 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
ЮПИТЕРВика Воробьева
Юпитер - пятая и самая большая планета Солнечной системы. Его масса в 318 раз превышает массу Земли, и в 2,5 раза - массу всех остальных планет Солнечной системы, вместе взятых. Радиус Юпитера в 11 раз больше радиуса Земли - это не только самая массивная, но и самая крупная планета Солнечной системы. Однако его средняя плотность сравнительно невелика и составляет 1,33 г/куб.см.
Юпитер вращается вокруг Солнца на среднем расстоянии 5,2 а.е. и делает один оборот примерно за 12 лет. На таком расстоянии освещенность примерно в 27 раз меньше освещенности на земной орбите. Также Юпитер - самая быстровращающаяся планета Солнечной системы: он делает один оборот вокруг своей оси за 9 часов 55 минут 30 секунд. Ось вращения Юпитера наклонена к плоскости его орбиты всего на 3 градуса, поэтому сезонных изменений на планете не происходит. Быстрое вращение вытягивает конвективные ячейки в атмосфере планеты в длинные облачные ленты, делая диск Юпитера характерно полосатым. Светлые полосы традиционно называются зонами, а темные - поясами.
Этот снимок Юпитера был получен АМС Кассини 7 декабря 2000 года. Разрешение снимка 144 км в пикселе. Оригинал лежит здесь и весит 77 кб
В отличие от Земли и других планет земной группы, у Юпитера нет твердой поверхности. То, что мы видим как его поверхность, является верхушками облаков. Яркие белые облака на Юпитере сложены замерзшим аммиаком, более темные - гидросульфидом аммония. Атмосфера состоит в основном из водорода и гелия с небольшой примесью метана, аммиака и водяного пара. По мере погружения вглубь температура и давление атмосферы быстро растут, пока на глубине порядка 25 тыс. км и давлении 3-4 Мбар водород не переходит в металлическую форму. В толстом слое металлического водорода формируется мощное магнитное поле Юпитера. Напряженность магнитного поля у верхушек облаков составляет около 10Э.
АТМОСФЕРА ЮПИТЕРА.
Состав атмосферы
Атмосфера Юпитера в основном состоит из молекулярного водорода (86,4% по числу частиц) и гелия (13.6% по числу частиц или 23,8% по массе). Количество других примесей невелико. Кроме водорода и гелия, в атмосфере присутствуют: метан (0,21%), аммиак, сероводород, водяной пар, фосфин, продукты фотолиза метана (в основном этан) и инертные газы.
Таблица 1. Содержание примесей в атмосфере Юпитера, по числу частиц. Содержание водорода принято за единицу.
Метан не конденсируется в атмосфере Юпитера, и его содержание почти не изменяется от места к месту. Но аммиак, сероводород и вода конденсируются, образуя облака, поэтому содержание этих веществ сильно зависит от глубины и широты места наблюдения. Значения, приведенные в Таблице 1, соответствуют глубине 8-16 атмосфер, где уже достаточно горячо и воздух хорошо перемешался.
Аммиак в атмосфере Юпитера.
Здесь показано количество аммиака в зависимости от глубины по данным зонда Галилео и наземным наблюдениям. Облака из замерзшего аммиака конденсируются на уровне давления около 0,75 атм. По данным "Вояджеров", содержание аммиака на уровне 1 атм. составляет 2.2 * 10-4 и 1.3 * 10-4 в зонах и поясах соответственно. На глубине несколько атм. содержание аммиака увеличивается до 4.4 * 10-4. На глубине 7 атм. содержание аммиака достигает 8 * 10-4 и далее почти не меняется. Сероводород в атмосфере Юпитера.
Здесь показано количество сероводорода в зависимости от глубины. На уровне 0.8 атм. показан верхний предел, полученный из наземных наблюдений. На уровне 3.8 атм. зондом Галилео тоже был получен только верхний предел. Зато глубже сероводорода становится все больше, на глубине 16 атм. его количество достигает 7.7 * 10-5 и дальше уже не меняется. На каждую молекулу сероводорода приходится примерно 10 молекул аммиака. На уровне давления около 2.2 атм. сероводород вступает в реакцию с аммиаком и образует облака из гидросульфида аммония. Вода в атмосфере Юпитера.
Вопрос с водой на Юпитере остается нерешенным до сих пор. Еще до спуска зонда Галилео в атмосферу Юпитера делались многочисленные попытки определить количество воды на планете путем спектральных наблюдений в ИК-диапазоне в спектральной области около 5 мкм, где атмосфера Юпитера наиболее прозрачна. Однако интерпретации полученных данных были противоречивы - от количества водяного пара, гораздо меньшего, чем на Солнце, до количества, в 2 раза большего. Разные авторы получали количество воды 10-5, т.е. ~ 0,006 от солнечного при температурах воздуха больше 250К, 3,3 * 10-5 (0,02 солнечного) на уровне давления 6 атм., и пр.
7 декабря 1995 года в атмосферу Юпитера вошел зонд Галилео, непосредственно измеривший состав атмосферы, ее плотность и температуру на уровнях давления от 0.5 до 22 атм. Он погрузился в одно из так называемых "5-мкм горячих пятен" - область атмосферы, практически лишенную облаков.
Снимок Юпитера, сделанный в ИК-лучах с длиной волны 5 мкм. Яркие области - зоны, почти свободные от облаков, где наружу выходит тепловое излучение более глубоких, плотных и горячих слоев атмосферы (на уровне 5-8 атм.) Области "горячих пятен" соответствуют нисходящим ветвям ячеек конвекции планетарного масштаба. В этих областях воздух погружается и нагревается, становясь очень сухим. Зонд Галилео, опускаясь в верхней атмосфере Юпитера, на уровнях давлений, меньших 3.8 атм., смог получить только верхний предел на количество водяного пара, равный 7 * 10-7. Однако на уровне 11.7 атм. содержание водяного пара уже составило 4.8 * 10-5, а на уровне 18.7 атм. - 6 * 10-4. Содержание сероводорода и аммиака также увеличивается с глубиной, но начиная с определенного уровня оно достигает постоянного значения и больше не меняется. Однако количество водяного пара продолжало увеличиваться и глубже 20 атм., таким образом количество воды в глубоких, хорошо перемешанных слоях атмосферы Юпитера осталось неизвестным.
Температурные и высотные профили атмосферы Юпитера.
На этом графике показаны профили плотности и давления верхней атмосферы Юпитера в зависимости от высоты. Давление на этом графике меняется от 1 нанобар до 0,4 атм (400 миллибар). Плотность на высоте 1028 км составила 3 * 10-11 кг/куб.м. Белыми квадратами показаны данные Вояджеров. Температурный минимум (тропопауза) в атмосфере Юпитера расположена на уровне давления 175 миллибар (0.175 атм.) при температуре 109К и высоте 35 км над уровнем давления, равном 1 атм. По-видимому, эти значения могут немного меняться в зависимости от времени и широты места наблюдения. В 1979 году "Вояджер" нашел тропопаузу на уровне давления 150 миллибар и температуре 104К. Выше расположена стратосфера - область атмосферы, где температура растет с высотой. На высоте от 80 до 300 км над уровнем давления 1 атм. расположена мезопауза - изотермический уровень, где температура почти не меняется и составляет 160К. Давление в этой области уменьшается от 12 до 0.003 миллибар. Еще выше температура начинает быстро повышаться и в экзосфере достигает значений 900-1100К.
На этом графике показан температурный профиль верхней атмосферы Юпитера. По данным Вояджеров, температура экзосферы составила 1100К на высоте 1400 км над уровнем 1 атм. Данные с зонда Галилео начали поступать начиная с высоты 1028 км. На этой высоте температура атмосферы составила около 900К.
Температурный профиль стратосферы и тропосферы Юпитера по данным Вояджера-1. Видна большая изменчивость температурного профиля в стратосфере. Ниже тропопаузы начинается устойчивый рост температуры с глубиной. По данным зонда Галилео, на глубине 3 атм. температура составила 228К (-45С), а на глубине 11 атм. - уже 350К (+77С) Скорость ветра в атмосфере Юпитера.
На видимом диске Юпитера доминирует полосатая картина облаков. По традиции, белые полосы называют зонами, а темные - поясами. Самые сильные ветры дуют на границе зон и поясов. Максимальная скорость ветра достигает 150-160 м/сек.
На экваторе ветры дуют в прямом направлении, т.е. в направлении вращения планеты, их скорость составляет 70-140 м/сек. Но уже на 15-18 градусах северной и южной широты направление ветра меняется на обратное и достигает скорости 50-60 м/сек. В дальнейшем атмосферные течения прямого и обратного направления несколько раз сменяют друг друга, а скорость ветра в них уменьшается с увеличением широты. В приполярных широтах зональная скорость ветра близка к нулю.
Скорость зональных ветров на Юпитере в зависимости от широты. Непрерывной линией показаны данные Кассини (2000 год), пунктирной - данные Вояджера (1979 год)
По данным зонда Галилео скорость ветра сначала растет с глубиной, а потом становится постоянной. На уровне давления 0.5 атм. скорость ветра составила 90 м/сек, достигла 170 м/сек. на уровне 4 атм. и далее почти не менялась.
Высокая зональная скорость ветра приводит к неравномерному вращению Юпитера на разных широтах. Так, период вращения экваториальной зоны почти на 5 минут меньше периода вращения планеты в целом.
На этом рисунке белым показаны зоны, заштрихованы пояса. NEB и SEB - северный экваториальный пояс и южный экваториальный пояс, соответственно. Заштрихованным овалом показано Большое Красное Пятно.
Дымка и облака в атмосфере Юпитера.
Атмосфера Юпитера находится в состоянии бурной конвекции, подогреваемой теплом его недр. Огромные воздушные массы поднимаются вверх в зонах и опускаются в поясах, замыкая конвективные ячейки. Состав и структура облаков заметно меняются при переходе от зон к поясам, а от них к "горячим пятнам".
На этом рисунке слева представлена модель облаков Юпитера в предположении такого количества амииака, сероводорода и воды, которое соответствует солнечному содержанию азота, серы и кислорода (жирные черные линии) и утроенному солнечному содержанию этих элементов (пунктирные линии). Справа представлена модель облаков в "горячем пятне". Нефелометры зонда Галилео зафиксировали тонкие редкие облака на уровне давления 0.5 атм., еще одни на уровне 1.34 атм., облака небольшой вертикальной толщины при 1.6 атм. и совсем незначительные дымки при 2.5-3.6 атм. Предполагается, что облака при 0.5 атм. были аммиачные, а облака при 1.6 атм. - из гидросульфида аммония. Однако стоит заметить, что нефелометр не определял состав облачных частиц. Плотность (предположительно) гидросульфидноаммониевого облака при 1.6 атм. составила 0.76-13 * 10-6 г/л.
Уже сотни лет известно, что различные детали на диске Юпитера бывают различных цветов и оттенков: красного (от розового до красно-оранжевого), коричневого (от красно-коричневого цвета до цвета загара), сине-серого (точнее, от серо-синего до серо-фиолетового), желтого (желто-коричневого, цвета охры, цвета сливок, даже желто-зеленого). В 1985 году Янг провел фотометрический анализ снимков Юпитера и пришел к выводу, что реально присутствуют только различные оттенки желтого. Во всяком случае, можно признать, что на Юпитере присутствуют детали белого, желтого и коричневого цветов плюс оттенки красного для Большого Красного Пятна. Голубые и зеленые оттенки вызваны оптическими эффектами (такими, как рэлеевское рассеяние света), а не красителями соответствующих цветов.
В нескольких высоких белых облаках в верхней тропосфере были спектрально идентифицированы кристаллы замерзшего аммиака и следы водяного льда. Желтые и коричневые тона облаков, лежащих ниже аммиачных, скорее всего, вызваны небольшими примесями различных аллотропических соединений чистой серы, вызванных фотодиссоциацией облаков из гидросульфида аммония. Красноватый цвет Большого Красного Пятна может быть вызван чистым красным фосфором P4, особенно если воздух в облаках, формирующих Большое Красное Пятно, относительно богат фосфином. Фотодиссоциация фосфина происходит в стратосфере на уровне давления около 80 мбар. Количество молекул фосфина примерно в тысячу раз меньше молекул аммиака, но то, что он вообще там присутствует, говорит о быстром вертикальном переносе воздуха из глубоких слоев атмосферы.
Впрочем, в спектре Большого Красного Пятна спектральных следов фосфора пока не найдено, так что вопрос остается открытым.БКП - старейший и известнейший вихрь в атмосфере Юпитера. Он наблюдается с 1665 года. В 1880 году его размеры оценивались в 39 тыс. км с востока на запад и 12,5 тыс. км с севера на юг. К настоящему моменту оно уменьшилось до 17 тыс. км. Сейчас БКП простирается от 17 до 27,5 градусов южной широты.
БКП - мощный антициклонический вихрь, чье вращение происходит против часовой стрелки. Измерение температуры БКП Вояджерами, Галилео и Кассини показало, что его температура примерно на 10К ниже, чем температура окружающей местности. Облака БКП поднимаются на 50 мбар выше окружающих облаков. В 1979 году максимальная скорость ветра в БКП составила 120 м/сек, недавние измерения Галилео показали увеличение максимальной скорости ветра до 190 м/сек.
Здесь представлены 3 изображения БКП, сделанные в разных спектральных диапазонах АМС Галилео, и карта скорости ветров, сделанная на основе данных Вояджеров. Верхний левый снимок снят в лучах длиной 756 нм (красных), верхний правый в лучах длиной 410 нм (фиолетовых), нижний правый в ИК-лучах 889 нм (метановая полоса). Фотометрия БКП от ультрафиолета до ближнего ИК-диапазона указывает, что БКП имеет главный облачный слой на уровне 0,7 атм., выше до давлений 0,2 атм. простирается плотная тропосферная дымка, хорошо поглощающая синие лучи, а еще выше находится тонкая стратосферная дымка до высот, соответствующих 10 миллибар. Пятно темное в голубых и фиолетовых лучах, что и придает ему красноватый цвет. Химический агент, окрашивающий пятно, пока неизвестен.В период с 1880 по 2002 год БКП двигалось на запад со средней скоростью 3 м/сек относительно магнитного поля Юпитера, с которым связывают вращение планеты как целого.
Здесь можно посмотреть ролик о вращении БКП и движении облаков вокруг него. Осторожно, ролик "весит" 505 кб!
Магнитное поле Юпитера - самое мощное магнитное поле в Солнечной системе, не считая магнитного поля Солнца. Если считать его диполем, то ось этого диполя наклонена на 9.4 градуса к оси вращения Юпитера, а центр диполя смещен на 0.119 радиусов Юпитера от геометрического центра планеты. Напряженность магнитного поля на уровне верхушек облаков составляет 3 Гаусса на экваторе и около 14 Гаусс на полюсах. Помимо дипольной составляющей, в магнитном поле Юпитера присутствует также заметная квадрупольная составляющая, отношение дипольного к квадрупольному моменту составляет 1:0.22.
Магнитное поле Юпитера взаимодействует с солнечным ветром, образуя магнитосферу. Головная ударная волна находится в среднем на расстоянии 70 радиусов Юпитера от планеты, однако в зависимости от состояния солнечного ветра это расстояние может меняться от 40 до 100 радиусов Юпитера. Магнитопауза (в среднем) расположена на расстоянии 50 радиусов Юпитера. Внутри магнитопаузы заряженные частицы вращаются вместе с планетой под действием его магнитного поля.
Главным источником плазмы внутри магнитосферы являются вулканы Ио. Ежесекундно этот спутник теряет примерно тонну своего вещества, извергаемого мощными вулканическими извержениями в космос. В основном извергается сернистый газ SO2 и пары металлов, в основном натрия. Вулканические газы быстро ионизуются в радиационных поясах Юпитера и образуют плазменный тор вдоль орбиты Ио. Радиус плазменнного тора составляет примерно 5.9 радиусов Юпитера, его толщина - около 1 радиуса Юпитера. Движение Ио относительно магнитосферы со скоростью около 50 км/сек наводит между ней и Юпитером разность потенциалов ~ 400 тыс. Вольт и вызывает ток около 5 миллиона ампер.Подобно другим планетам-гигантам Солнечной системы, Юпитер имеет кольца. Кольца Юпитера были открыты в 1979 году во время пролета Вояджера 1. В настоящее время считается, что кольца состоят из трех основных компонент.
Главное кольцо простирается от 122 500 до 129 230 км от центра Юпитера (или, что то же самое, от 1.72 до 1.82 радиусов Юпитера). В главном кольце проходят орбиты Адрастеи и Метиды. Его толщина меньше 30 км, масса частиц оценивается в 1013 кг.
С внутренней стороны главное кольцо переходит в широкое слабое гало. Оно простирается от 92 000 до 122 500 км от центра Юпитера (1.30 - 1.72 радиусов Юпитера) и имеет толщину около 20 тыс. км. С внешней стороны главного кольца начинается очень слабое паутинное кольцо, состоящее как бы из двух вложенных друг в друга частей: внешнего и внутреннего паутинных колец. Внутреннее паутинное кольцо простирается от 129 230 до 181 000 км (1.82 - 2.55 радиусов Юпитера), внешнее паутинное кольцо - от 181 000 до 221 000 км (2.55 - 3.15 радиусов Юпитера). Внутреннее паутинное кольцо ограничено орбитой Амальтеи, внешнее паутинное кольцо - орбитой Тебы.
Кольца Юпитера очень тусклые: оптическая толщина даже главного кольца ~10-6, альбедо частиц всего 1.5%. Все это делает кольца очень трудным объектом для наблюдений. Однако при фазовых углах, близких к 180 градусам (взгляд "против света"), яркость колец возрастает примерно в 100 раз, а темная ночная сторона Юпитера не засвечивает чувствительные приемники излучения.
Этот снимок колец Юпитера был сделан АМС Галилео 9 ноября 1996 года с расстояния 2.3 млн. км. Кольца Юпитера сложены мелкой пылью, выбиваемой метеороидами из поверхности внутренних спутников Юпитера. Главное кольцо сложено частицами, выбитыми из поверхности Адрастеи и Метиды, паутинные кольца - частицами, выбитыми из поверхности Амальтеи и Тебы. Цвет колец красноватый: при изменении длины волны отраженного света с 450 нм до 950 нм яркость колец увеличивается в 2-3 раза.
Спутники Юпитера, как и спутники других планет-гигантов, можно разделить на три ярко выраженные группы. К первой группе относятся четыре внутренних спутника: Метида, Адрастея, Амальтея и Теба. Все эти спутники являются небольшими темными глыбами неправильной формы, все они вращаются вокруг Юпитера по правильным круговым орбитам практически в плоскости его экватора (только орбита Тебы наклонена к плоскости экватора Юпитера на 1 градус) и делают один оборот за несколько часов. Из них самым крупным спутником является Амальтея.
Амальтея - самый крупный из внутренних спутников Юпитера. Ее размер составляет 250 х 146 х 128 км.
Снимки были получены АМС Галилео 12 августа (слева) и 26 ноября (справа) 1999 года с расстояния 446 тыс. км и 374 тыс. км соответственно.
Другие внутренние спутники Юпитера: Теба (2 левых снимка), Метида и Адрастея.
Снимки Тебы были сделаны Галилео 7 ноября 1997 года с расстояния 504 и 548 тыс.км, снимок Метиды также был сделан 7 ноября 1997 года с расстояния 637 тыс. кмКо второй группе спутников относятся галилеевы спутники Юпитера: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Каждый из них является самостоятельным миром с неповторимыми особенностями и уникальной историей. Ио и Европа по своим размерам сравнимы с Луной, Ганимед и Каллисто превышают по размерам планету Меркурий.
Галилеевы спутники Юпитера в одном масштабе. Слева направо - Ганимед, Каллисто, Ио, Европа. Спутники Ио, Европа и Ганимед находятся друг с другом в орбитальном резонансе 4:2:1. Это означает, что за время, в течение которого Ганимед делает один оборот вокруг Юпитера, Европа делает два, а Ио - четыре. Это приводит к сильному возмущению галилеевыми спутниками орбит друг друга и изменению амплитуды постоянных крупномасштабных приливов, вызванных в теле спутников притяжением Юпитера. Рассеяние приливной энергии разогревает недра спутников и приводит к их вулканической (на Ио) и тектонической (на Европе, Ганимеде) активности. Мощность рассеяния приливной энергии оценивается в 60-80 * 1012 ватт для Ио и 6-8 * 1012 для Европы.
Подробнее о движении галилеевых спутников Юпитера можно посмотреть тут.Наконец, третью группу спутников составляют небольшие тела, захваченные Юпитером за все время его существования. Они движутся по эллиптическим орбитам с большими углами наклона к плоскости экватора Юпитера, большинство из них ретроградные (т.е. вращаются вокруг Юпитера в направлении, противоположном направлению вращения планеты). Самый крупный из внешних спутников - Гималия, ее размер оценивается в 160-170 км. Все остальные внешние спутники меньше 100 км, большинство из них представляет собой глыбы размером всего в несколько километров.
Внешние спутники Юпитера можно разделить на группы объектов с близкими значениями большой полуоси и наклонения к плоскости экватора Юпитера. Выделяют группу Гималии (куда входят Леда, Гималия, Лиситея, Элара и пока безымянный спутник S 2000/J11), группу Ананке (Эвпорие, Ортозие, Эванте, Тионе, Мнеме, Гарпалике, Гермиппе, Праксидике, Тельксиное, Иокасте, Ананке), группу Карме (Архе, Пазифее, Халдене, Кале, Исоное, Этне, Эриноме, Тайгете, Карме, Калике, Эвкеладе, Каллихоре) и группу Пасифе (Гелике, Эвридоме, Автоное, Спонде, Пасифе, Мегаклите, Синопе, Гегемоне, Аойде, Каллирое, Киллене). Также некоторое количество спутников не принадлежит ни к одной из групп. Почти наверняка схожесть орбит объектов внутри каждой группы вызвана общностью их происхождения.
Самый далекий спутник, известный на данный момент (декабрь 2006 года), вращается вокруг Юпитера на расстоянии 28.57 млн. км (0.19 а.е.) и делает один оборот за 982.5 суток (2.69 года).Источники:
1. The Galileo Probe Mass Spectrometer: Composition of Jupiter's Atmosphere
2. A comparison of the atmospheres of Jupiter and Saturn: deep atmospheric composition, cloud structure, vertical mixing, and origin
3. "Thermal Structure of Jupiter's Upper Atmosphere Derived from the Galileo Probe" SCIENCE, VOL. 276, 4 APRIL 1997
4. "The Composition of the Atmosphere of Jupiter"
5. "Dynamics of Jupiter's Atmosphere", Andrew P. Ingersoll at al
6. "Jupiter's Ring-Moon System", Joseph A. Burns at al
7. Cassini Imaging of Jupiter's Atmosphere, Satellites, and Rings
8. НОВЫЕ СПУТНИКИ ЮПИТЕРА
9. The Intrinsic Magnetic field of JupiterАвтор выражает особую признательность Георгию Михайловичу Рудницкому за доступ к зарубежным научным публикациям, посвященным Юпитеру.
