Реферат: Планеты-гиганты

водяного пара. По-видимому, элементный состав атмосферы (и всей планеты в

целом) не отличается от солнечного (90% водорода, 9% гелия, 1% более тяжелых

элементов).

Полное давление у верхней границы облачного слоя составляет около 1 атм.

Облачный слой имеет сложную структуру. Верхний ярус состоит из кристаллов

аммиака ниже, должны быть расположен облака из кристаллов льда и капелек

воды.

Инфракрасная яркостная температура Юпитера, измеренная в интервале 8 – 14 мк,

равна в центре диска 128 – 130К. Если рассмотреть температурные разрезы по

центральному меридиану и экватору, можно увидеть, что температура, измеренная

на краю диска, ниже, чем в центре. Это можно объяснить следующим образом. На

краю диска луч зрения идет наклонно, и эффективный излучающий уровень (то

есть уровень, на котором достигается оптическая толщина =1)

расположен в атмосфере на большей высоте, чем в центре диска. Если

температура в атмосфере падает с увеличением высоты, то яркость и температура

на краю будут несколько меньше. Слой аммиака толщиной в несколько сантиметров

(при нормальном давлении) уже практически непрозрачен для инфракрасного

излучения в интервале 8 – 14 мк. Отсюда следует, что инфракрасная яркостная

температура Юпитера относится к довольно высоким слоям его атмосферы.

Распределение интенсивности в полосах СН показывает, что температура облаков

значительно больше (160 – 170К) При температуре ниже 170К аммиак (если его

количество соответствует спектроскопическим наблюдениям) должен

конденсироваться; поэтому предполагается, что облачный покров Юпитера, по

крайней мере частично, состоит из аммиака. Метан конденсируется при более

низких температурах и в образовании облаков на Юпитере принимать участие не

может.

Яркостная температура 130К заметно выше, чем равновесная, то есть такая,

которую должно иметь тело, светящееся только за счет переизлучения солнечной

радиации. Расчеты, учитывающие измерение отражательной способности планеты

приводят к равновесной температуре около 100К. Существенно, что величина

яркостной температуры около 130К была получена не только в узком диапазоне 8-

14мк, но и далеко за его пределами. Таким образом, полное излучение Юпитера

2,9 раз превосходит энергию, получаемую от Солнца, и большая часть излучаемой

им энергии обусловлена внутренним источником тепла. В этом смысле Юпитер

ближе к звездам, чем к планетам земного типа. Однако источником внутренней

энергии Юпитера не являются, конечно, ядерные реакции. По-видимому,

излучается запас энергии, накопленный при гравитационном сжатии планеты (в

процессе формирования планеты из протопланетной туманности гравитационная,

когда гравитационная энергия пыли и газа, образующих планету, должна

переходить в кинетическую и затем в тепловую).

Наличие большого потока внутреннего тепла означает, что температура довольно

быстро растет с глубиной. Согласно наиболее вероятным теоретическим моделям

она достигает 400К на глубине 100 км ниже уровня верхней границы облаков, а

на глубине 500 км – около 1200К. А расчеты внутреннего строения показывают,

что атмосфера Юпитера очень глубокая – 10000 км, но надо отметить, что

основная масса планеты (ниже этой границы) находится в жидком состоянии.

Водород при этом находится в вырожденном, что то же самое, в металлическом

состоянии (электроны оторваны от протонов). При этом в самой атмосфере

водород и гелий, строго говоря, находятся в сверхкритическом состоянии:

плотность в нижних слоях достигает 0,6-0,7г/см ³, и свойства скорее

напоминают жидкость, чем газ. В самом центре планеты (по расчетам на глубине

30000 км), возможно, находится твердое ядро из тяжелых элементов,

образовавшееся в результате слипания частиц металлов и каменных образований.

КОЛЬЦО ЮПИТЕРА.

Юпитер преподносит много сюрпризов: он генерирует мощные полярные сияния,

сильные радиошумы, возле него межпланетные аппараты наблюдают пылевые бури –

потоки мелких твердых частиц, выброшенных в результате электромагнитных

процессов в магнитосфере Юпитера. Мелкие частицы, которые получают

электрический заряд при облучении солнечным ветром, обладают очень

интересной динамикой: являясь промежуточным случаем между макро и

микротелами, они примерно одинаково реагируют и на гравитационные и на

электромагнитные поля.

Именно из таких мелких каменных частиц, в основном состоит кольцо Юпитера,

открытое в марте 1979 года (косвенное обнаружение кольца в 1974 г. по

данным «Пионера» осталось непризнанным). Его главная часть имеет радиус 123-

129 тыс. км. Это плоское кольцо около 30км толщиной и очень разреженное – оно

отражает лишь несколько тысячных долей процента падающего света. Более слабые

пылевые структуры тянутся от главного кольца к поверхности Юпитера и образуют

над кольцом толстое гало, простирающееся до ближайших спутников. Увидеть

кольцо Юпитера с Земли практически невозможно: оно очень тонкое и постоянно

повернуто к наблюдателю ребром из-за малого наклона оси вращения Юпитера к

плоскости его орбиты.

ВНУТРЕННИЕ И ВНЕШНИЕ СПУТНИКИ ЮПИТЕРА.

У Юпитера обнаружено 16 лун. Две из них – Ио и Европа – размером с нашу Луну,

а другие две – Ганимед и Каллисто – превзошли ее по диаметру примерно в

полтора раза. Каллисто равна по размерам Меркурию, а Ганимед его обогнал.

Правда, они находятся дальше от своей планеты, чем Луна от Земли. Только Ио

видна в небе Юпитера как яркий красноватый диск (или полумесяц) лунных

размеров, Европа, Ганимед и Каллисто выглядят в несколько раз меньше Луны.

Владения Юпитера довольно обширны: восемь внешних спутников настолько удалены

от него, что их нельзя было бы наблюдать с самой планеты невооруженным

глазом. Происхождение спутников загадочно: половина из них движется вокруг

Юпитера в обратную сторону (по сравнению с обращением других 12 спутников и

направлением суточного вращения самой планеты). Самый внешний спутник Юпитера

в 200 раз дальше от него, чем самый близкий. Например, если высадиться на

один из ближайших спутников, то оранжевый диск планеты займет полнеба. А с

орбиты самого дальнего спутника диск гиганта Юпитера будет выглядеть почти в

два раза меньше лунного.

Спутники Юпитера – это интереснейшие миры, каждый со своим лицом и историей ,

которые открывались нам только в космическую эру.

Ио

Это самый близкий к Юпитеру галилеев спутник, он удален от центра планеты на

422 тыс. км, т. е. чуть дальше, чем Луна от Земли. Благодаря огромной массе

Юпитера период обращения Ио гораздо короче лунного месяца и составляет всего

42,5 ч. Для наблюдателя в телескоп это самый непоседливый спутник:

практически каждый день Ио видна на новом месте, перебегая с одной стороны

Юпитера на другую.

По массе и радиусу (1815км) Ио похожа на Луну. Самая сенсационная особенность

Ио заключается в том, что она вулканически активна! На ее желто-оранжевой

поверхности «Вояджеры» обнаружили 12 действующих вулканов, извергающих

султаны высотой до 300км. Основной выбрасываемый газ – диоксид серы,

замерзающий потом на поверхности в виде твердого белого вещества.

Доминирующим оранжевым цветом спутник обязан соединениям серы. Вулканически

активные области Ио нагреты до 300°С.

Постоянно над планетой поднимается фонтан газа высотой 300 км. Мощный

подземный гул сотрясает почву , из жерла вулкана с огромной скоростью ( до 1

км/с)вылетают вместе с газом камни и после свободного безатмосферного падения

с огромной высоты врезаются в поверхность во многих сотнях километров от

вулкана. Из некоторых вулканических кальдер (так называются котлообразные

впадины , образовавшиеся вследствие провала вершины вулкана ) выплёскивается

расплавленная черная сера и растекается горячими реками . на фотографиях

«Вояджеров» видны черные озёра и даже целые моря расплавленной серы .

Крупнейшее лавовое море возле вулкана Локи имеет размер 20 км в поперечнике .

В центре его расположен потрескавшийся оранжевый остров из твёрдой серы .

Черные моря Ио колышутся в оранжевых берегах , а в небе над ними нависает

громада Юпитера.

Существование таких пейзажей вдохновило много художников.

Вулканическая активность Ио обусловлена гравитационным влиянием на нее других

тел системы Юпитера. Прежде всего, сама гигантская планета своим мощным

тяготением создала два приливных горба на поверхности спутника, которые

затормозили вращение Ио, так что она всегда обращена к Юпитеру одной стороной

– как Луна к Земле. Орбита Ио не является точным кругом, горбы слегка

перемещаются по её поверхности ,что приводит к разогреванию внутренних слоев

планеты. В еще большей степени этот эффект вызывается приливными

воздействиями других массивных спутников Юпитера, в первую очередь ближайшей

к Ио Европе. Постоянное разогревание недр привело к тому, что Ио является

самым вулканически активным телом Солнечной системы.

В отличие от земных вулканов , у которых мощные извержения эпизодичны,

вулканы на Ио работают практически не переставая , хотя активность их может

меняться. вулканы и гейзеры выбрасывают часть вещества даже в космос. Поэтому

вдоль орбиты Ио тянется плазменный шлейф из ионизированных атомов кислорода и

серы и нейтральных облаков атомарных натрия и калия.

Ударные кратеры на Ио отсутствуют из-за интенсивной вулканической переработки

поверхности. На ней есть каменные массивы высотой до 9 км. Плотность Ио

довольно высока – 3000 кг/м^3. Под частично расплавленной оболочкой из

силикатов в центре спутника расположено ядро с большим содержанием железа и

его соединений.

Европа

Европа имеет радиус чуть меньше, чем у Ио – 1569км. Из галилеевых спутников

у Европы самая светлая поверхность с явными признаками водяного льда.

Существует предположение о том, что под ледяной коркой существует водный

океан, а под ним твердое силикатное ядро. Плотность Европы очень высока –

3500кг/м3. Этот спутник удален от Юпитера на 671000 км.

Геологическая история Европы не имеет ничего общего с историей соседних

спутников. Европа одно из самых гладких тел в солнечной системе: на ней нет

возвышенностей более ста метров высотой. Вся ледяная поверхность спутника

покрыта сетью полос огромной протяженностью. Темные полосы длиной в тысячи

километров – это следы глобальной системы трещин по всей Европе.

Существование этих трещин объясняется тем, что ледяная поверхность достаточно

подвижна и неоднократно раскалывалась от внутренних напряжений и

крупномасштабных тектонических процессов.

Из-за того , что поверхность молодая ( всего 100млн. лет ) , на почти не

заметно ударных метеоритных кратеров, которые в большом количестве возникали

4,5 млрд. лет назад. Учёные нашли на Европе только пять кратеров диаметрами

10-30 км.

Ганимед

Ганимед является крупнейшим спутником планет в Солнечной системе, его радиус

равен 2631 км. Плотность мала, по сравнению с Ио и Европой, всего 1930кг/м3.

Удаленность от Юпитера составляет 1,07 млн. км. Всю поверхность Ганимеда

можно разделить на две группы: первая, занимающая 60% территории,

представляет собой странные полосы льда, порожденные активными геологическими

процессами 3,5 млрд. лет назад; вторая, занимающая остальные 40%,

представляет собой древнюю мощную ледяную кору, покрытую многочисленными

метеоритными кратерами, нужно также отметить, что эта кора было частична

разломлена и обновлена теми же процессами, что и упомянутые выше.

С точки зрения космического геолога Ганимед- самое привлекательное тело среди

спутников Юпитера. Он имеет смешанный силикатно- ледяной состав: мантию из

водяного льда и каменное ядро . Его плотность 1930 кг\м^3. В условиях низких

температур и высоких внутренних давлений водяной лёд может существовать в

нескольких модификациях с различными типами кристаллической решётки. Богатая

геология Ганимеда во многом определяется сложными переходами между этими

разновидностями льда. Поверхность спутника припорошена слоем рыхлой каменно-

ледяной пыли толщиной от нескольких метров до нескольких десятков метров.

Каллисто

Это второй по величине спутник в системе Юпитера, его радиус 2400км. Среди

галилеевых спутников Каллисто самый дальний: расстояние от Юпитера 1,88 млн.

км, период вращения составляет 16,7 суток. Плотность силикатно-ледяной

Каллисто мала – 1830кг/м3. Поверхность Каллисто до предела насыщена

метеоритными кратерами. Темный цвет Каллисто – результат силикатных и других

примесей. Каллисто – самое кратерированное тело Солнечной системы из всех

известных. Огромной силы удар метеорита вызвал образование гигантской

структуры, окружённой кольцевыми волнами , - Вальхаллы. В центре её находится

кратер диаметром 350 км , а в радиусе 2000 км от него концентрическими

кругами располагаются горные хребты.

У Юпитера внутри орбиты Ио открывается несколько маленьких спутников. Три из

них – Метида, Адрастея и Теба- обнаружены с помощью межпланетных станций , и

о них известно немного. Метида и Атрастея (их диаметры 40 и 20 км

соответственно) движутся по краю главного кольца Юпитера ,по одной орбите

радиусом 128000км. Эти самые быстрые спутники делают оборот вокруг гиганта

Юпитера за 7 ч. со скоростью свыше 100000 км /ч.

Более удалённый спутник Теба расположен посередине между Ио и Юпитером- на

расстоянии 222 тыс. км от планеты ; его диаметр около 100 км.

Наиболее крупный внутренний спутник Амальтерея имеет неправильную форму (

размеры 270*165*150 км) и покрыт кратерами ; он состоит из тугоплавких пород

тёмно-красного цвета. Амальтелия обнаружена американским астрономом Эдуардом

Бернардом в 1892 г. и стала пятым по счету открытым спутником Юпитера.

Вращается она по орбите радиусом 181 тыс. км.

Внутренние спутники Юпитера и его четыре главные луны расположены вблизи

плоскости экватора планеты на почти круговых орбитах. У орбит этих восьми

спутников эксцентрисеты и наклонения настолько малы , что ни один из них не

отклоняется от «идеальной» круговой траектории более чем на один градус .

Такие спутники называются регулярными.

Остальные восемь спутников Юпитера относятся к нерегулярным и отличаются

значительными эксцентрисетами и наклонениями орбит. В своём движении они

могут они могут менять удаленность от планеты в 1,5-2 раза, отклоняясь при

этом от её экваториальной плоскости на многие миллионы километров. Эти восемь

внешних спутников Юпитера сгруппированы в две команды , котрые были названы

по наиболее крупным телам : группа Гималии , куда также входят Леда, Лиситея

и Элара ;и группа Пасифе с Ананке, Карме и Синопе. Эти спутники открывались с

помощью наземных телескопов в течение 70 лет( 1904 –1974).Средние радиусы

планет группы Гималии соответствуют 11,1-11,7 млн км . спутники группы

Гималии совершают оборот вокруг Юпитера за 240-260 суток , а группы Пасифе -

–за 630-760 суток , т.е. более чем за два года. Собственные радиусы спутников

очень малы : в группе Гималии –от 8 км у Леды до 90 км у Гималии ; в группе

Пасифе –от 15 до 35 км . они черны и неровны . Внешние спутники , входящие в

группу Пасифе, вращаются вокруг Юпитера в обратную сторону.

Учёные еще не пришли к единому мнению о происхождении нерегулярных

спутников.( Считается , что регулярные внутренние спутники сформировались из

околопланетного газопылевого диска в результате слипания многих мелких частиц

.) Ясно только , что важную роль в формировании внешних спутников играл

захват Юпитером астероидов. Компьютерные расчеты показывают, что, возможно,

группа Пасифе возникла в результате систематического захвата планетой мелких

частиц и астероидов на обратные орбиты во внешней области околоюпитерианского

диска.

С А Т У Р Н

АТМОСФЕРА И ОБЛАЧНЫЙ СЛОЙ.

Всякий, кто наблюдал планеты в телескоп, знает, что на поверхности Сатурна,

то есть на верхней границе его облачного покрова, заметно мало деталей и

контраст их с окружающим фоном невелик. Этим Сатурн отличается от Юпитера,

где присутствует множество контрастных деталей в виде темных и светлых полос,

волн, узелков, свидетельствующих о значительной активности его атмосферы.

Возникает вопрос, действительно ли атмосферная активность Сатурна (например

скорость ветра) ниже, чем у Юпитера, или же детали его облачного покрова

просто хуже видны с Земли из-за большего расстояния (около 1,5 млрд. км.) и

более скудного освещения Солнцем (почти в 3,5 раза слабее освещения

Юпитера)?

"Вояджерам" удалось получить снимки облачного покрова Сатурна, на которых

отчетливо запечатлена картина атмосферной циркуляции: десятки облачных

поясов, простирающихся вдоль параллелей, а также отдельные вихри. Обнаружен,

в частности, аналог Большого Красного Пятна Юпитера, хотя и меньших

размеров. Установлено, что скорости ветров на Сатурне даже выше, чем на

Юпитере: на экваторе 480 м/с, или 1700 км/ч. Число облачных поясов

больше, чем на юпитере, и достигают они более высоких широт. Таким образом,

снимки облачности демонстрируют своеобразие атмосферы Сатурна, которая

даже активнее юпитерианской.

Метеорологические явления на Сатурне происходят при более низкой температуре,

нежели в земной атмосфере. Поскольку Сатурн в 9,5 раз дальше от Солнца, чем

Земля, он получает в 9,5 =90 раз меньше тепла.

Температура планеты на уровне верхней границы облачного покрова, где давление

равно 0,1 атм, составляет всего 85 К, или -188 С. Интересно, что за счет

нагревания одним Солнцем даже такой температуры получить нельзя. Расчет

показывает: в недрах Сатурна имеется свой собственный источник тепла, поток

от которого в 2,5 раза больше, чем от Солнца. Сумма этих двух потоков и дает

наблюдаемую температуру планеты. Космические аппараты подробно исследовали

химический состав надоблачной атмосферы Сатурна. В основной она состоит почти

на 89% из водорода. На втором месте гелий (около 11% по массе). Отметим, что

в атмосфере Юпитера его 19%. Дефицит гелия на Сатурне объясняют

гравитационным разделением гелия и водорода в недрах планеты: гелий, который

тяжелее, постепенно оседает на большие глубины (что, кстати говоря,

высвобождает часть энергии, "подогревающей" Сатурн). Другие газы в атмосфере

- метан, аммиак, этан, ацетилен, фосфин - присутствуют в малых количествах.

Метан при столь низкой температуре ( около -188 С)находится в основном в

капельножидком состоянии. Он образует облачный покров Сатурна. Что касается

малого контраста деталей, видимых в атмосфере Сатурна, о чем говорилось выше,

то причины этого явления пока еще не вполне ясны. Было высказано

предположение, что в атмосфере взвешена ослабляющая контраст дымка из

мельчайших твердых частиц. Но наблюдения "Вояджера-2" опровергают это:

темные полосы на поверхности планеты оставались резкими и ясными до самого

края диска Сатурна, тогда как при наличии дымки они бы к краям замутнялись

из-за большого количества частиц перед ними. Вопрос, таким образом, не может

считаться решенным и требует дальнейшего расследования.

Данные, полученные с "Вояджера-1", помогли с большой точностью

определить экваториальный радиус Сатурна. На уровне вершины облачного

покрова экваториальный радиус составляет 60330 км. или в 9,46 раза больше

земного. Уточнен также период обращения Сатурна вокруг оси: один оборот он

совершает за 10 ч. 39,4 мин - в 2,25 раза быстрее Земли. Столь быстрое

вращение привело к тому, что сжатие Сатурна значительно больше, чем у Земли.

Экваториальный радиус Сатурна на 10% больше полярного (у Земли - только на

0,3%).

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА САТУРНА.

До тех пор, пока первые космические аппараты не достигли Сатурна,

наблюдательных данных о его магнитном поле не было вообще. но из

наземных радиоастрономических наблюдений явствовало, что Юпитер обладает

мощным магнитным полем. Об этом свидетельствовало тепловое

радиоизлучение на дециметровых волнах, источник которого оказался больше

видимого диска планеты, причем он вытянут вдоль экватора Юпитера симметрично

по отношению к диску. Такая геометрия, а также поляризованность излучения

свидетельствовали о том, что наблюдаемое излучение магнитно-тормозное и

источник его - электроны, захваченные магнитным полем Юпитера и населяющие

его радиационные пояса, аналогичные радиационным поясам Земли. Полеты к

Юпитеры подтвердили эти выводы. Поскольку Сатурн весьма сходен с Юпитером по

своим физическим свойствам, астрономы предположили, что достаточно заметное

магнитное поле есть и у него. Отсутствие же у Сатурна наблюдаемого с

Земли магнитно-тормозного радиоизлучения объясняли влиянием колец. Эти

предложения подтвердились. Еще при подлете "Пионера-11" к Сатурну его

приборы зарегистрировали в около планетном пространстве образования, типичные

для планеты, обладающей ярко выраженным магнитным полем: головную ударную

волну, границу магнитосферы (магнитопаузу), радиационные пояса (Земля и

Страницы: 1, 2, 3, 4