Солнечная система (Астрономия и астрофизика) - Сурдин Владимир Георгиевич - Страница 46

Низкая средняя плотность крупнейших из гигантов указывает на малую молекулярную массу основных составляющих, которыми могут быть только легкие водород и гелий. Именно из этих газов состоят атмосферы Юпитера и Сатурна. Вероятно, эти же элементы в основном заполняют их недра. Более высокая средняя плотность Урана и Нептуна означает, что наряду с водородом и гелием в их состав в немалом количестве входят и более тяжелые элементы.

Несмотря на свои огромные размеры, планеты-гиганты получают от Солнца сравнительно мало тепла. Причина — их удаленность от Солнца и довольно высокое альбедо (около 0,5). Даже Юпитер поглощает солнечной энергии всего в 2,2 раза больше, чем Земля; а остальные гиганты — в десятки раз меньше. Поэтому у всех планет-гигантов поток внутреннего тепла сопоставим с потоком поглощаемой солнечной энергии (а у некоторых — даже превосходит его).

Состав, строение, низкая средняя плотность и быстрое вращение Юпитера типичны и для других гигантов. А вот особенностью Юпитера является малый наклон экватора к орбите, всего 3°. Вместе с малым эксцентриситетом орбиты это приводит почти к полному отсутствию смены времен года.

Юпитер — удобный объект астрономических наблюдений. Его противостояния повторяются каждые 399 сут. Размер Юпитера велик: он в 11,2 раза больше Земли по диаметру, в 1320 раз по объему и в 318 раз по массе. Сила тяжести на экваторе планеты в 2,36 раза больше, чем у Земли. У полюсов она еще больше на 16%. Благодаря огромной массе Юпитера значения первой и второй космических скоростей на высоте 1000 км. от верхней границы облаков составляют, соответственно, 42 и 59 км/с. Период обращения спутника на такой круговой орбите составит всего 3 ч., несмотря на очень большую удаленность от центра планеты (72400 км.). Но поскольку ближе к планете спутник обращаться не может, это минимальный орбитальный период в окрестности Юпитера, тогда как вокруг Земли можно облететь всего за 1,5 ч. Огромное значение второй космической скорости делают чрезвычайно сложной задачей создание спускаемого аппарата для Юпитера.

При огромном экваториальном радиусе (71400 км.) Юпитер совершает оборот вокруг оси всего за 9ч. 55,5мин. Точки экватора движутся со скоростью 12,6 км/с. Центробежная сила заметно деформирует Юпитер: его полярный диаметр на 7% меньше экваториального. Еще в XVII в. стало известно, что Юпитер вращается не как твердое тело: его экваториальная зона совершает оборот быстрее остальных зон. Поэтому для отождествления деталей на диске Юпитера ранее использовали две системы координат: «систему I» с суточным периодом 9ч. 50мин. 30,003с. используют для экваториальной зоны до широты ±(10—15)°, а на более высоких широтах используют «систему II» с суточным периодом 9ч. 55мин. 40,632с. Разумеется, это лишь средние периоды вращения указанных областей; внутри каждой из них угловая скорость немного изменяется вдоль широты, причем весьма замысловато. В последнее время предпочтительной считается «система III», связанная с вращением магнитного поля планеты, имеющим период 9ч. 55мин. 30с.

Вся видимая поверхность Юпитера и детали, по которым определены периоды вращения, — это довольно плотные облака. Они образуют многочисленные полосы желто-коричневых, белых, красных и голубоватых оттенков. Полосы, охватывающие планету, как параллели, образуют системы темных поясов и светлых зон, сравнительно симметрично расположенных к северу и к югу от экватора.

Хотя пояса и зоны — постоянные образования на Юпитере, вид их довольно изменчив. Изменяется и общий оттенок Юпитера. Полосатая структура облачного покрова охватывает экваториальную часть планеты и доходит до широт ±40°. Севернее и южнее облака образуют поле с коричневыми и голубоватыми пятнами, по-видимому, циклонического характера, диаметром до 1 тыс. км.

Большое Красное Пятно

На рис. слева внизу можно видеть и самую известную деталь Юпитера — Большое Красное Пятно (БКП). Это овальное образование изменяющихся размеров, расположенное в южной тропической зоне. Сейчас его размер в долготном направлении около 25 тыс. км., т.е. вдвое больше Земли, а в конце XIX в. оно было еще почти в два раза больше. БКП привлекает внимание яркой окраской, но ее контрастность изменчива. Впервые БКП как яркая деталь описано в 1878 г. Позже выяснилось, что наблюдатели рисовали его в своих журналах еще 300 лет назад. Периоды, когда Пятно становилось особенно заметным, отмечались в 1878—1882, 1893—1894, 1903—1907, 1911, 1914, 1919—1920 и в другие годы. Поиски какой-то периодичности не принесли результатов. Между периодами видимости БКП бледнеет и становится малозаметным. В красных лучах БКП вообще мало отличается от фона.

Особый интерес вызывает движение БКП. Почему-то период его обращения несколько больше периода светлой Южной тропической зоны, на которой оно находится, поэтому в своем движении Пятно несколько отстает от нее, запаздывая на один полный оборот примерно за 30 лет. Иногда там появляются другие детали, которые постепенно догоняют БКП, а через несколько недель появляются впереди Пятна.

Было высказано множество догадок о том, что такое БКП. Поскольку температура внешних слоев атмосферы (облачного слоя) очень низка, в одной из гипотез предполагалось, что БКП — это гигантский остров из льда, который плавает в атмосфере. Другие гипотезы связывали БКП с так называемой конвективной колонной, срез которой извне представляется Пятном. Но у Юпитера вообще нет поверхности в земном смысле. К тому же «шатания» Пятна по широте и долготе указывают, что оно вообще никак не связано с какой-либо поверхностью.

Плодотворной оказалась идея о том, что БКП — это долгоживущий свободный вихрь в атмосфере Юпитера. Вихрь такого размера и соответствующей массы с верхушкой в виде Красного Пятна может прожить тысячи лет. Согласно наблюдениям, движение деталей по поверхности Пятна действительно носит характер вихря. Появилось большое число гипотез в развитие идеи вихря. Образования, подобные БКП, связывают с существованием устойчивой одиночной волны в атмосфере — солитона. В этом случае БКП может быть очень долгоживущей деталью на облачной поверхности Юпитера.

Наблюдения с космических аппаратов подтвердили, что БКП — это гигантский долгоживущий вихрь в атмосфере планеты. Снимки, сделанные «Вояджерами» за дни пролета мимо Юпитера, были смонтированы в кадры кинофильма, где все движения ускорены в полмиллиона раз. Перед зрителем возникла шевелящаяся, ползущая масса поясов, зон и «плюмажей», подобных тем, что можно видеть на рис. Плюмажи, окантовки БКП и другие пятна огибают этот вихрь, срываются с него и уходят к западу. Светлые, расширяющиеся к западу полосы вдоль экваториального пояса напоминают полосы дыма, относимые ветром от источника. Темный экваториальный пояс в своем относительном движении к западу обгоняет южный умеренный пояс, а зажатое между ними Большое Красное Пятно вращается против хода часовой стрелки с периодом чуть более 6 сут.

На периферии БКП движение облаков имеет хаотический, турбулентный характер, но в центре движение спокойное. С периферией БКП связаны характерные голубые пятна; некоторые из них возникли сравнительно недавно, в 1939—40 гг. Возможно, это дочерние вихри, отделившиеся от Большого Пятна. Такие же небольшие пятна видны на поясах и зонах, расположенных южнее БКП, т.е. ближе к полюсу.

Состав, строение и динамика атмосферы

Юпитер почти целиком состоит из водорода и гелия — как внутри (на это указывают расчеты), так и снаружи (по прямым измерениям). В атмосфере Юпитера по данным «Вояджеров» 89% водорода и 11% гелия (по объему). Отношение 89:11 по объему для водородно-гелиевой смеси — это то же, что 80:20 по массе, так как масса атома гелия 4 а.е., а молекулы водорода 2 а.е. Измерения со спускаемого аппарата «Галилео» (1995 г.) дали немного большее содержание гелия, 24% по массе.