как содержит ядовитые аммиак и ацетилен. Полагают, что Юпитер имеет три слоя облаков: облака из оледеневшего аммиака; облака из кристаллов сероводорода аммония и метана и облака, которые содержат водяной лед и возможно жидкую воду. Все эти облака погружены в водородно-гелиевую атмосферу.
Рис. 8. Изображение юпитера в инфракрасном излучении. Светлое - наиболее теплые области планеты.
В атмосфере Юпитера очень интенсивная циркуляция, ветры больших скоростей дуют параллельно экватору, причем в смежных полосах, на которые поделена атмосфера, ветры направлены в противоположные стороны. Эти полосы находятся в постоянном движении. Ветры на Юпитере достигают скорости 500 км/час. Ветры дуют и в более низких слоях атмосферы. Они управляются не энергией излучения Солнца, а внутренним теплом планеты. Атмосфера Юпитера создает гигантское давление, увеличивающееся при приближении к центру планеты. Газы в атмосфере, при таких экстремальных условиях, находятся в необычных состояниях. Например, водород, будучи под колоссальным давлением атмосферы, вблизи поверхности планеты должен находиться в жидкой фазе. В отличие от газообразного водорода, жидкий водород способен проводить электрический ток. В центре Юпитера большая температура и давление сжимают ядро диаметром 25 000 км, находящееся в металло-силикатном состоянии. Температура в центре Юпитера около 23 000 градусов по Кельвину.
Магнитное поле Юпитера огромно, даже в пропорции с величиной самой планеты – оно простирается на 650 миллионов километров, проникая за орбиту Сатурна. Магнитное поле Юпитера значительно более сильное, чем земное. Форма магнитосферы Юпитера, как и других планет, далека от сферической. На расстоянии 177 тысяч км от планеты зарегистрирована зона наиболее интенсивной радиации, в 10 тысяч раз большей, чем в радиационных поясах Земли. Возможно, генерация мощного магнитного поля Юпитера связана с быстрым вращением центральных областей планеты, содержащих жидкий водород и проводящих ток. Потоки заряженных частиц, попадая в атмосферу Юпитера, вызывают ее сияние вблизи полюсов планеты. Разряды колоссальных молний, зарегистрированные в атмосфере Юпитера, вероятно, также своим возникновением обязаны океану жидкого металлического водорода.
Рис. 9. Магнитосфера Юпитера.
Ну а сейчас совершим небольшое путешествие по крупным, так называемым галлилеевым, спутникам Юпитера. Попробуем понять происхождение их рельефа, увиденное космическими станциями, пролетавшими через вселенную Юпитера.
