Общность газовых планет

Общность газовых планет-гигантов
Любая из планет-гигантов превосходит по массе все планеты земной группы, вместе взятые.
Крупнейшая планета Солнечной системы – Юпитер - в 11 раз по диаметру и в 300 с лишним раз
по массе больше, чем Земля. Все планеты-гиганты имеют мощные протяженные атмосферы,
состоящие в основном из молекулярного водорода и содержащие также гелий (от 6 до 15% по
объему), метан, аммиак, воду и некоторые другие соединения, в том числе более сложные.
Сжатие этих планет, которое заметно даже на первый взгляд, вызвано их быстрым вращением
вокруг оси. Характерно, что экваториальные области планет-гигантов вращаются быстрее, чем
области, находящиеся ближе к полюсам. На Юпитере различие периодов вращения на разных
широтах составляет около 6 мин, а на Сатурне превышает 20 мин. Наиболее изученным среди
планет-гигантов является Юпитер, на котором даже в небольшой школьный телескоп видны
многочисленные темные и светлые полосы, тянущиеся параллельно экватору планеты. Так
выглядят облачные образования в его атмосфере, на уровне которых давление примерно такое
же, как у поверхности Земли. Красновато-коричневый цвет полос объясняется, видимо, тем, что,
помимо кристалликов аммиака, составляющих основу облаков, в них содержатся различные
аэрозольные примеси, в частности соединения серы и фосфора. На снимках, полученных
космическими аппаратами, видны следы интенсивных атмосферных процессов. В целом ряде
случаев они имеют устойчивый характер. В земной атмосфере циклоны и антициклоны
существуют в среднем около недели. Атмосферные течения и облака зафиксированы
космическими аппаратами и на других планетах-гигантах, хотя развиты они в меньшей степени,
чем на Юпитере.
Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, поэтому там очень
холодно. Температура в атмосфере Юпитера на уровне облачного
слоя составляет всего 134 К (около -140 °С), Сатурна - 97 К, а на
Уране и Нептуне она не превышает 60 К. Такая температура
установилась на планетах не только за счет энергии, приходящей
от Солнца, но и благодаря потоку энергии из их недр. На Юпитере,
Сатурне и Нептуне он существенно больше потока солнечной
энергии. Вместе с данными о химическом составе планет эти
сведения позволяют рассчитать физические условия в их недрах построить модели внутреннего строения планет-гигантов. Согласно
такой модели для Юпитера температура в его центре составляет
около 30 000 К, давление достигает 8•10в12 Па, а для Нептуна 7000 К и 6•10в11 Па. Расчеты показывают, что по мере
приближения к центру планеты водород вследствие возрастания
давления должен переходить из газообразного в газожидкое
состояние - так называют состояние вещества, при котором
сосуществуют его газообразная и жидкая фазы. Когда при
дальнейшем приближении к центру давление в миллионы раз превысит атмосферное давление,
существующее на Земле, водород приобретает свойства, характерные для металлов.
Металлическую фазу водорода удалось получить в лабораторных условиях на Земле.
В недрах Юпитера металлический водород вместе с силикатами и металлами образует ядро,
которое по размерам примерно в 1,5 раза, а по массе в 10-15 раз превосходит Землю. Атмосфера
Юпитера – бушующий водородный океан, толщиной 1000 километров, скорость течений в
котором достигает 100 метров в секунду, а оба Красных Пятна в нем - огромные атмосферные
вихри (циклоны). Помимо двух больших образований, в атмосфере имеются множество мелких
пятнышек-вихрей, которые появляются и пропадают. Но Большое Красное Пятно наблюдается в
телескопы уже несколько веков. Для него характерно то, что оно распложено на 8 километров
выше верхнего слоя облаков. БКП - самый большой ураган в Солнечной системе. Его размеры
составляют 25 х 40 тысяч километров, круговорот вещества (период вращения) достигает
недели, а скорость ветра внутри этого урагана - 560 км/ч.
В отличие от ураганов на Земле, которые живут несколько дней, БКП - продукт стабильных
конвективных течений в данной области атмосферы планеты. По самым смелым предположениям
ученых, БКП существует более тысячи лет. Официально Большое Красное Пятно было
зарегистрировано в 1879 году. Тем не менее, изучение наблюдений итальянского астронома
Доминико Кассини (Jean-Dominique Cassini; 1625-1712), позволило найти БКП в его рисунках от
1665 года. Деталь, отмеченная англичанином Робертом Хуком (Robert Hooke; 1635-1703) в 1664
году, также может быть идентифицирована, как БКП. Если это так, то самый большой циклон
наблюдается почти 350 лет. Меньший вихрь – Малое Красное Пятно – идентичен большому
соседу по происхождению и строению, но уступает БКП по размерам в два раза. Магнитное поле
Юпитера значительно сильнее земного, поэтому его радиационные пояса, подобные земным,
значительно их превосходят, а магнитосфера, которая по своим размерам в 10 раз превосходит
диаметр Солнца, охватывает четыре крупнейших спутника. Движение заряженных частиц в
радиационных поясах Юпитера порождает его мощное радиоизлучение в дециметровом и
декаметровом диапазонах. Космические аппараты зарегистрировали в атмосфере планеты очень
сильные разряды молний, полярные сияния.
Данные о природе и химическом составе спутников планетгигантов, полученные в последние годы с помощью космических
аппаратов, стали еще одним подтверждением справедливости
современных представлений о происхождении тел Солнечной
системы. В условиях, когда водород и гелий на периферии
протопланетного облака почти полностью вошли в состав
планет-гигантов, их спутники оказались похожими на Луну и
планеты земной группы. Все эти спутники состоят из тех же
веществ, что и планеты земной группы, - силикатов, оксидов и
сульфидов металлов и т. д., а также водяного (или водноаммиачного) льда. Относительное содержание каменистых и
ледяных пород у отдельных спутников различно. На
поверхности
многих
спутников
помимо
многочисленных
кратеров метеоритного происхождения обнаружены также
тектонические разломы и трещины их коры или ледяного
покрова. Самым удивительным оказалось открытие на
ближайшем к Юпитеру спутнике Ио около десятка действующих
вулканов. Высота выброса при крупнейшем из этих извержений
составила около 300 км, а его источником была вулканическая
кальдера размером 24х8 км. Продолжительность большинства извержений превысила четыре
месяца. Таким образом, первое достоверное наблюдение вулканической деятельности за
пределами нашей планеты позволяет считать Ио наиболее вулканически активным объектом
среди всех тел планетного типа. На спутнике Урана - Миранде - видны уникальные структуры
поверхности. Их возникновение связано, видимо, с мощными ударными процессами, которые
могли привести к разрушению спутника. Многие спутники планет-гигантов имеют небольшие
размеры и неправильную форму.
Атмосфера, состоящая в основном из азота, обнаружена у Титана (диаметр около 5000 км) самого большого среди спутников Сатурна - и Тритона, который имеет диаметр примерно 2700 км
и является наиболее крупным спутником Нептуна. По плотности и давлению у поверхности
атмосфера Титана превосходит земную. За последнее время астрономы обнаружили у Сатурна 12
новых лун, доведя общее число его естественных спутников до 46. Почти все новые спутники
(кроме одного) вращаются вокруг Сатурна в направлении, противоположном вращению основных
крупных лун, а это указывает на то, что когда-то эти небесные тела были свободными, а затем
захвачены гравитацией планеты-гиганта. Таким образом Юпитер - планета, которая пока
остается рекордсменом по числу лун в Солнечной системе, - на сегодняшний момент насчитывает
63 известных спутника, Сатурн обладает 46. Последние луны были найдены в прошлом году с
помощью японского телескопа "Субару" (Subaru), установленного на Гавайях.
Недавно найденные спутники скорее всего сформировались в главном астероидном поясе,
расположенном между орбитами Марса и Юпитера (и стало быть представляют собой каменные, а
не ледяные глыбы), а затем они были рассеяны под воздействием гравитации Юпитера и в
результате каких-то непонятных процессов переместились в конце концов к Сатурну. Ключевой
вопрос состоит в том, каким именно образом они были захвачены Сатурном. Нынешние модели,
созданные для описания захватов планетами новых спутников, не способны объяснить, почему
они достигают орбит столь удаленных планет. Новые открытия должны углубить наши знания
спутниковых систем вообще и в конечном счете должны привести к пониманию того, каким
образом такие маленькие нерегулярные тела захватываются гравитацией гигантских планет. Чем
больше спутников мы найдем, тем больше будет данных для включения в наши компьютерные
модели, которые могут рассказать нам, что случилось на самом деле". Астрономы за последнее
время убедились, что все четыре гигантские планеты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран
и Нептун, - обладают достаточно большим и сопоставимым между собой количеством мелких
нерегулярных спутников. Все это слабо связано с массой планеты и ее местоположением. Эти
наблюдения остаются необъясненными.
На Тритоне и крупнейшем среди спутников Юпитера - Ганимеде, диаметр которого
превышает 5000 км, замечены ледяные полярные шапки. Исследования, проведенные с помощью
космических аппаратов, показали, что, кроме множества спутников, все планеты-гиганты имеют
еще и кольца. С момента своего открытия в XVII в. кольца Сатурна долгое время считались
уникальным образованием в Солнечной системе, хотя некоторые ученые высказывали
предположения о наличии колец у Юпитера и других планет-гигантов. Уже в XIX в. в работах
Джеймса Максвелла и Аристарха Аполлоновича Белопольского было доказано, что кольца не
могут быть сплошными. «Исчезновения» колец Сатурна, которые случались примерно через 15
лет, когда Земля оказывалась в плоскости этих колец, можно было объяснить тем, что толщина
колец мала. Постепенно стало очевидно, что кольца Сатурна представляют собой скопления
небольших по размеру тел, крупных и мелких кусков, которые обращаются вокруг планет по
почти круговым орбитам. Все они так малы, что по отдельности не видны. Благодаря их
обращению вокруг планеты кольца кажутся сплошными, хотя сквозь кольца Сатурна, например,
просвечивает и поверхность планеты, и звезды. Даже эти наиболее заметные кольца при общей
ширине порядка 60 000 км имеют толщину не более 1 км. Снимки, сделанные с КА «Вояджер»,
показывают их сложное строение. Кольца всех остальных планет-гигантов, включая Юпитер,
значительно уступают по размерам и яркости кольцам Сатурна. На снимках заметно, что в
кольцах Нептуна вещество распределено неравномерно и образует отдельные сгущения - арки.
Вероятнее всего, кольца образовались из вещества тех спутников, которые прежде были
крупнее, а затем разрушились под действием приливных сил и при столкновениях между собой.