Юпитер

Юпитер

Самой большой планетой Солнечной системы является Юпитер. Масса планеты-гиганта больше земной в 318 раз и в 1050 раз меньше массы Солнца. Экваториальный радиус Юпитера в 11,2 раза больше земного и составляет 71 400 км.

Однако точность, с которой был определен радиус Юпитера, недостаточно велика — ошибка может достигать до нескольких сотен километров. Полярный радиус заметно меньше экваториального и равен 66 900 км. Гравитационное ускорение около 2500 см/сек2. Средняя плотность 1,3 г/см3.

На диске видно множество деталей, но среди них нет ни одной постоянной. Есть некоторое число деталей, которые наблюдаются в течение столетий, но их положение и вид изменяются. Это означает, что видимая поверхность Юпитера представляет собой облачный покров. Наиболее заметны темные красноватые полосы, вытянутые параллельно экватору. Светлые промежутки между ними называются зонами. Зоны и полосы расчленяются на отдельные пятна различного вида и формы.

В 1878 г. на широте -20° было обнаружено образование, названное позднее Красным пятном, занимавшее по долготе 30°. Впоследствии оно уменьшало свою интенсивность, затем несколько увеличивало, но всегда оставалось более слабым, чем в момент открытия. Его можно видеть и сейчас, а просмотр старых зарисовок показал что его наблюдали еще в XVII в., не обращая на него особого внимания.

Большое красное пятно Юпитера
Большое красное пятно Юпитера

По движению видимых деталей на поверхности Юпитера был определен его период обращения. Оказалось, что период вращения на разных широтах является различным, аналогично тому, как это имеет место на Солнце. Период вращения увеличивается с ростом широты.

На широте Красного пятна он на 5m 10s больше, чем на экваторе. Разные образования расположены, по-видимому, на различных высотах, и бывают случаи, когда наблюдается прохождение одного объекта над другим. Полосатая структура диска Юпитера является следствием преимущественно зонального (т.е. ориентированного вдоль параллелей) направления ветра в атмосфере Юпитера.

Механизм, который приводит в действие общую циркуляцию на Юпитере, такой же, как на Земле. При таком быстром вращении, как у Юпитера, линии тока практически параллельны экватору. Картина усложняется конвективными движениями, которые наиболее интенсивны на границах между гидродинамическими потоками, имеющими разную скорость.

Атмосфера Юпитера

В атмосфере Юпитера, так же как и на Земле, могут формироваться циклоны. По различным оценкам, крупные циклоны, образующиеся в атмосфере Юпитера, могут быть достаточно устойчивыми (время жизни до 105 лет). Вероятно, Большое Красное пятно является примером такого циклона.

Температура в атмосфере не растёт монотонно. В ней, как и на Земле, можно выделить экзосферу, термосферу, стратосферу, тропопаузу, тропосферу. В самых верхних слоях температура велика; по мере продвижения вглубь давление растёт, а температура падает до тропопаузы; начиная с тропопаузы, и температура, и давление растут по мере продвижения вглубь. В отличие от Земли, на Юпитере нет мезосферы и соответствующей ей мезопаузы.

Структура атмосферы Юпитера
Структура атмосферы Юпитера

В термосфере Юпитера происходит довольно много интересных процессов: именно здесь планета теряет излучением значительную часть своего тепла, именно здесь формируются полярные сияния, именно тут формируется ионосфера. За её верхнюю границу взят уровень давления в 1 нбар. Наблюдаемая температура термосферы 800—1000 К, и на данный момент этот фактический материал до сих пор не получил объяснения в рамках современных моделей, так как в них температура не должна быть выше примерно 400 К. Охлаждение Юпитера тоже нетривиальный процесс: трёхатомный ион водорода(H3+), кроме Юпитера найденный только на Земле, вызывает сильную эмиссию в средней инфракрасной части спектра на длинах волн между 3 и 5 мкм.

Согласно непосредственным измерениям спускаемого аппарата, верхний уровень непрозрачных облаков характеризовался давлением в 1 атмосферу и температурой −107 °C; на глубине 146 км — 22 атмосферы, +153 °C. Также «Галилео» обнаружил «тёплые пятна» вдоль экватора. По-видимому, в этих местах слой внешних облаков тонок, и можно видеть более тёплые внутренние области.

Под облаками находится слой глубиной 7—25 тыс. км, в котором водород постепенно изменяет своё состояние от газа к жидкости с увеличением давления и температуры (до 6000 °C). Чёткой границы, отделяющей газообразный водород от жидкого, по-видимому, не существует. Это может выглядеть примерно как непрерывное кипение глобального водородного океана.

Внутреннее строение Юпитера

Любая модель внутреннего строения Юпитера должна учитывать, кроме химического состава, целый ряд наблюдательных фактов. Например, обнаружено, что Юпитер излучает в два раза больше тепла, чем получает от Солнца; следовательно, на планете должен быть внутренний источник энергии. Следует объяснить юпитерианское магнитное поле, которое на порядок мощнее земного. Современные теории образования планетных магнитных полей предполагают, что в недрах планеты находится электропроводящая жидкость. Наконец, модель внутреннего строения Юпитера должна согласоваться с наблюдаемой формой и величиной поля тяготения планеты.

Внутреннее строение Юпитера
Внутреннее строение Юпитера

Если бы Юпитер не вращался, можно было предположить, что он имеет форму идеальной сферы (пренебрегая возмущениями от движения спутников и Солнца), и рассматривать его как точечную массу. В этом случае его гравитационное поле должно было бы обладать сферической симметрией: на данном расстоянии от планеты сила тяжести должна быть одинаковой при измерениях над полюсом, над экватором или в любой другой точке. В действительности Юпитер быстро вращается. Вращение искажает форму планеты и соответственно меняет контуры гравитационного поля.

Период вращения Юпитера можно легко определить по интервалу между последовательными прохождениями через центральный меридиан некоторых долгоживущих образований в его атмосфере. Такие измерения, однако, дают разные результаты для разных широт. В пределах полосы 10° вблизи экватора вращаются со средним периодом 9 ч 50 мин 30 с. Для более высоких широт кажущийся период вращения несколько больше; принятое среднее значение составляет 9 ч 55 мин 41 с. Эти расхождения, вероятно, обусловлены систематическими крупномасштабными изменениями юпитерианских ветров.

Более надежные и, по-видимому, более значимые измерения периода вращения могут быть получены из наблюдений радиоизлучения планеты. Часть этого излучения поляризована юпитерианским магнитным полем. Поскольку ось магнитного диполя наклонена к оси вращения под углом около 11°, интенсивность и направление поляризации радиоизлучения, принимаемого на Земле, меняются синхронно с вращением планеты. Период, полученный из радиоастрономических измерений, составляет 9 ч 55 мин 30 с, что находится в хорошем согласии с результатами оптического метода для высоких широт. Радиоастрономическим методом измеряется период вращения магнитного поля планеты. Поскольку токи, генерирующие это поле, вероятно, текут в недрах планеты, наблюдения в радиодиапазоне лучше других методов дают представление о вращении Юпитера в целом.

Низкая плотность в сочетании с быстрым вращением приводят к образованию ярко выраженного экваториального горба. Лучшее определение формы планеты, сделанное по верхней границе облаков, дает экваториальный радиус 1400 км, полярный радиус — 57000 км. Таким образом, сплюснутость у обоих полюсов Юпитера достигает 4400 км, что составляет около 2/3 земного радиуса. (Для астрономических измерений принят стандартный радиус Юпитера, равный 71 372 км.)

Степень и природа отклонения формы Юпитера от сферической определяются распределением плотности внутри планеты. Это распределение влияет также на внешнее гравитационное поле, и исследование поля силы тяжести дает действенный метод изучения внутреннего строения Юпитера.

Магнитное поле и магнитосфера

Первый признак любого магнитного поля — радиоизлучение, а также рентген. Строя модели происходящих процессов, можно судить о строении магнитного поля. Так было установлено, что магнитное поле Юпитера имеет не только дипольную составляющую, но и квадруполь, октуполь и другие гармоники более высоких порядков. Предполагается, что магнитное поле создаёт динамо-машина, похожая на земную. Но в отличие от Земли, проводником токов на Юпитере служит слой металлического гелия.

Схема магнитного поля Юпитера
Схема магнитного поля Юпитера

Ось магнитного поля наклонена к оси вращения 10,2 ± 0,6°, почти как и на Земле, однако, северный магнитный полюс расположен рядом с южным географическим, а южный магнитный — с северным географическим. Напряжённость поля на уровне видимой поверхности облаков равна 14 Э у северного полюса и 10,7 Э у южного. Его полярность обратна полярности земного магнитного поля.

Форма магнитного поля у Юпитера сильно сплюснута и напоминает диск (в отличие от каплевидной у Земли). Центробежная сила, действующая на со-вращающуюся плазму с одной стороны и тепловое давление горячей плазмы с другой растягивают силовые линии, образуя на расстоянии 20 RJ структуру, напоминающую тонкий блин, также известную как магнитодиск. Он имеет тонкую токовую структуру вблизи магнитного экватора.

Вокруг Юпитера, как и вокруг большинства планет Солнечной системы, существует магнитосфера — область, в которой поведение заряженных частиц, плазмы, определяется магнитным полем. Для Юпитера источниками таких частиц является солнечный ветер и Ио. Вулканический пепел, выбрасываемый вулканами Ио, под действием солнечного ультрафиолета ионизуется. Так образуются ионы серы и кислорода: S+, O+, S2+ и O2+. Эти частицы покидают атмосферу спутника, однако остаются на орбите вокруг него, образуя тор. Этот тор был открыт аппаратом «Вояджер-1»; он лежит в плоскости экватора Юпитера и имеет радиус в 1 RJ в поперечном сечении и радиус от центра (в данном случае от центра Юпитера) до образующей поверхности в 5,9 RJ. Именно он принципиально меняет динамику магнитосферы Юпитера.

Магнитосфера Юпитера
Магнитосфера Юпитера. Захваченные магнитным полем ионы солнечного ветра на схеме показаны красным цветом, пояс нейтрального вулканического газа Ио — зелёным и пояс нейтрального газа Европы — синим.

Набегающий солнечный ветер уравновешивается давлением магнитного поля на расстояния в 50—100 радиусов планеты, без влияния Ио это расстояние было бы не более 42 RJ. На ночной стороне протягивается за орбиту Сатурна, достигая в длину 650 млн км и более. Ускоренные в магнитосфере Юпитера электроны достигают Земли. Если бы магнитосферу Юпитера можно было видеть с поверхности Земли, то её угловые размеры превышали бы размеры Луны.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *