Юпитер. Тайна планеты. Спутники Юпитера. Что такое БКП?

Мы продолжаем наш путь и, покидая совсем неопасное, как оказалось, для космоплавания пространство летающих скал главного пояса астероидов, оказываемся перед феерической картиной самой большой планеты Солнечной системы. Из черных космических глубин медленно выплывает величественный газовый гигант Юпитер, лишь волею обстоятельств не ставший вторым светилом после Солнца.

 

 Олимпийский гигант Юпитер

 

Подлетать к нему на близкое расстояние могут только хорошо защищенные автоматы специальной конструкции. Ведь сильнейшее магнитное поле Юпитера захватывает излучение Солнца, создавая смертельный для всего живого поток заряженных частиц, намного более опасный, чем подобные радиационные пояса Земли и даже способный легко вывести из строя электронное оборудование и навигационные приборы.

Погода на Юпитере — вид с южного полюса

 

Свое название Юпитер получил в честь главы пантеона римских божеств, однако он хорошо был известен и звездочетам древности из Перу, Египта, Месопотамии и Китая. Ведь на ночном небе этот ярчайший объект, видный как желтоватая звезда, уступает в блеске только Луне, Венере и Марсу во время его великого противостояния.

 

Каждый народ по-своему называл эту планету: в Месопотамии это был Мулубаббар (означало «звезда-солнце»), в Вавилонии — Мардук (олицетворяли с верховным божественным покровителем), в Китае — Суйсин («звезда года»), а в Древней Греции — Фаэтон («излучающий»).

 

В XVII веке великий итальянский физик, астроном, математик и философ Галилео Галилей превратил подзорную трубу в телескоп и вскоре открыл четыре крупнейших спутника Юпитера, которые были названы галилеевыми. Телескопические наблюдения Юпитера продолжил итальянский и французский астроном Джованни Доменико Кассини (1625-1712), который открыл поверхностные пятна и полосы и смог по ним вычислить период обращения. Впоследствии он обнаружил, что Юпитер сжат у полюсов и его слои атмосферы вращаются по-разному. В Средние века выдающийся английский физик и астроном Роберт Гук и итальянский астроном и инженер Джованни Кассини открыли крупнейший атмосферный вихрь в Солнечной системе — Большое красное пятно (БКП) Юпитера.

 

В 1892 году американский астроном Эдвард Барнард обнаружил пятую юпитерианскую луну — Амальтею, в течение последующих 87 лет были открыты Гималия, Элара, Пасифе, Синопе, Лиситея, Карме, Ананке и Леда.

 

В 1930-х годах были получены изображения Юпитера в инфракрасном диапазоне, выявившие наличие в атмосфере аммиака и метана. Были обнаружены также три «белых пятна» долгоживущих антициклонов, через 60 лет слившихся в одну атмосферную аномалию, самую значительную после БКП.

 

Галилеевы спутники Юпитера

 

В середине 1950-х годов было открыто радиоизлучение планеты в диапазоне 22,2 МГц, состоящее из отдельных секундных L-всплесков и децисекундных (0,1 с) S-импульсов. В 1959 году обнаружили дециметровое радиоизлучение, связанное с тором пояса магнитосферной плазмы вокруг экватора планеты. Впоследствии было установлено, что на радиоизлучение влияют многочисленные спутники, например вулканы на Ио выбрасывают в окружающее космическое пространство довольно много проводящего вещества, которое под действием магнитосферы Юпитера излучает потоки дециметровых радиоволн.

 

Юпитер открывает группу газовых гигантов, в которую входят также Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты сильно превышают по размерам и массе своих землеподобных сестер, однако намного уступают им по относительной плотности. Так, самая легкая газовая планета Уран по массе в 14,5 раза больше Земли, но ее плотность меньше плотности воды, и если бы нашлась некая циклопическая космическая ванна, то газовые планеты плавали бы в ней, как мыльные пузыри.

 

Юпитер полностью оправдывает свое имя величайшего божества, фактически формирует миниатюрный аналог Солнечной системы, включающий более 60 спутников, причем некоторые по размерам превышают Луну, Плутон и Меркурий. Да и по своему химическому составу этот газовый гигант скорее походит на протозвезду, чем на планету, поэтому Юпитер часто называют несформировавшейся звездой, которой не хватило топлива для запуска в ядре термоядерных реакций.

 

В настоящее время окрестности Юпитера посетили восемь космических аппаратов. Первым был знаменитый «Пионер-10», пролетевший 3 декабря 1973 года на расстоянии 130 тыс. км от планеты. В ходе этой миссии НАСА были получены многочисленные изображения Юпитера и установлено существование интенсивных радиационных поясов и мощной магнитосферы, свидетельствующей о наличии в недрах планеты гигантской циркуляции потока проводящей жидкости.

 

 Юпитер и его спутники

 

При исследовании энергетического баланса было обнаружено что количество излучаемой Юпитером энергии в 2,5 раза превосходит поток солнечной радиации, также были измерены массы спутников. 

 

Спустя год после «Пионера-10» стартовая «Пионер-11», который 2 декабря 1974 года приблизился к Юпитеру на расстояние 43 хыс. км. В подробностях были сфотографированы БКП и лолярные регионы, уточнена масса спутника Каллисто.

 

В 1977 году началась программа НАСА «Вояджер» — и в край газовых гигантов 20 августа отправилась АМС «Вояджер-2», побывавшая на расстоянии 570 тыс. км от верхней границы облачного покрова Юпитера. С помощью установленного на аппарате оборудования были изучены циклоны в атмосфере» планеты и поверхность спутников Европы и Ганимеда. Оказалось, что под ледяной поверхностью Европы может существовать жидкий океан, оболочка

Ганимеда состоит из грязного водяного льда. Вторым 5 сентября 1977 года был запущен «Вояджер-1», подлетевший к Юпитеру на расстояние 207 тыс. км и сделавший много детальных снимков его спутников. Кроме того, аппарату удалось собрать много данных о температуре и химическом составе атмосферы планеты.

 

18 октября 1989 года с борта многоразового транспортного корабля «Атлантис» стартовал космический аппарат «Галилео» с миссией изучения системы Юпитера. После долгого космического путешествия 7 декабря 1995 года в атмосферу газового гиганта на скорости 160 тыс. км/ч десантировался спускаемый зонд, который около часа передавал ценнейшие данные о давлении и температуре верхних слоев атмосферы Юпитера, которые «Галилео» ретранслировал на Землю. Анализ полученной информации позволил выяснить, что внешняя оболочка гиганта имеет температуру около -80 °С при давлении 1,6 атм, а на глубине 130 км температура повысилась до +150 °С при давлении 24 атм, что вызвало полное разрушение зонда.

 

Сама станция, несмотря на поломку главной антенны, сузившей канал передачи данных на 99%, продолжила изучение атмосферы и высококачественное фотографирование облачного покрова в режиме искусственного спутника. За восемь лет нахождения на орбите аппарат сделал 35 оборотов вокруг Юпитера, передав свыше 14 тыс. фотографий и разнообразных телеметрических данных. Это позволило выяснить, что атмосфера планеты содержит некоторое количество водяного пара и в ней бушуют грозы с очень мощными электрическими разрядами, в тысячи раз превышающими земные молнии.

 

Шесть лет длилось путешествие космического аппарата: 10 февраля 1990 года он пролетел на расстоянии 16 тыс. км от Венеры, затем 8 октября того же года совершил гравитационный маневр возвращения к Земле, 29 октября 1991 года пролетел в 1,6 тыс. км от астероида Гаспра из главного пояса астероидов, 8 декабря 1992 года опять возвратился к Земле, в июле 1995 года встретился с астероидом Идой и направился в систему Юпитера.

 

 Путешествие АМС «Галилео»

 

При исследовании юпитерианских лун (спутников) было обнаружено магнитное поле у Ио и обширный ледяной покров на поверхности Европы, возможно, скрывающий океан, так мастерски описанный Артуром Кларком в его космической «Одиссее». Наличие жидкой воды в глубине ледяных масс возможно и у Ганимеда с Каллисто. 21 сентября 2003 года экспедиция «Галилео» завершилась, и АМС со скоростью 50 км/с сгорела в верхних слоях газового гиганта.

 

8 февраля 1992 года в окрестностях Юпитера побывала АМС «Улисс», осуществив гравитационный маневр перед выходом на околосолнечную полярную орбиту и попутно исследовав магнитосферу планеты. 30 декабря 2000 года космический аппарат «Кассини-Гюгенс» совершил гравитационный разворот на расстоянии 10 млн км от поверхности Юпитера и передал снимки высокого разрешения, а также уникальные данные по измерению магнитного поля планеты. 28 февраля 2007 года АМС «Новые горизонты», лавируя в окрестностях Юпитера на пути к Плутону, передала множество высококачественных изображений планеты и ее спутников.

 АМС «Галилео» исследует спутник Юпитера Ио (художественная реконструкция)

 

Изучает Юпитер и космический телескоп «Хаббл», первым сфотографировавший отблески полярных сияний и проследивший историю столкновения в верхней атмосфере газового гиганта фрагментов кометы Шумейкеров — Леви, а в июле 1994 года сделавший уникальные изображения атмосферных вихрей.

 

Как мы уже отмечали, Юпитер не имеет четкой твердой поверхности, и его размер указывают по радиусу верхней границы облачного покрова. Его масса в 317,8 раза превосходит массу Земли и составляет две трети от общей массы планет Солнечной системы. При колоссальной массе плотность планеты сравнительно невелика и в четыре раза меньше плотности Земли, что сравнимо с плотностью воды. Это связано с химическим составом газового гиганта, ведь если на Земле преобладают железо, кислород, кремний и магний, то на Юпитере — легчайшие газы: водород и гелий с небольшой примесью метана, воды, аммиака, ацетилена, двуокиси углерода и пропана. В атмосфере газового гиганта водород и гелий находятся в жидкообразном сверхкритическом состоянии и электропроводны.

 

 

 АМС «Юнона» у Юпитера (художественная реконструкция)

 

 Строение Юпитера и характеристика атмосферы на разных глубинах

 

Магнитосфера Юпитера

 

Предполагается, что еще ниже лежит слой жидкого молекулярного водорода толщиной около 10 тыс. км. Далее может следовать небольшое ядро из расплавленных металлосиликатов в окружении жидкой водно-аммиачной оболочки. По другой версии, на этой же глубине водород переходит в специфическое металлическое состояние, напоминая жидкий металл, а внутри него располагается компактное железосиликатное твердое ядро радиусом около 4 тыс. км, разогретое до температуры, близкой к 30 тыс. К.

 

Магнитосфера Юпитера в 1200 раз больше земной. Однако величина напряженности магнитного поля находится в обратной зависимости от радиуса планеты. А поскольку радиус Юпитера приблизительно в 11 раз превышает радиус Земли, то и напряженность магнитного поля Юпитера выше Земного всего в 5-6 раз.

 

Радиоизлучение Юпитера, обнаруженное в 1955 году, послужило первым признаком наличия у него сильного магнитного поля, которое в 4 тыс. раз сильнее земного. Следовательно, магнитосфера Юпитера в 100 раз больше земной.

 

На 750 млн км, чуть ли не до орбиты Сатурна, простирается магнитосфера Юпитера. Возникновение сверхмощного магнитного поля у газового гиганта чаще всего связывают с быстрым вращением центральных слоев планеты, содержащих электропроводящий металлический водород. Структура юпитерианской магнитосферы образовывается под действием солнечного ветра, который также формирует обширные радиационные пояса с потоками заряженных частиц. Одним из источников этих частиц служат вулканы Ио, выбрасывающие каждую секунду тонны ионизированного вещества. Газовый гигант также интенсивно радио излучает в дециметровом диапазоне, при этом излучение сильно поляризовано и имеет спорадический характер, включая отдельные всплески разной интенсивности.

 

Зональные плоскости в атмосфере Юпитера (слева — инфракрасный диапазон, справа — видимый свет)

 

Природа мощного радиоизлучения Юпитера до сих пор полностью не раскрыта. Чаще всего высказываются мнения, что его источником могут служить мощные грозовые разряды, но их спектр радиоизлучения сильно отличается от аналогичных земных грозовых разрядов. В качестве еще одного механизма предлагаются колебания плазмы ионосферы планеты, но данная модель еще в целом не совсем ясна.

 

Полосатая структура Юпитера — следствие преимущественно параллельно-зональной ориентации направления атмосферных ветров, достигающих скорости 500 км/ч. Глубинное изучение атмосферы выявило, что ураганные ветры распространяются и в более низких слоях, до тысячекилометровой глубины. Отсюда следует, что их вызывают потоки внутреннего тепла, а не солнечная энергия, как на Земле. Разница в количестве тепла на полюсах и экваторе вызывает возникновение гидродинамических потоков, которые отклоняются в зональном направлении.

 

Быстрое вращение Юпитера выстраивает линии тока в направлении, параллельном экватору. Общая картина существенно усложняется всяческими конвективными движениями, которые выносят вверх красный фосфор с серой и, возможно, органические соединения. Интенсивную коричневую и оранжевую окраску темных полос обеспечивают конвективные движения мельчайших частиц аэрозольной природы. Белые полосы представляют собой высокие облака из ледяных кристаллов. Синеватые высокоширотные области объясняются неплотными облаками, через которые просматриваются юпитерианские глубины.

 

Кроме того, атмосферу планеты украшают поразительные структуры гирлянд, вихрей и громадных провалов — омутов всевозможных расцветок, окружающих насыщенное красно-оранжевое БКП. Рядом с ним расположены еще один атмосферный шторм гораздо меньшего масштаба и другие разноцветные пятна разного физического и химического составов.

 

Облачный покров Юпитера имеет довольно сложную структуру. Весь его верхний ярус формируется из мельчайших кристалликов аммиака, в нижней части располагаются облака из кристаллов льда, метана, аммония сероводорода и капелек воды. Общая толщина юпитерианского облачного покрова колеблется в районе 50 км. В то же время у планеты мощный ионосферный слой, полыхающий циклопическими полярными сияниями.

 

Кроме мощной магнитосферы и радиоизлучения у газового гиганта Юпитера обнаружено колоссальное плоское кольцо из пыли и небольших астероидов. Миссии «Вояджеров» выяснили, что у планеты есть три кольца: внутреннее гало, главное и внешнее паутинное (двойное).

 

Внутреннее кольцо лежит на расстоянии 92 тыс. км от границы юпитерианского облачного покрова и имеет ширину 30,5 тыс. км, сформировано из частичек пыли, падающей из внутреннего просвета   главного   кольца к поверхности Юпитера.

 

 

 БКП в космическом телескопе «Хаббл»

 

Долгоживущий атмосферный вихрь — антициклон

 

Главное кольцо простирается на 6,4 тыс. км с четкой внешней границей на высоте 129,2 тыс. км от поверхности Юпитера. Внутренняя граница главного кольца постепенно сливается с гало, формируя своеобразный ореол шириной 22,8 тыс. км. Главное кольцо состоит из микроскопических частиц пыли, время «оседлой жизни» которых из-за сильных гравитационных возмущений составляет около тысячи лет. Источником их постоянного пополнения являются два спутника планеты — Адрастея и Метида, обращающиеся в пределах главного кольца. Наполнение колец происходит при ударах микрометеоритов по поверхности спутников.

 

Сегодня система Юпитера кроме трех колец включает 67 спутников. Самый вулканически активный из них — Ио (вулканы каждую секунду выбрасывают более 100 тыс. т вещества, состав которого все еще полностью неизвестен). Вулканический расплав растекается по поверхности сателлита, заполняя все котлованы, трещины и метеоритные кратеры.

 

Планетологи, исследующие систему Юпитера, считают, что аномально высокая вулканическая активность Ио связана с приливным воздействием двух других ближайших сателлитов — Ганимеда и Европы, вызывающих стометровые приливные волны на поверхности Ио, разогревающие его недра и определяющие сверхинтенсивный вулканизм.

 

В систему Юпитера входит также Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе, превышающий по размерам Меркурий и карликовую планету Плутон, к тому же обладающий собственным магнитным полем. На поверхности Ганимеда не наблюдается выраженная тектоническая и вулканическая деятельность, но его ландшафт свидетельствует о давних катаклизмах, сформировавших тысячекилометровые горные хребты и лавовые плато. На Ганимеде, скорее всего, есть вода как в корке поверхностного льда, так и в жидком соленом океане на стокилометровой глубине (между слоями водяного льда).

 

На Ганимед похож и другой сателлит Юпитера — Европа, поверхность которой, судя по всему, покрыта толстым слоем льда, скрывающего водный океан глубиной до 50 км. Это подтверждают трещины в ледяной коре и незначительные перепады высот. Некоторые биологи даже предполагают что подо льдом может существовать жизнь в гигантском водном океане, превышающем более чем в 2 раза Мировой океан Земли.

 

Самый далекий от Юпитера галилеев спутник — Каллисто — также весьма интересует планетологов.

 

Поверхность его плотно покрыта ударными кратерами, но на ней отсутствуют вулканы и признаки тектонической активности. Астрономы предполагают что поверхность этого юпитерианского спутника самая древняя в Солнечной системе (около 4 млрд лет).

 

Строение галилеевых спутников напоминает планеты земной группы: у них можно выявить ядра, мантии и кору различного состава. Например, ядра Европы, Ио и Ганимеда, скорее всего, состоят из железа, а вот ядро Каллисто содержит скальные породы с примесью водяного льда. Поверхность металлических ядер Европы и Ио охватывает силикатная мантия, а вокруг ядер Ганимеда и Каллисто расположена мантия из водяного льда. Кору Ио образует смесь солей серы, а у остальных галилеевых спутников поверхность покрывает водный лед, причем на Ганимеде он содержит много скальных пород.

 

 Крупнейшие спутники Юпитера и элементы их поверхности

 

Строение Европы

 

Кроме крупных галилеевых спутников в число регулярных сателлитов Юпитера входят еще Фивы, Метида, Адрастея и Амальтея. Все они характеризуются сравнительно небольшими круговыми орбитами, лежащими в экваториальной плоскости планеты. Предполагают, что все они возникли в ранних этапах в протопланетном газопылевом диске вокруг Юпитера.

 

Подавляющее большинство юпитерианских спутников входят в разряд иррегулярных, сильно уступая в размерах регулярным и двигаясь по удаленным орбитам. Некоторые из них обращаются в обратном направлении вращению планеты. Предполагается, что это могут быть некогда захваченные газовым гигантом астероиды. Захват их можно было бы объяснить тем, что на ранних этапах эволюции Юпитер имел весьма обширную атмосферу, простирающуюся далеко за пределы настоящих границ. Попадая в такую атмосферу, астероиды и превращались в иррегулярные спутники.

 

Удаляясь от самого крупного газового гиганта в Солнечной системе, вспомним основные вопросы, которые оставили нам последние миссии в систему Юпитера:

 

Почему в атмосфере Юпитера так мало воды? Пока ученые считают, что просто зондировалась необычайно сухая область атмосферы, но окончательные выводы еще предстоит сделать.

 

На какую глубину проникают штормовые зональные ветры? Какой механизм их вызывает?

 

Вид со спутника Юпитера (художественная реконструкция)

 

Почему БКП такое устойчивое? Существует сразу несколько теоретических моделей, в принципе проясняющих природу этого уникального феномена, но для выбора наиболее адекватной модели нужно еще много дополнительной информации.

 

Как же рассчитать внутреннее строение газового гиганта? Жидкий металлический водород был уже получен и в земных условиях, но многие его свойства все еще неизвестны.

 

Почему кольца Юпитера такие темные, в то время как у Сатурна (куда мы теперь и отправляемся) они намного ярче?

 

Это интересно

 

Сравнительно недавно планетологи наконец-то ответили на вопрос: что произойдет, если в атмосферу газового гиганта ворвется крупное небесное тело? Надо учитывать, что такие планеты не имеют четко выраженной твердой поверхности и в их атмосфере газовая среда постепенно сгущается под колоссальным внутренним давлением в жидкость, а затем, возможно, и в твердое состояние. Когда в 1994 году комета Шумейкеров — Леви столкнулась с Юпитером, астрономов ожидало незабываемое зрелище распада кометного ядра в гравитационном поле газового гиганта с последующим поглощением фрагментов кометы его атмосферой.

 

Была получена уникальная последовательность снимков, на которых хорошо видно, как осколки кометы погружаются в атмосферу, образовывая исчезающие темные следы. Под верхним облачным покровом планеты находится газовая среда с довольно высокой температурой, поэтому фрагменты кометы интенсивно плавились, не успев особенно глубоко проникнуть в юпитерианскую атмосферу. Поскольку Юпитер неизмеримо массивнее любой известной кометы, подобные соударения никак не могут повлиять на его внутреннее состояние и траекторию движения вокруг Солнца.