Планеты гиганты

           Планеты Гиганты.

Планеты-гиганты расположились  за орбитами астероидов Главного Пояса. Это, в порядке их удалённости  от Солнца,

• Юпитер       
• Сатурн               
• Уран                       
• Нептун.

Уже давно астрономы  знают, что планеты-гиганты гораздо больше и массивнее планет земной группы. Самый лёгкий гигант – Уран – в 14,5 раза массивнее Земли. Но даже самая массивная планета Солнечной системы – Юпитер – в 1 000 раз уступает в этом показателе Солнцу. Впрочем, надо сказать, что по астрономическим меркам эту разницу можно назвать значительной, но не огромной. В то же время, плотность планет-гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.  

  Движение планет-гигантов. 
На рисунке представлены орбиты планет-гигантов и Плутона.  
С помощью верхнего изображения мы смотрим на Солнечную систему с точки, расположенной над северным полюсом Солнца. Эксцентриситет орбит Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна не заметен на глаз, этого нельзя сказать об орбите Плутона.  
Нижний же рисунок позволяет нам взглянуть на Солнечную систему "с ребра". Видно, насколько орбита Плутона сильно наклонена к плоскости орбит других планет.  
Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). При этом, они вращаются слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее всего, а околополярные области являются самыми неторопливыми. Как мы увидели раньше, планеты-гиганты – нетвёрдые планеты, этим обстоятельством и вызвано их необычное вращение. По той же причине гиганты сжаты у полюсов, что можно заметить в простой телескоп. Солнце, являясь газовым шаром, тоже вращается слоями, но с периодом 25-35 суток.    
 
 
 
 
 

Химический состав планет-гигантов.  
Вещество, из которых сложены тела Солнечной системы, можно условно разделить на три группы. Во-первых, это горные породы, состоящие из различных минералов, которые нам хорошо известны на Земле. Современные знания позволяют прогнозировать характер глубинных пород, из которых состоят земные недра. Анализ доступного в настоящее время внеземного вещества показал его общее подобие веществу земному по химическому и минералогическому составу. Основными минералообразующими элементами во всех случаях являются кремний, железо, алюминий, магний и титан в окисленном состоянии, то есть при значительном включении кислорода в химические соединения. Средняя температура плавления этих материалов достигает около 2000 К. Условно эту группу можно назвать "земным веществом".  
 
Углерод, азот, кислород и в меньшем количестве водород, входящий в некоторые химические соединения, составляют распространённую группу планетных летучих веществ. В виде газов эти элементы образуют атмосферы отдельных планет или крупных спутников. Но чаще летучие компоненты вещества Солнечной системы существуют при температурах ниже 273 К в твёрдом состоянии, то есть в виде льда. Поэтому эту группу назовем условно "льдами".  
 
Наконец, такие газы, как водород и гелий, наиболее обильно встречающиеся на Солнце, с небольшими примесями неона, аргона и некоторых других элементов отнесем к группе "солнечного вещества". Температура кипения подобной смеси составляет около 15 К.  
Юпитер и Сатурн, их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени содержат в себе метан (CH₄) , аммиак (NH₃), воду и другие не слишком тяжёлые соединения. Другие элементы тоже есть, но их гораздо меньше. Учёные выяснили, что с увеличением массы гиганта растет и его атмосфера. Следовательно, самой обширной атмосферой обладает Юпитер. Уран и Нептун, близкие по массе, мало отличаются и своими атмосферами. Сатурн занимает промежуточное положение. Разница в химическом составе гигантов обусловлена ходом эволюции Солнечной системы.  
 
Т.о. "земное вещество" на 99% и более образует планеты земного типа, астероиды и отдельные спутники (например, Луну). Большая часть спутников, относящихся к системам планет-гигантов состоят в основном из "льдов"  с некоторой примесью "земного вещества". (Те же составляющие, но в другой пропорции, характерны для комет). Юпитер и Сатурн в основном состоят из "солнечного вещества  с примесями "льдов" и "земного вещества". Для Урана и Нептуна основным веществом, их образующих, являются "льды".  
 
 
 

Юпитер

 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Юпитер – вторая по яркости после Венеры планета  Солнечной системы. Но если

Венеру  можно   видеть только утром или вечером, то Юпитер  иногда сверкает

всю ночь.  Из-за  медленного, величественного  перемещения  этой   планеты

древние  греки  дали  ей имя своего верховного бога Зевса; в римском пантеоне

ему соответствовал Юпитер.

Дважды Юпитер сыграл важную роль в истории астрономии. Он стал первой

планетой, у которой  были открыты спутники. В 1610 г. Галилей, направив

телескоп на Юпитер, заметил рядом с планетой четыре звёздочки , не видимые

простым глазом . На следующий день они изменили своё положение и относительно

Юпитера , и относительно друг друга. Наблюдая за этими звёздами  Галилей

заключил, что наблюдает  спутники Юпитера , образовавшиеся вокруг него как

центрального светила .Это была уменьшенная модель Солнечной  системы. Быстрое

и хорошо заметное перемещение галилеевых спутников Юпитера – Ио, Европы,

Ганимеда и Каллисто – делает их удобными "небесными  часами", и моряки долгое

время пользовались ими, чтобы определять положение  корабля в открытом море .

В другой раз Юпитер и его спутники помогли решить одну из древнейших загадок:

распространяется  ли свет мгновенно или скорость его  конечна? Регулярно

наблюдая затмения спутников Юпитера и сравнивая  эти данные с результатами

предварительных расчетов, датский астроном Оле Рёмер  в 1675 г. обнаружил, что

наблюдения и  вычисления расходятся, если Юпитер и  Земля находятся по разные

стороны Солнца. В  этом случае затмения спутников запаздывают  примерно на 1000

с. Рёмер пришёл к правильному выводу, что 1000 с. –  это как раз, которое

нужно свету, чтобы  пересечь орбиту Земли по диаметру. Поскольку диаметр

земной орбиты составляет 300 млн. километров, скорость света оказывается

близкой к 300000км./с.

Юпитер – это  планета-гигант, которая содержит в  себе более 2/3 всей нашей

планетной системы. Масса Юпитера равна 318 земным. Его объем в 1300 раз

больше, чем у  Земли. Средняя плотность Юпитера 1330 кг/м^3, что сравнимо с

плотностью воды и в четыре раза меньше, чем плотность  Земли. Видимая

поверхность планеты  в 120 раз превосходит площадь Земли. Юпитер представляет

собой гигантский шар из водорода, практически его  химический состав совпадает

с солнечным. А  вот температура на Юпитере ужасающе низкая: -140°С.

Юпитер быстро вращается (период вращения 9 ч. 55 мин. 29 с.). Из-за действия

центробежных сил  планета заметно расплющилась , и её полярный радиус стал на

4400 км меньше  экваториального, равного 71400 км. Магнитное поле Юпитера в 12

раз сильнее земного .

Возле Юпитера  побывало пять американских космических  аппаратов: в 1973 г. –

«Пионер-10» , в 1974 –  «Пионер-11». В марте и в июле1979 г. его посетили

более крупные  и «умные» аппараты – «Вояджер-1 и –2».В декабре 1995 до него

долетела межпланетная станция «Галилео», которая стала  первым искусственным

спутником Юпитера  и сбросила в его атмосферу  зонд.

Совершим и мы небольшое мысленное путешествие вглубь Юпитера.

                            АТМОСФЕРА                                   

Атмосфера Юпитера  представляет собой огромную бушующую часть планеты,

состоящую из водорода и гелия. Механизм, приводящий в действие общую

циркуляцию на Юпитере, такой же, как и на Земле: разность в количестве тепла,

получаемого от Солнца на полюсах и экваторе, вызывает возникновение

гидродинамических потоков, которые отклоняются в  зональном направлении

кориолисовой силой. При таком быстром вращении, как у Юпитера, линии тока

практически параллельны  экватору. Картина усложняется конвективными

движениями, которые  более интенсивны на границах между  гидродинамическими

потоками, имеющими разную скорость. Конвективные движения выносят вверх

окрашивающее вещество, присутствием которого объясняется слегка красноватый

цвет Юпитера. В  области темных полос конвективные движения наиболее сильны, и

это объясняет  их более интенсивную окраску.

Так же как и  в земной атмосфере, на Юпитере могут  формироваться циклоны.

Оценки показывают, что крупные циклоны, если они  образуются в атмосфере

Юпитера, могут  быть очень устойчивы (время жизни  до 100 тысяч лет). Вероятно,

Большое Красное  пятно является примером такого циклона. Изображения Юпитера,

полученные при  помощи аппаратуры, установленной на американских аппаратах

«Пионер-10» и  «Пионер-11», показали, что Красное  пятно не является

единственным образованием подобного типа: имеется несколько  устойчивых

красных пятен  меньшего размера.

Спектроскопическими наблюдениями было установлено присутствие в атмосфере

Юпитера молекулярного  водорода, гелия, метана, аммиака, этана, ацетилена и

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)t

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