Из разговоров с Ангелами 311

Из разговоров с Ангелами 311

ЮПИТЕР

  Юпитер — пятая по удалению от Солнца и самая большая планета Солнечной системы. Этот огромный газовый гигант первый в группе дальних планет, находящихся за Поясом астероидов. На земном небе Юпитер по свечению занимает четвертое место после Солнца, Луны и Венеры. Лишь Марс иногда, в дни предельного сближения с Землей, светится столь же сильно.
Среди планет Юпитер по своему блеску* занимает второе место, уступая Венере. Древние обладали живым и образным мышлением, что смогли по достоинству оценить свечение планеты. За блеск светило отождествили с верховным божеством. В римской мифологии Юпитером называли верховного бога, который вместе с богинями Юноной и Минервой правил прочими божествами римского пантеона. Юпитер отождествлялся с древнегреческим Зевсом — царем и отцом богов Олимпа, сыном Кроноса и Реи.
* блеск (звездная величина) — числовая характеристика яркости, обозначается буквой «m». Характеризует поток энергии от рассматриваемого светила (энергию всех фотонов в секунду) на единицу площади. Чем меньше значение блеска, тем ярче данный объект. Понятие звёздной величины используется при измерении потока энергии в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне.
АСТРОНОМИЯ ЮПИТЕРА
Видимый в земные телескопы диск Юпитера представляет собой не поверхность планеты, но газовую оболочку. Колосс Юпитер являет собой полную противоположность маленьким каменистым планетам земной группы. Его видимая поверхность подвержена непрерывным изменениям. Эта планета находится далеко от Солнца; когда Юпитер ближе всего к Земле, расстояние до него составляет около 630 млн км. Масса Юпитера более чем в 300 раз превосходит земную, а объем больше земного в 1000 раз. В телескоп Юпитер выглядит как золотистый диск, пересеченный темными и светлыми полосами, примерно параллельными друг другу. Глаз легко различает красноватые и коричневатые оттенки. На их фоне видны неправильные облакоподобные пятна. Диск кажется слегка сплюснутым перпендикулярно полосам, тщательные измерения подтверждают, что экваториальный диаметр больше полярного диаметра на 1/15, или 0,7 земного диаметра.
Расстояние от Земли до Юпитера равняется в минимуме 591 млн км, в максимуме 965 млн км. Среднее расстояние планеты от Солнца насчитывает 778,3 млн км, что составляет 5,2 а.е. Т.е. планета в 5 раз более удалена от Солнца, чем Земля.
Период обращения Юпитера вокруг Солнца занимает 11,9 земных лет, при этом скорость движения по орбите равна примерно 13 км/с. Хорошо заметно земному наблюдателю сжатие планеты у полюсов. Это сжатие характерно и для других планет и спутников, но в сравнении с Юпитером сплюснутость Луны, Меркурия или, например, Венеры много меньшая.
Юпитер сжат с полюсов за счет быстрого вращения вокруг собственной оси.
Сутки на Юпитере длятся от силы 9 ч 55 мин. в умеренных зонах, которые движутся медленнее. Экваториальные области обращаются за 9 ч 50 мин. Несложно подсчитать, что юпитерианский год длится 10 530 местных суток. Сплюснутость, причем значительная, позволяет различать радиусы полярный и экваториальный. Последний равен 71,4 тысячам км, т.е. в 11,2 раза превосходит земной.
У Юпитера все больше, чем у других планет, даже родственных ему гигантов. Начать с того, что его объем в 1320 раз превосходит земной и в 1,6 раза объем всех планет Солнечной системы вообще. Удивительно, что по массе Юпитер превосходит Землю лишь в 318 раз, достигая 1,9 септиллионов т. Столь существенное различие между объемом и массой объясняется низкой плотностью вещества планеты, равной 1,33 г/см3. Однако даже эта сравнительно малая масса в 2,45 раза превосходит суммарную массу всех прочих планет Солнечной системы.
Площадь Юпитера насчитывает 59 млрд кв. км. На поверхности планеты поместятся 115,6 земных поверхностей.
Экваториальная область вращается гораздо быстрее, чем более высокоширотные области. Ее период вращения на 5 мин короче и равен приблизительно 9 ч 50 мин. Периоды от 9 ч 51 мин. до 9 ч 53 мин. наблюдаются редко; вращение с таким периодом, по-видимому, неустойчиво. Линейные скорости перемещения деталей на экваторе — около 40 ООО км/ч. Эти периоды вращения относятся только к высотам, на которых наблюдаются облака.
Наблюдения радиоизлучения Юпитера показывают, что ось его мощного магнитного поля наклонена на 10 градусов к оси вращения. Магнитное поле вращается весьма равномерно, с периодом 9 ч 55 мин. 29,37 сек., а это указывает на почти твердотельный характер вращения планеты под слоем облаков. Малая плотность вещества позволила ученым предположить, что Юпитер пребывает в полугазообразном состоянии. Согласно расчетам известного астрофизика, академика В. Г. Фесенкова (1951 г.), планета-гигант может состоять на 75% из водорода и на 25% из гелия. Долгое время пропорция оставалась гипотезой, поскольку обнаружить гелий в спектре Юпитера не удавалось. Лишь 20 лет спустя американские «Пионеры» обнаружили присутствие гелия в атмосфере Юпитера, доказав справедливость предположения Фесенкова.
Центробежная сила, возникающая вследствие вращения, достаточна для создания видимого сжатия, хотя сила тяжести на Юпитере в 2,6 раза больше, чем на поверхности Земли. Однако если бы внутреннее строение Юпитера было подобно строению Земли, то сжатие должно было бы быть еще больше. Значит, плотность с глубиной у Юпитера растет быстрее, чем у Земли. Поскольку средняя плотность равна всего 1,34 г/см3, можно сделать вывод, что Юпитер, подобно Солнцу, состоит в основном из легких газов, главным образом водорода и гелия. Присутствие очень протяженной атмосферы очевидно из данных прямых наблюдений.
Наиболее поразительной особенностью юпитерианской атмосферы является Большое Красное Пятно, впервые замеченное в 1830 г. Это овал кирпично-красного цвета, протянувшийся параллельно экватору приблизительно на 50 000 км (почти на четыре земных диаметра!). Временами оно более заметно, а временами почти исчезает, но больше никогда оно не было таким ярким, как в первые годы после открытия.
Большое Красное Пятно — скорость его вращения непостоянна, и оно заметно дрейфует по поверхности планеты. В результате этого дрейфа оно прошло путь, равный трем оборотам относительно своего среднего положения на планете, рассчитанного при постоянном значении периода. Такая подвижность показывает, что пятно — плавающее возмущение. По-видимому, оно постепенно затухает. Скорее всего, это ураган-антициклон, который не может успокоиться вот уже более трех с половиной столетий.
Подобные ураганы обнаружены и в других областях планеты, например Белое Пятно, поперечник которой равен 16 000 км. Судя по большой подвижности атмосферы и высокому уровню радиационного излучения, на Юпитере часты фантастические по своим масштабам грозы — самые грандиозные в Солнечной системе.
Потрясающие изображения системы Юпитера, переданные космическими аппаратами Пионер-16 и Вояджер-1 и 2, и физические измерения позволяют глубже понять сложную и грандиозную метеорологию атмосферы Юпитера. Темные полосы в спектрах планеты принадлежат аммиаку и метану. Метан преобладает и в спектрах других планет-гигантов.
Остальные темные линии в этих спектрах принадлежат газам внешнего слоя Солнца и земной атмосферы. Т. Данхем из обсерватории Маунт-Вилсон отождествил метан и аммиак, сжимая их раздельно в 20-метровой трубе: он обнаружил, что линии поглощения, возникшие в спектре светового пучка, дважды прошедшего через трубу, имеют такие же длины волн, как линии в спектре Юпитера. Слой газообразною аммиака толщиной 10 м при нормальном атмосферном давлении эквивалентен его количеству, содержащемуся в юпитерианской атмосфере до глубины, на которую проникает солнечный свет прежде, чем отразится по направлению к Земле.
Для метана соответствующее значение составляет 160 м. Продолжающиеся наземные и космические наблюдения приносят все больше сведений о химическом составе атмосферы Юпитера. Как и ожидалось, преобладают водород и гелий. Хотя полосы поглощения метана и аммиака преобладают в инфракрасном спектре, их процентное содержание не намного больше, чем компонентов, находящихся на пределе обнаружимости. Вода вымерзла, сохранившись в газообразном состоянии в едва ощутимых количествах. Средняя молекулярная масса атмосферы Юпитера равна 2,2 атомной единицы массы.
Такое же значение было получено по наземным наблюдениям ослабления блеска звезд при их покрытии планетой. Над слоем облаков атмосферное давление падает вдвое на каждые 10-12 км. Легкие газы сжимаются вследствие большой силы тяжести. Температура с высотой падает быстро: от минус 113 °С при давлении 1,0 атм, до минус 160 °С при давлении 0,03 атм. На снимке, сделанном в темной полосе метана в ближней инфракрасной области спектра, самое яркое изображение дают самые верхние слои, где метана мало.
Темные области расположены глубже. Снимок, сделанный на длине волны непрерывного спектра вблизи темной полосы, позволяет видеть отдельные детали. Облака над Большим Красным Пятном и экваториальным поясом расположены высоко в атмосфере. На снимке выделяются полярные области, в которых происходит рассеяние от слоя дымки, образующейся очень высоко в этих холодных областях Юпитера. Чтобы понять метеорологию Юпитера, вспомним, что на Земле облака, ветры и циркуляционные течения обусловлены солнечным теплом, достигающим поверхности и нижней атмосферы.
Радиометрические измерения Юпитера указывают на генерацию тепла в недрах самой планеты, и его собственное тепловое излучение примерно вдвое превышает поток энергии, поступающей от Солнца. Кроме того, на Юпитере отсутствует твердая поверхность и какой-либо рельеф.
Тепло из недр выносится путем вертикальной конвекции, порождающей турбулентные вихри. На Земле нагрев происходит в основном в экваториальных областях, и здесь теплый воздух поднимается в атмосферу. Растекаясь затем в направлении к полюсам и опускаясь вниз на средних широтах, где линейная скорость вращения поверхности Земли ниже, чем на экваторе, эти воздушные потоки смещаются к востоку. Следовательно, на средних широтах преобладают западные ветры. Ближе к экватору дуют пассаты, питаемые энергией атмосферы более высоких широт и направленные с востока на запад, т.е. восточные пассаты. В областях циклонических возмущений воздух втягивается в область низкого давления. В северном полушарии циклон вращается против часовой стрелки, в южном — по часовой стрелке, поскольку воздушный поток, движущийся к экватору отклоняется к западу, а поток, удаляющийся от экватора — к востоку. Следовательно, при сближении воздушных масс создается типичное циклоническое вращение.
Это упрощенное описание картины земной циркуляции дает некоторое представление о сложной системе циркуляции на Юпитере.
В экваториальной зоне Юпитера до 9 градусов обоих полушарий течения направлены строго с запада на восток (западные ветры), скорость здесь приблизительно 100 м/с. Вблизи 20-х широт ветры дуют с востока на запад со скоростью около 50 м/с — своего рода слабые пассаты. Большое Красное Пятно увлекается на запад вместе с южной тропической зоной. Дальше от экватора на умеренных широтах снова видны узкие движущиеся с высокой скоростью на запад белые полосы.
На изображениях, переданных «Вояджером», северная умеренная зона шире, более однородна и движется быстрее, чем южная. Со временем ситуация меняется и может стать обратной. Между основными течениями заметны вихри и струи. Большое Красное Пятно не связано с глубокими слоями планеты. В нем наблюдается подъем вещества из верхних областей и растекание его от центра. Этим и объясняется низкая температура пятна и антициклоническое вращение в нем, т.е. против часовой стрелки в южном полушарии, с периодом около 7 суток.
Белые овалы представляют собой подобные возмущения; они появились в 1939 г. и в настоящее время сжимаются. Большое Красное пятно также сжимается, но его возраст не известен; возможно, оно образовалось гораздо раньше, чем было обнаружено.
Большое Красное Пятно и белые овалы —  не следствие катастрофических явлений, как думали когда-то. Они существуют за счет конвективных ячеек, которые выносят внутреннее тепло Юпитера из недр к видимой поверхности, откуда оно излучается наружу. Полученные с помощью телекамер «Вояджеров» последовательные серии снимков позволяют исследовать структуру движения. Они показывают, что вокруг Большого Красного Пятна существуют вихри, вероятно, пробивающие себе путь сквозь примыкающие к нему облачные образования. Некоторые вихри сталкиваются, другие закручиваются в жгуты и исчезают.
Облака на Юпитере, которыми занят нижний этаж атмосферы планеты-гиганта, т.н. тропосфера, имеют сложный химический состав. Самые высокие облака состоят из кристаллов аммиачного льда. Ниже следуют облака из гидросульфида аммония, которых подстилают облака из кристаллов водяного льда. Остальные облака состоят в основном из аммиака, причем температура лежит в подходящих пределах, от минус 100 до минус 160 °С. При давлении 1 атм аммиак кипит при минус 33 °С и плавится при минус 78 °С, так что он легко вымерзает в атмосфере Юпитера, но при малом давлении паров его достаточно для появления спектральных полос.
Метан кипит при минус 161 С и плавится при минус 184 С, поэтому существование жидкого или кристаллического метана почти полностью исключается.
Облака на Юпитере простираются в интервале высот примерно 12 км, почти так же, как и земные облака. Изредка в умеренных зонах мы проникаем до глубин, соответствующих более чем двум земным атмосферам. Т.о. диапазон давлений для облаков на Юпитере также сравним с диапазоном для земных облаков. Устойчивые атмосферные составляющие не могут придать Юпитеру такую окраску. Окрашивающие вещества должны появляться, принимать участие в циркуляции и исчезать, иначе планета была бы окрашена постоянно одинаково. Возможно, из глубины с помощью механизма, напоминающего извержения вулканов, поступают окрашенные металлические соединения, а затем оседают или подвергаются химическим реакциям в атмосфере. Существует предположение, что в таких облачных протяженных турбулентных атмосферах электрические разряды приводят к образованию быстро распадающихся окрашенных соединений.
Космические аппараты «Вояджер-1 и 2» зарегистрировали мощные вспышки молний на Юпитере, сравнимые с сильнейшими грозовыми разрядами на Земле. Никакой зависимости между молниями и цветом пока не найдено.
Обнаружение на Юпитере фосфина указывает на возможное окрашивание Большого Красного Пятна кристаллами красного фосфора, образующегося при разложении фосфина под действием солнечного излучения. Во всяком случае, присутствие фосфина, германа и окиси углерода указывает на сильное вертикальное перемешивание вследствие конвекции и вихрей, возникающих на больших глубинах.