Планета Юпитер

Состояние каменистых материалов в ядре Юпитера нам  неизвестно. Скорее всего, они должны быть расплавленными, но огромное давление (в 20 раз превышающее давление в центре Земли) может сделать его твердым. Если это так, то минералы должны представлять собой высокоплотные соединения — не такие, какие знакомы нам на Земле. Ядро Юпитера может быть небольшим, но скорее всего, его масса в 10 – 20 раз превышает массу Земли.

 

Рис. 4. Схема внутреннего строения Юпитера.

 

Рис. 5. Поверхность и внутреннее строение Юпитера.

 

Рис. 6. Модели внутреннего строения Юпитера и Урана.

 

Юпитер обладает самым мощным магнитным полем  из всех планет Солнечной системы. Оно в 20 000 раз превышает мощность магнитного поля Земли. Магнитное поле Юпитера огромно даже в сравнении с величиной самой планеты — оно простирается на миллионы километров. Полярность его обратна полярности земного поля, то есть северный и южный магнитные полюса находятся в тех же полушариях, что и соответствующие географические полюса, а не в противоположных, как на Земле. Магнитное поле Юпитера наклонено относительно оси вращения планеты на 9,6° и генерируется благодаря конвекции в толстом слое металлического водорода. Мощное магнитное поле удерживает пояс ионизированной серы, вращающийся по орбите крупнейшего внутреннего спутника Юпитера, Ио, и направляет высокоэнергетические электроны солнечного ветра к полюсам планеты, где в результате возникают впечатляющие «северные сияния» (рис. 7). Установлено также наличие ионосферы, протяженность которой по высоте порядка 3000 км. Юпитер также обладает обширной магнитосферой, которая подобна земной, но увеличена примерно в 100 раз. Имеются радиационные пояса.

 

Рис. 7. Видимые доказательства магнитного поля Юпитера: «северное сияние» (свет ионизированных атомов), замеченное зондом Galileo на ночной стороне Юпитера. Линии широты и долготы нанесены на снимок для наглядности.

 

Отличительной способностью Юпитера, свойственной также Сатурну и Нептуну, является то, что эта планета излучает в космос примерно в 2 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Такая скорость теплопотери (примерно 7 ватт на квадратный метр) в 1000 раз превышает скорость радиогенной выработки тепла в каменистом ядре Юпитера. Это говорит о том, что он всё ещё сжимается, превращая потенциальную гравитационную энергию в тепло. Если бы Юпитер был 13 раз больше, давление и температура этого процесса были бы достаточными для ядерного синтеза водорода. Тогда он был бы звездой, а не планетой. Находясь на расстоянии от Солнца около 5 а.е., Юпитер получает только 4% от потока солнечной энергии, приходящего к Земле.

 

Атмосфера

Ветры на Юпитере  возникают в силу его температуры. Атмосфера Земли подчиняется другим законам. На ней солнечное тепло и конденсация водяных паров служат основными причинами возникновения ветров. На Юпитере доминируют зональные ветры, что означает различия атмосферных потоков на разных широтах. Стремительный поток западных ветров совпадает с бледной экваториальной зоной, которую можно видеть на рис. 1. На севере и юге наблюдается более темный пояс, где ветры дуют в противоположном направлении со скоростью несколько десятков метров в секунду. На более высоких широтах она снова возрастает, а направление ветра совпадает с вращением планеты в каждой из бледных зон.

Как можно ожидать, в местах соприкосновения зон  противоположного направления ветра  между воздушными потоками возникают  сложные явления (рис. 8). Атмосфера поднимается в бледных зонах и опускается в темных поясах. На Юпитере имеется целый ряд из нескольких ячеек Хэдли между экватором и двумя поясами. Температура на Юпитере очень незначительно меняется с изменением широты, поэтому ячейки Хэдли очень эффективно передают тепло от экватора к полюсам. Однако ситуация осложняется тем, что слишком большое количество тепла выделяется из внутренней части самой планеты.

Характерным свойством  движений на Юпитере является наличие  зональной циркуляции тропических  и умеренных широт. Скорости восточных и западных ветров в зонах и поясах составляют от 50 до 150 м/с.

Структура зон  и поясов различается характером вертикальных движений, от которых  зависит формирование горизонтальных течений. В светлых зонах, температура  которых ниже, движения восходящие, облака плотнее и располагаются на более высоких уровнях в атмосфере. В более темных (красно-коричневых) поясах с более высокой температурой движения нисходящие, они расположены глубже в атмосфере и закрыты менее плотными облаками. Восходящие течения в зонах, растекающиеся в меридиальном направлении в противоположные стороны, под действием инерциальной силы Кориолиса приобретают зональные составляющие, направленные в противоположные стороны по краям зоны. Так, в зонах северного полушария поток, направленный к полюсу, будет отклоняться к востоку, а направленный к экватору — к западу. В зонах южного полушария картина обратная. Таким образом, на северной и южной границах зон с поясами развиваются встречные течения, возникают явления относительных «сдвигов», так называемых широв, охватывающих области шириной порядка тысячи километров. Здесь скорости ветра максимальны. Энергия встречных течений приводит к возникновению вихрей.

С ростом широты движения постепенно утрачивают регулярный характер и выше 60° сменяются сильно неупорядоченной структурой. Видимо, основную роль здесь играет конвекция, источником которой служит подвод тепла из недр, поскольку инсоляция, вносящая вклад в образование развитой системы зон и поясов, в высоких широтах становится неэффективной.

Подобно Земле, зональные течения на Юпитере  бароклинно неустойчивы, что приводит к возникновению длинных волн Россби и образованию вихрей при  их разрушении. Поэтому на регулярные движения накладываются вихревые конфигурации типа циклонов и антициклонов. В поясах наблюдаются циклонические, а в зонах антициклонические структуры. Наиболее характерным представителем их является Большое красное пятно и многочисленные пятна меньших размеров. Среди них выделяются белые овалы в средних широтах (± 35°), в которых, так же как и в Большом красном пятне, различается спиральная структура облаков. С каждым из них непосредственно связаны сильно возмущенные, турбулизованные области течений, в которых активную роль играют волновые процессы.

 

Рис. 8. Снимок, сделанный Galileo. Это 34 000-километровый участок поверхности. На нем отчетливо видны границы между западным (дующим на восток) и восточным ветром в темном поясе верхней части. Стрелки показывают скорость и силу ветра относительно темного пятна, над которым сухой воздух сходится и оседает.

Рис. 9. Снимок части Юпитера с Большим красным пятном, сделанный кораблем Voyager. Спиральные бури на этой планете примерно вдвое превышают самые значительные ураганы на Земле. Их вращение длится около недели.

 

Рис. 10. Снимок, сделанный Galileo. Это 30 000-километровый участок планеты, где расположено Большое красное пятно. Снимок сделан в июне 1996 года. Спираль внутри Большого красного пятна отражает его движение против часовой стрелки. Можно видеть более мелкие пятна и вихри на границе южной тропической зоны и на юге. Этот снимок сделан в инфракрасном свете, при котором волны Большого красного пятна обладают большими отражательными способностями, чем волны его окружения.

 

Рис. 11. Снимок, сделанный Galileo. Это 25 000-километровый участок планеты, на котором заметны спиралевидные бури на Юпитере, имевшие место в феврале 1997 года. Два больших светлых овала слева и справа — это бури, первоначально замеченные с помощью телескопов в 1938 году. Они вращаются против часовой стрелки. Грушевидная масса между ними вращается по часовой стрелке. Эти три системы слились воедино в начале 1998 года. Спиралевидная буря в нижнем правом углу дрейфовала на восток со скоростью 500 км в день относительно своих более северных соседей.

 

Рис. 12. Большое красное пятно в сравнении с размерами Земли.

 

Газовым оболочкам  планет-гигантов свойственно дифференциальное вращение, то есть изменение периода вращения с широтой, что может быть связано с динамическими процессами в атмосфере. На Юпитере тропическая зона атмосферы вращается быстрее полярной на 5 мин 11 с, то есть различие составляет около 1%. Отличительной чертой взаимодействия между соперничающими зональными ветрами является генерация вихрей, в которых ветер движется по кругу или спирали. Наиболее известным проявлением этой тенденции является Большой красное пятно Юпитера (рис. 9, рис. 10), которое замечено астрономами ещё в 1830 году. Оно располагается в темном поясе между бледной экваториальной и бледной южной тропической зоной. Вращается Большое красное пятно примерно неделю. Ветры на его периферии дуют со скоростью, превышающей 100 м/с. На Юпитере существует множество других штормовых систем, обычно белых, а не красных. Эти бури могут развиваться в течение нескольких лет, а то и десятилетий (рис. 11).

Большое красное  пятно (БКП) имеет форму эллипса размером 15 × 30 тыс. км. С самого начала наблюдений его размеры и контрастность неоднократно изменялись. За последние 15 лет оно трижды претерпевало изменение активности. То, что характер движений внутри БКП соответствует режиму антициклонической циркуляции, было найдено ещё в конце 60-х годов путем прослеживания в течение нескольких недель перемещения небольшой земной детали по периферии пятна. Тем не менее ещё несколько лет спустя продолжали энергично обсуждаться другие гипотезы относительно его природы. К этому времени, правда, мало кто верил предположениям, что это громадный вулкан или остров, плавающий в плотной атмосфере. Более популярной была гипотеза известного метеоролога Р.Хайда о том, что БКП представляет собой возмущение, возникающее при обтекании некоторого препятствия на твердой поверхности планеты (так называемую колонну Тейлора). Однако, помимо предположения о наличии у Юпитера такой поверхности (что и тогда далеко не все считали очевидным), в этом случае нужно было также допустить, что его вращение происходит неравномерно. Ведь БКП не остается на одном месте, а нерегулярно дрейфует вдоль параллели, так что период его вращения отличается от периода вращения самой планеты. Установлено, что за 100 лет наблюдений оно почти три раза обогнуло планету.

Предположение, что БКП — это свободный  вихрь в атмосфере антициклонического типа, было выдвинуто Г.Г.Голицыным  и оказалось наиболее отвечающим современным представлениям. Исходя из простых соображений о росте энергии циркуляции со скоростью вращения и времени превращения энергии (которое на Юпитере по сравнению с Землей на много порядков больше), он получил оценку характерного периода для режима циркуляции на Юпитере в пределах от 100 тыс. до 1 млн. лет. Атмосферные вихри, очевидно, существуют более ограниченное время, однако значительно большее, чем циклоны и антициклоны на Земле. Оценка для БКП дает время порядка нескольких тысяч лет, для более мелких вихрей — десятки лет. Следует подчеркнуть, что сам факт длительного сохранения таких конфигураций и всей структуры течений на диске Юпитера пока не имеет достаточно строгого теоретического обоснования и относится к наиболее трудным проблемам геофизической гидродинамики.

Период вращения внутри БКП составляет около 7 суток. Очень интересна динамика течений в его окрестности, которую оказалось возможным подробно исследовать по фотоснимкам с Voyager'ов. Малые пятна (подобные тем, по которым прослеживался характер циркуляции в БКП с Земли) обычно подходят к нему с востока. Некоторые из них сразу же отклоняются к северу и в дальнейшем захватываются направленным к востоку течением, уходя из зоны БКП. Другие дрейфуют на запад вдоль верхней границы, задерживаются на западном краю и затем либо уходят из зоны БКП дальше к западу, либо захватываются в его периферическое течение. На восточном краю пятно иногда расщепляется, и одна его часть продолжает вращение вокруг БКП, а другая дрейфует к востоку.

Наконец, в связи  с обсуждением структуры и  свойств БКП упомянем ещё об одном интересном явлении, обнаруженным на Юпитере и Сатурне в областях зон, где происходит быстрый подъем газов из глубины за счет конвекции. Речь идет о периодически возникающих в экваториальных и средних широтах ярких белых облаках — их образно называют «плюмажами», сравнивая тем самым с украшениями из перьев на головных уборах. Размеры таких облаков составляют несколько тысяч километров, внутри различаются отдельные элементы поперечником в100 – 200 км. По своей морфологии они напоминают хорошо знакомые нам кучевые облака, сильно отличающиеся от диффузных волокнистых образований на окружающем их фоне, и существуют не более 100 часов, быстро исчезая. Судя по температуре, эти облака располагаются примерно на тех же уровнях, что и облачные структуры, состоящие из более темного материала, включая вершину БКП, которая холоднее поверхности пояса. Сам по себе этот факт кажется странным, поскольку с красно-коричневыми пятнами на юпитерианском диске, как из с аналогичного цвета поясами, обычно связывают области нисходящих движений, расположенные глубже в атмосфере, где температура выше.

Как объяснить  это противоречие? Очевидно, механизмы  образования «темных» облаков и  «плюмажей» различны. Возникновение  последних, возможно, обусловлено волновыми  процессами (прохождением «гребней волн»), накладывающимися на основное зональное течение и усиливающими конвективную активность, подобно тому, что наблюдается в тропических широтах на Земле. В то же время предположение о наличии восходящих конвективных движений в областях красно-коричневых облаков, прежде всего в зоне БКП, может оказаться иллюзорным. На это как будто действительно указывают результаты анализа данных Voyager'ов, не обнаруживших заметного изменения высоты в структуре течений внутри БКП. Эта проблема, непосредственно связанная с происхождением и эволюцией вихрей в атмосферах Юпитера и Сатурна, ещё ждет своего решения.

Присутствие аммиака  и метана объясняется низкой температурой. На Земле эти газы тоже образуются, но они у нас слишком скоро  разлагаются на составные части солнечным светом, который на Земле более интенсивен. Кроме того, для образования метана и аммиака в большом количестве необходим свободный водород, а атомов его в атмосфере Земли почти нет. Между тем планеты-гиганты с самого начала своего образования удерживали свободный водород, несмотря на его летучесть. Это обеспечивалось и низкой температурой и большой силой тяжести у их поверхности.

Помимо воды и атмосферных составляющих, перечисленных  в справочной таблице, спектроскопические исследования показывают, что в атмосфере Юпитера присутствуют следы водяных паров, дейтерида водорода (HD, молекула, состоящая из атомов обычного водорода, связанного с атомом «тяжелого» водорода), этана (С₂Н₆), ацетилена (С₂Н₂), фосфина (РН₃), окиси углерода (СО) и германа (GeH₄).