Из разговоров с Ангелами 312

Из разговоров с Ангелами 312

АСТРОФИЗИКА ЮПИТЕРА

Этот раздел посвящен физическим характеристикам Юпитера и отдельных его оболочек. Данные, приведенные ниже, добыты преимущественно американскими межпланетными аппаратами «Пионер-10» и «Пионер-11», исследовавшими планету в период с 1973 по 1974 гг., а также «Вояджерами». Планеты-гиганты существенно отличаются от других больших планет Солнечной системы, но отличия Юпитера весьма специфичны. Магнитосфера этой планеты считается самой протяженной в Солнечной системе. Высота границы магнитного поля насчитывает 8 млн км от поверхности планеты. Т.е. оно в 6 раз больше солнечного диаметра. Здесь поле сталкивается с потоком солнечного ветра и межпланетным магнитным полем. При этом образуется пограничная ударная волна, на которой скорость солнечного ветра снижается с 450 до 200 км/с.
Это снижение скорости позволяет Юпитеру захватывать протоны, электроны и прочие частицы ветра своей магнитосферой.
Магнитное поле имеет сложную внутреннюю структуру, его силовым линиям характерна некоторая слоистость в распределении над планетой. «Пионер-10» четырежды регистрировал исчезновение с повторным возникновением магнитного поля. Другой странностью в строении юпитерианской магнитосферы является то, что магнитное поле гиганта двойное. Оно слагается двумя соседствующими полями, дипольным и недипольным. Первое занимает пространство вокруг планеты с границами до 1,4 млн км. Полярность диполя противоположна земной.
Второе поле, недипольное, распространяется от границ дипольного — 1,4 млн км — до ударной волны на расстоянии 8 млн км от Юпитера. Отсутствие второго полюса объясняется тем, что он попросту уничтожен огромной величиной внешнего поля, которое очень слабо. В магнитосфере находятся в большом количестве ионы водорода, а также кислорода и серы, выбрасываемой в космос вулканами спутника Юпитера Ио. На орбите Ио магнитное поле гигантской планеты создает плазменный тор радиоизлучения и ультрафиолетовой эмиссии. У планегы имеются мощные радиационные пояса, которые по интенсивности радиоизлучения превосходят земной пояс в 40 000 раз и уступают только солнечным.
Наиболее сильное радиоизлучение приходится на область в 428 000 км от планеты. Хотя радиоизлучение регистрируется не при каждом обороте Юпитера, на определенных долготах систематически генерируются всплески, указывающие на вращение источников как твердого тела с периодом 9 ч 55 мин 29,37 сек. Энергия всплесков радиоизлучения Юпитера соответствуег энергии миллиарда одновременных вспышек молний на Земле; всплески, по-видимому, очень кратковременны — малые доли секунды. Они почти никогда не наблюдаются с Земли на длинах волн свыше 20 м из-за поглощения в земной ионосфере.
Не удивительно, что «Вояджеры» зарегистрировали длинноволновое излучение и шумовые бури в диапазоне длин волн от 3 до 30 км, или в диапазоне частот от 100 до 10 кГц. Их источник, очевидно, связан с внутренней частью магнитосферы, начинающейся, по-видимому, от верхней границы ионосферы Юпитера, и возможно, с движением внутреннего спутника Ио.
В микроволновом диапазоне температура Юпитера близка к ожидаемому из инфракрасных наблюдений значению -143 С, но с увеличением длины волны вычисленная эффективная температура становится гораздо выше и указывает на то, что Юпитер, подобно Земле, имеет магнитное поле и радиационный пояс, в котором непрерывно генерируется очень высокочастотное радиоизлучение.
Напряженность магнитного поля на порядок больше, чем геомагнитного поля, а магнитная ось наклонена на угол около 10 градусов относительно оси вращения. Этим частично объясняется полупериодический характер радиовсплесков на длинных волнах. Излучение в дециметровом диапазоне, несколько выше и несколько ниже 3000 мГц, очевидно, создается релятивистскими электронами, движущимися по винтовым траекториям вдоль магнитных силовых линий в магнитосфере. Они сильнее всего излучают вблизи плоскости магнитного экватора, позволяя определить наклон и направление оси магнитного поля относительно оси вращения.
Радиоизлучение достигает максимума, когда Земля проходит через плоскость магнитного экватора Юпитера. Загадочная и сложная структура магнитосферы начала проясняться в 1964, когда Е. Бигг открыл, что излучение в диапазоне 10 м наблюдается только при определенном положении внутреннего галилеева спутника Ио. Была показана удивительная связь между долготами на Юпитере, на которых происходит излучение из определенных областей, когда Ио находится в одном из двух интервалов долгот.
Всплески радиоизлучения происходят редко, исключая случаи, когда Ио пересекает плоскость «магнитного диска» Юпитера по одну сторону планеты, при наблюдении с Земли. Другие спутники, по-видимому, редко, если это вообще случается, создают аналогичный эффект. Загадка Ио начала раскрываться в 1973, когда в ее спектре были обнаружены эмиссионные линии натрия. На основании наблюдений «Пионера-10» был сделан вывод, что Ио заключена в тороидальное водородное облако, окружающее Юпитер.
Наземные наблюдения подтвердили, что натриевое облако существует и яркость его меняется с положением на орбите, поскольку излучение атомов натрия пропорционально приходящему солнечному излучению. При движении атомов натрия с высокой скоростью вокруг Юпитера их линии поглощения смещаются относительно линий натрия в спектре Солнца вследствие эффекта Доплера. Поданным «Вояджера-2» установлено, что в торе концентрация плазмы приблизительно на 1000 электрон/см3, выше, чем в его окрестностях. Следовательно, связанное с Ио радиоизлучение вызывается электронами, движущимися ио винтовым траекториям в возмущенных Ио и сопутствующей плазмой магнитных полях в магнитосфере Юпитера.
Юпитер не имеет твердой поверхности, у планеты отсутствует литосферная кора. Оболочки Юпитера очень своеобразны. Самой верхней является плотный газообразный слой, подобный атмосфере. Он состоит преимущественно из молекулярного водорода. 27% газовой смеси занимает гелий, доли процента приходятся на метан, аммиак, цианид и водяные пары. Толщина атмосферы составляет порядка 6000 км, что равняется 0,08 от радиуса планеты.
Нижний слой атмосферы является по своим физическим качествам океаном, плотность вещества здесь составляет 0,2 г/ см3. На большей глубине (0,15-0,2 радиуса) происходит переход водорода из молекулярной формы в атомарную. Толщина слоя достигает 0,55 радиуса Юпитера. Водород здесь под чудовищным давлением свыше 700 000 атм. образует совокупность атомов и свободных электронов. Такое состояние условно называется металлической фазой водорода.
С повышением глубины давление возрастает, увеличивается и плотность вещества. В недрах планеты, на глубине 50 000 км давление достигает пороговой отметки в 20 млн атм. При таком сжатии плотность вещества составляет 2,8 г/см3. Происходит очередное качественное перерождение вещества планеты. Здесь начинается новый слой, называемый ядром. Полужидкое, оно сложено водородом, гелием с небольшой примесью железа, никеля и силикатов. Давление в центре ядра превышает 80 млн атм., а температура насчитывает плюс 200 000 °С, хотя, согласно иным версиям, она на два порядка ниже.
В атмосфере, единственной относительно хорошо изученной оболочке Юпитера, существуют потоки газового вещества, сродни конвекционным. Их активное движение объясняется температурным режимом. Планета получает от Солнца тепла в 27 раз меньше, чем Земля, однако, за счет внутреннего тепла разогревается на поверхности на 30 °С (от -160 «С до -130 «С). Юпитер излучает в пространство в 2 раза больше тепла, чем получает от Солнца. Восходящие сплошной стеной разогретые потоки газа по достижении верхних уровней атмосферы распадаются на два ниспадающих потока. В этом месте с вершины такой стены восходящих газов низвергаются по обе стороны от этой стены обратно вниз два течения. Сверху поднимающаяся и раздваивающаяся стена газов, а также обрушивающиеся вниз каскады выглядят светлой зоной облачности. Промежуточные темные области отмечают зоны атмосферы в которых, словно в бездонных пропастях, исчезают потоки опус-ка-ющихся газов. Так на поверхности Юпитера возник полосатый узор.
Вращением планеты эти зоны-полосы увлекаются во встречное движение друг относительно друга в горизонтальной плоскости. Причем движение течений, ниспадающих с двух разных газовых стен в одну темную зону, всегда сонаправлено. Потоки же, расходящиеся из единого по обе стороны «своей» стены, движутся по горизонтали противоположно. По своему строению полосы представляют собой облачные пояса.
КОЛЬЦА ЮПИТЕРА
Кольцо Юпитера впервые было обнаружено американским космическим кораблём «Voyager-1» в марте 1979 года, который был специально запрограммирован на поиск слабых планетных колец. Впоследствии к Юпитеру был направлен «Voyager-2», целью которого было детальное фотографирование кольца с выяснением его строения. И эта цель была достигнута. Выяснилось, что колец у Юпитера три: внутреннее гало, главное и внешнее паутинное.
Внутреннее кольцо Юпитера, лежащее выше 92000 километров от планеты, и имеющее ширину 30500 километров сформировано из мельчайших частиц пыли, которые, падая из внутреннего просвета главного кольца к поверхности планеты, подхватываются магнитными потоками.
Главное кольцо Юпитера, шириной 6400 км, имеет резко выраженную внешнюю границу на высоте 129200 км от планеты. Внутренняя же граница главного кольца постепенно сливается с внутренним кольцом, образуя ореол, шириной 22800 км. Масса главного кольца составляет 1013 кг. Состоит главное кольцо из частиц пыли, меньше 10 микронов в диаметре (такой размер имеют частицы сигаретного дыма), что подтверждено наблюдениями прямого рассеяния излучения в оптическом диапазоне.
Время существования отдельных пылинок в главном кольце Юпитера из-за сильных негравитационных возмущений, невелико — около одной тысячи лет, поэтому должен быть источник их постоянного пополнения. Им, по-видимому, являются два спутника планеты — Адрастея и Метис, орбиты которых лежат в пределах главного кольца. При столкновении с микрометеоритами с поверхности спутников поднимаются миллиарды микрочастиц, которые затем рассеиваются по орбите вокруг планеты.
Паутинное кольцо Юпитера, шириной более 85 тыс. км., простирается от верхней границы главного кольца и орбиты спутника Адрастеи, до орбиты другого спутника — Фивы. Оно очень слабое и широкое. Паутинное кольцо, как выяснилось после полёта космического корабля «Galileo», двойное, причём одно кольцо вложено в другое.
Внутреннее кольцо — паутинное Амальтея, простирается от орбиты Адрастеи до орбиты Амальтеи, т.е. на 52 тыс. км. Внешнее кольцо — паутинное Фивы, простирается от орбиты Амальтеи приблизительно до орбиты Фивы, лежащей в 221900 километрах от поверхности Юпитера. Источниками пополнения пылевых частиц, размер которых такой же как и для главного кольца, для внутреннего паутинного кольца является Амальтея, для внешнего — Фива.
Кольца Юпитера существуют в пределах интенсивного пояса электронов и ионов, «пойманных» в магнитном поле планеты. Кольца плоские (ширина в районе 10 км) и весьма разряженные. Альбедо колец невелико — 0,015. При наблюдении с Земли их можно заметить только при фазовых углах, близких к 180 градусам, при которых яркость колец возрастает в 100 раз, а тёмная ночная сторона Юпитера не оставляет засветки. Главное и паутинное кольца Юпитера в этом случае имеют красноватый цвет, а кольцо гало — нейтральный или синий.
СПУТНИКИ ЮПИТЕРА
Наряду с системой колец в настоящее время известно 63 спутника Юпитера. все они представляют собой твердые тела, подобные земной Луне или, некоторые из них, астероидам. Первые четыре спутника открыл в 1610 году итальянский астроном Галилео Галилей. Это самые большие из сателлитов планеты, их еще называют галилеевскими. Эти тела получили римскую порядковую нумерацию по удалению от Юпитера: I — Ио, II — Европа, III — Ганимед и IV — Каллисто.
Диаметры их находятся в диапазоне 3,6-5,3 тыс. км. Последующие из открытых спутников Юпитера, вне зависимости от их удаленности от планеты, обозначались в прежней системе нумерации. Размеры их колебались в пределах 10-280 км, каждому сателлиту свойственна неправильная форма.
Галилеевы спутники относятся к так называемым регулярным спутникам Юпитера, вместе с Метисом, Адрастеей, Амальтеей и Тебой. Их орбиты почти круговые и располагаются приближенно в одной плоскости — экваториальной плоскости Юпитера. Каждая последующая орбита лежит в среднем в 1,7 раза дальше предыдущей. Сформировались они, вероятно, в раннем протопланетном диске газа и пыли вокруг Юпитера на ранних этапах его формирования.
Два ближайших спутника Юпитера — это XIV Адрастея и XVI Метис, обращающиеся на расстоянии 128 000 км от планеты. Полный оборот по орбите они совершают за 7 ч.
Остальные спутники Юпитера называются иррегулярными и их большинство. Они гораздо слабее чем регулярные: от 13m до 18m, имеют небольшие размеры и большие орбиты. Примерно четверть из них обращаются вокруг Юпитера в направлениях, обратных направлению его собственного вращения. Полагают, что это захваченные планетой астероиды.
Однако, непосредственно захватить проходящие астероиды с гелиоцентрической орбиты — нелегко. Часть начальной энергии объектов должна быть рассеяна так, чтобы Юпитер «мог держаться за них». В настоящее же время не имеется никакого видимого источника, способного рассеивать энергию для захвата спутников с гелиоцентрических орбит. Видимо на ранних этапах своего развития Юпитер имел обширную атмосферу, которая простиралась гораздо выше сегодняшней. Трение с этой атмосферой могло приводить к захвату астероидов, и превращению их в иррегулярные спутники.
В качестве подтверждения этой гипотезы можно привести следующий факт: большинство иррегулярных спутников объединены в динамические группы или «семейства» с похожими полуглавными осями и углами наклона. Возможно эти семейства были сформированы, когда некие массивные небесные тела разбились на захвате из- за давления, проявленного воздействием с расширенной атмосферой.
Семейств иррегулярных спутников пока выделено всего четыре. Первое из них, расположенное ближе всего к планете — семейство Гималии, включающее пять иррегулярных спутников с орбитальным радиусом в 150 радиусов Юпитера (11 млн. км) и углом наклона 30°.
Второе из семейств — семейство Ананке, образуют сразу 11 спутников с орбитальным радиусом в 300 радиусов Юпитера (20 млн. км.) и углом наклона от 145° до 152°.
Следом за ними — в 23 млн. км. от поверхности Юпитера вращаются спутники семейства Карме, которых известно 12. Они имеют значительный угол наклона (165 градусов), малые размеры (2- 5 км) и вытянутые орбиты. Лишь у Карме, по имени которого названо семейство диаметр достигает 46 км.
Примерно на таком же расстоянии от Юпитера вращаются спутники другого семейства — семейства Пасифе. Орбиты их ещё более вытянутые, хотя углы наклона меньше — до 158,5°.
Следует отметить, что семейств или групп иррегулярных спутников, видимо гораздо больше. Если просмотреть предварительные обзоры, составленные с использованием современных CCD датчиков, оказывается, что вокруг Юпитера вращаются сотни (!) иррегулярных спутников с диаметром около 1 км.
ЮПИТЕР — НОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ
5 июля 2016 года, спустя 4 года и 9 месяцев после запуска, автоматическая межпланетная станция NASA Юнона вышла на орбиту Юпитера. Полет длиною в 2800 миллионов километров обошелся NASA в 1 миллиард долларов. Орбитальная миссия аппарата продлится до февраля 2018. Основными задачами Юноны являются: сбор данных об атмосфере, структуре и магнитосфере планеты, измерение теплового излучения, наблюдение за Юпитером и его спутниками в микроволновом и инфракрасном диапазонах.
Следующей утвержденной миссией по изучению Юпитера и его спутников будет Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE). В цели миссии JUICE входит исследование Ганимеда как богатого водой мира, что имеет важнейшее значение для определения потенциальной обитаемости Солнечной системы вне Земли. Подготовительные этапы JUICE подходят к концу. Предположительно аппарат достигнет Юпитера в октябре 2029 года.
ЮПИТЕР — ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ
— Парадокс, но температура в местах на поверхности планеты, куда падают тени от спутников выше, чем на освещенной части.
— У Юпитера имеются кольца как и у Сатурна, однако их толщина гораздо меньше и они почти не заметны.
— С 1973 года Юпитер изучали с помощью 9 космических аппаратов: 2 Пионера, 2 Вояджера, Улисс, Кассини, Новых горизонтов, Галилео и Юноны. Примечательно, что все они американские. Пилотируемое изучение планеты и спутников Юпитера планируется не ранее 2040 года.
— У Юпитера больше общего с Солнцем, чем вы думаете, планета и звезда схожи по химическому составу. Для того, чтобы зажечь термоядерный синтез и стать звездой, Юпитеру нужно увеличить массу как минимум в 80 раз.