В глубинах безбрежного космоса сияет величественный гигант – Юпитер. Эта загадочная планета, пронизанная магией истории и научных открытий, десятилетиями привлекает внимание астрономов и исследователей со всего мира. И сегодня, благодаря современным технологиям и беспрецедентным космическим миссиям, мы вступаем на путь вглубь этого газового гиганта, чтобы проникнуть в его секреты и раскрыть его древние тайны.
В нашей статье мы пройдем сквозь пышные облака, устремимся в вихревые бури, исследуем его магнитное поле и рассмотрим его спутники, которые являются своего рода маленькими мирами вокруг этого гиганта.
Общие сведения
Юпитер, величественный гигант в глубинах Солнечной системы, является самой крупной планетой и пятой по удалённости от Солнца. Вместе с Сатурном он принадлежит к классу газовых гигантов, обладающих захватывающей красотой и загадочностью. С течением веков Юпитер был предметом интереса многих культур, нашедших отражение в мифологии и религиозных верованиях древних цивилизаций, таких как месопотамская, вавилонская и греческая. Сегодня же его современное название происходит от древнеримского бога-громовержца, высшего божества пантеона.
Формирование планеты
Юпитер, самая крупная планета Солнечной системы, сформировался примерно 4,5 миллиарда лет назад. Существуют две основные гипотезы, объясняющие его процесс формирования.
Первая гипотеза, известная как гипотеза “контракции”, предполагает, что Юпитер сформировался из массивных “сгущений”, образовавшихся в газопылевом диске на ранних стадиях развития Солнечной системы. Это объясняет сходство в химическом составе Юпитера и Солнца, так как они оба формировались в подобных условиях. Однако эта гипотеза не объясняет различия в химическом составе Юпитера и других газовых гигантов, таких как Сатурн.
Вторая гипотеза, называемая гипотезой “аккреции”, предполагает, что формирование Юпитера происходило в два этапа. Сначала формировались твёрдые плотные тела, подобные планетам земной группы, в течение нескольких десятков миллионов лет. Затем начался процесс аккреции газа из протопланетного облака на эти уже сформировавшиеся объекты. Этот процесс продолжался несколько сотен тысяч лет, в результате чего Юпитер получил свою гигантскую массу.
Существуют различия в химическом составе Юпитера и других газовых гигантов из-за диссипации газа на первом этапе формирования. Температура внешних слоев Юпитера достигала 5000°C, в то время как у Сатурна она составляла 2000°C. Уран и Нептун сформировались значительно позже и достигли критической массы для начала аккреции, что также повлияло на их массу и химический состав.
Юпитер занял своё текущее положение пятой планеты от Солнца примерно 4 миллиарда лет назад и стал хранителем множества тайн о процессах формирования и эволюции планет в нашей удивительной Солнечной системе.
Физические характеристики
Объем Юпитера составляет огромные 1,43128 x 10^15 кубических километров. Это вместительность, которая позволяет вместить внутрь планеты около 1321 объекта размером с Землю, и даже после этого останется ещё немного места. Это наглядно демонстрирует колоссальные размеры Юпитера в сравнении с нашей родной планетой.
Площадь поверхности Юпитера равна 6,21796 x 10^10 квадратных километров. Чтобы понять масштаб этой цифры, стоит упомянуть, что она в 122 раза больше площади поверхности Земли.
Такая огромная площадь поверхности позволяет Юпитеру создавать впечатляющие атмосферные явления, такие как знаменитые полосы и бури, которые мы наблюдаем с Земли.
Масса Юпитера
Масса Юпитера превышает суммарную массу всех остальных планет Солнечной системы в 2,47 раза и в 317,8 раза превышает массу Земли. Однако она остается куда меньше массы Солнца, составляя приблизительно 1000-кратное отличие от него. Плотность Юпитера составляет около 1326 килограммов на кубический метр, приближенная к плотности Солнца, и в 4,16 раза ниже плотности Земли, которая равна 5515 килограммам на кубический метр. Сила притяжения на поверхности Юпитера превышает земную более чем в 2,4 раза: тело массой 100 килограммов на Юпитере весило бы столько же, сколько тело массой 240 килограммов на поверхности Земли. Это связано с ускорением свободного падения, равным 24,79 метра в секунду в квадрате на Юпитере, в сравнении с 9,81 метра в секунду в квадрате на Земле.
Орбита и вращение
Юпитер имеет орбиту вокруг Солнца с переменным расстоянием. В перигелии, то есть в ближайшей точке к Солнцу, расстояние до него составляет 741 миллион километров или 4,95 астрономических единиц (а.е.). В афелии, наиболее удаленной точке от Солнца, это расстояние составляет 817 миллионов километров или 5,46 а.е. Большая полуось орбиты Юпитера составляет 778 миллионов километров или 5,2 а.е., с эксцентриситетом 0,048. Астрономическая единица (а.е.) определяется как среднее расстояние от Земли до Солнца.
Период вращения Юпитера вокруг Солнца составляет 11,86 земных лет или 4331 день. Планета движется по своей орбите со скоростью 13 километров в секунду. Орбита Юпитера немного наклонена (приблизительно на 6,09 градусов) относительно плоскости эклиптики, которая является плоскостью солнечного экватора. Несмотря на значительное удаление от Солнца, Юпитер является единственным небесным телом, у которого центр масс находится вне радиуса Солнца. У газового гиганта также наблюдается небольшой наклон оси вращения, равный 3,13 градусам, что означает отсутствие заметной смены сезонов на планете.
Юпитер является самой быстро вращающейся планетой в Солнечной системе. Он совершает один полный оборот вокруг своей оси примерно за 9,9 часов. В отличие от планет внутренней группы, таких как Земля, Марс или Меркурий, у Юпитера нет твердой поверхности, которая могла бы служить опорой для измерения скорости вращения. Поэтому он не имеет видимых кратеров или гор, которые появлялись бы после определенного времени.
Быстрое вращение Юпитера приводит к разнице между экваториальным и полярным радиусами планеты. Из-за быстрого вращения Юпитер имеет форму вытянутого на полюсах шара, а не совершенно сферической формы. Разница между полярным и экваториальным радиусами составляет около 4700 километров. Полярный радиус Юпитера равен примерно 66 800 километров, в то время как экваториальный радиус составляет около 71 500 километров.
У Юпитера дифференциальное вращение, то есть скорость вращения различна в разных частях планеты. На полюсах вращение занимает примерно на 5 минут больше времени, чем на экваторе. Поэтому ученые используют различные системы для измерения скорости вращения Юпитера в разных широтных поясах. Обычно упоминаемый период вращения 9,9 часа является средним значением для всей планеты. Кроме того, скорость вращения магнитосферы Юпитера считается официальной скоростью вращения.
Химический состав
Химический состав внутренних слоев Юпитера невозможно точно определить современными методами наблюдений. Однако распределение химических элементов во внешних слоях атмосферы достаточно хорошо известно благодаря исследованиям, проведенным спускаемым аппаратом “Галилео” с 7 декабря 1995 года.
Главными компонентами атмосферы Юпитера являются молекулярный водород и гелий. В атмосфере также присутствуют другие соединения, включая воду (H2O), метан (CH4), сероводород (H2S), аммиак (NH3) и фосфин (PH3). В глубоких слоях атмосферы (ниже 10 бар) содержится значительное количество углерода, азота, серы и возможно кислорода в 2-4 раза больше, чем на Солнце.
Некоторые химические соединения, такие как арсин (AsH3) и герман (GeH4), присутствуют, но в незначительных количествах.
Концентрация инертных газов, таких как аргон, криптон и ксенон, превышает их количество на Солнце, в то время как концентрация неона ниже. В атмосфере также присутствуют небольшие количества простых углеводородов, таких как этан, ацетилен и диацетилен, которые образуются под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и заряженных частиц, попадающих из магнитосферы Юпитера. Диоксид углерода, моноксид углерода и вода в верхних слоях атмосферы, вероятно, появляются в результате столкновений с атмосферой Юпитера комет, например, таких как комета Шумейкеров-Леви 9.Вода не может перемещаться из тропосферы в стратосферу из-за холодной ловушки, называемой тропопаузой.
Красноватые оттенки атмосферы Юпитера могут быть объяснены присутствием соединений фосфора (красного фосфора), серы, углерода и возможно органических веществ, которые образуются в результате электрических разрядов в атмосфере.Эксперименты, моделирующие условия в нижних слоях атмосферы, показали наличие различных соединений, включая полициклические ароматические углеводороды с 4 и более бензольными кольцами.
Структура
Наиболее широко признанная модель внутренней структуры Юпитера включает следующие составляющие:
- Атмосфера.
- Слой металлического водорода.
- Каменное ядро.
В рамках этой модели с тремя слоями не существует четкой границы между ними, и области фазовых переходов являются незначительными. Поэтому можно сделать предположение, что практически все процессы происходят локально, и каждый слой можно рассматривать отдельно.
Атмосфера
Атмосфера Юпитера обладает немонотонным изменением температуры. Аналогично Земле, она состоит из экзосферы, термосферы, стратосферы, тропопаузы и тропосферы. В верхних слоях атмосферы температура велика. С приближением к внутренним слоям атмосферы давление возрастает, а температура падает до достижения тропопаузы. После тропопаузы как давление, так и температура увеличиваются по мере продвижения вглубь. В отличие от Земли, на Юпитере отсутствует мезосфера и соответствующая мезопауза.
В термосфере Юпитера происходит множество интересных процессов. Именно здесь планета теряет большую часть своего тепла, возникают полярные сияния и формируется ионосфера. Верхняя граница термосферы определена при давлении 1 нбар. Наблюдаемая температура в термосфере составляет 800-1000 К, что до сих пор вызывает затруднения в объяснении в рамках современных моделей, поскольку они предполагают, что температура не должна превышать около 400 К. Охлаждение Юпитера также является сложным процессом: трёхатомный ион водорода (H3+), который обнаружен как на Юпитере, так и на Земле, вызывает сильное излучение в средней инфракрасной области спектра с длинами волн от 3 до 5 мкм.
Согласно непосредственным измерениям, верхний уровень непрозрачных облаков на Юпитере характеризуется давлением в 1 атмосферу и температурой около -107 °C. На глубине 146 км давление составляет 22 атмосферы, а температура достигает +153 °C. Кроме того, миссия “Галилео” обнаружила “тёплые пятна” вдоль экватора. Вероятно, в этих областях внешний слой облаков является тонким, что позволяет видеть более теплые внутренние области.
Под облачным покровом Юпитера располагается слой, простирающийся на глубину от 7 до 25 тысяч километров, где водород постепенно переходит от газообразного состояния к жидкому с увеличением давления и температуры (до 6000 °C). Не существует четкой границы, разделяющей газообразный водород от жидкого. Этот слой может быть аналогичен непрерывному кипению глобального водородного океана.
Слой металлического водорода
Металлический водород встречается в слое Юпитера, который возникает при экстремально высоких давлениях, около миллиона атмосфер, и высоких температурах. В этих условиях кинетическая энергия электронов превышает потенциал ионизации водорода, что приводит к тому, что протоны и электроны существуют раздельно. Благодаря этому металлический водород обладает хорошей проводимостью электричества. Предполагается, что слой металлического водорода на Юпитере имеет толщину примерно 42-46 тысяч километров.
В этом слое металлического водорода генерируются мощные электротоки, которые являются источником гигантского магнитного поля Юпитера. В 2008 году Реймонд Джинлоз из Калифорнийского университета в Беркли и Ларс Стиксруд из Лондонского университетского колледжа предложили модель, согласно которой внутренние области Юпитера (а также Сатурна) содержат металлический гелий, который образует своеобразный сплав с металлическим водородом. Это открытие имеет важное значение для понимания структуры и эволюции газовых гигантов.
Ядро
Юпитер имеет ядро, размер которого оценивается примерно в полтора диаметра Земли, а масса составляет около 10 масс Земли. Эти оценки основаны на измеренных моментах инерции планеты.
Один из интересных аспектов Юпитера связан с его выделением большого количества энергии, превышающего получаемую от Солнца. Ученые предполагают, что Юпитер обладает значительным тепловым запасом энергии, который образовался в процессе сжатия материи при его формировании. Ранее модели внутренней структуры Юпитера пытались объяснить избыточную энергию, выделяемую планетой, через радиоактивный распад в его недрах или освобождение энергии при сжатии под действием гравитационных сил.
Поверхность
Юпитер, будучи газовым гигантом, лишен твердой поверхности, которая так привычна для нашей Земли. Он состоит преимущественно из газа и жидкости. Из-за экстремального давления и высоких температур, присутствующих на планете, космический аппарат не может совершить посадку или проникнуть сквозь ее атмосферу. Эти условия могут разрушить или расплавить любой объект, попытающийся проникнуть внутрь Юпитера.
Магнитное поле
Магнитное поле Юпитера является исключительно мощным и превосходит по силе магнитное поле Земли. Ученые предполагают, что это связано с наличием скального или металлического ядра у планеты, которое порождает такое магнитное поле. Магнитное поле Юпитера в 14 раз сильнее, чем у Земли, и содержит в 20,000 раз больше энергии. Астрономы полагают, что металлический водород вблизи центра планеты играет ключевую роль в генерации этого магнитного поля. Магнитное поле Юпитера служит ловушкой для ионизированных частиц солнечного ветра, ускоряя их почти до скорости света.
Напряжение магнитного поля на Юпитере варьирует в зависимости от местоположения. Оно составляет от 4,2 Гс на экваторе до 14 Гс на полюсах. Магнитосфера Юпитера простирается на расстояние около семи миллионов километров в сторону Солнца и к краю орбиты Сатурна.
Форма магнитного поля Юпитера напоминает тороидальную структуру, похожую на пончик, и содержит огромные пояса Ван Аллена, аналогичные тем, которые наблюдаются на Земле. Эти пояса служат ловушкой для высокоэнергетических заряженных частиц, в основном протонов и электронов. Скорость вращения магнитного поля Юпитера примерно соответствует скорости вращения самой планеты и составляет около 10 часов. Некоторые спутники Юпитера, включая спутник Ио, взаимодействуют с магнитным полем планеты.
Радиация
Магнитные поля Юпитера образуют радиационные пояса, которые содержат энергичные заряженные частицы, такие как электроны, протоны и другие ядра. Эти частицы удерживаются внутри поясов благодаря магнитному полю планеты. Большинство частиц, составляющих радиационные пояса, происходят от солнечного ветра и космических лучей. Радиационные пояса находятся во внутренней части магнитосферы Юпитера.
Радиационные пояса Юпитера представляют опасность для космических аппаратов, которые проходят через них, так как они могут повредить чувствительные компоненты этих аппаратов. Поэтому такие аппараты требуют дополнительной защиты при пролете через радиационные пояса Юпитера.
Магнитное поле Юпитера также создает зрелищные полярные сияния, которые являются одними из самых активных в Солнечной системе. Полярные сияния на Юпитере образуются благодаря быстрому вращению планеты, сильному магнитному полю и обилию заряженных частиц, которые поступают из вулканически активного спутника Ио. Заряженные частицы, захваченные магнитным полем, ускоряются и сталкиваются с газами в атмосфере над полярными областями Юпитера, что приводит к образованию полярных сияний.
Спутники и кольца
На май 2023 года у Юпитера известно 95 спутников, что на 51 меньше, чем у Сатурна. Однако оценки говорят о возможном наличии не менее сотни спутников. Спутники Юпитера получили имена, связанные с мифическими персонажами, связанными с Зевсом-Юпитером.
Спутники Юпитера можно разделить на две большие группы: внутренние и внешние спутники. Внутренние спутники включают 8 спутников, включая галилеевы и негалилеевы спутники. Внешние спутники составляют 84 спутника и также подразделяются на две группы. В результате получается четыре “разновидности” спутников Юпитера.
Самые крупные спутники Юпитера, такие как Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, были открыты ещё в 1610 году Галилео Галилеем. Открытие этих спутников стало первым фактическим подтверждением гелиоцентрической системы Коперника, согласно которой Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца.
Большое Красное Пятно
Большое Красное Пятно Юпитера (БКП) представляет собой длительную атмосферную бурю, которая бушует в Южном полушарии этой планеты уже вот 400 лет. Хотя некоторые считают, что Джованни Кассини впервые его наблюдал в конце 1600-х годов, ученые выражают сомнения относительно его формирования в то время.
Около 100 лет назад, это атмосферное явление имело размеры более 40000 км в поперечнике, но с течением времени его размер уменьшается. По текущим темпам сокращения, к 2040 году оно может превратиться в круг. Однако ученые сомневаются, что это произойдет, поскольку влияние окружающих атмосферных потоков может полностью изменить ситуацию. В настоящее время неизвестно, насколько продолжительным будет изменение размера Большого Красного Пятна.
Большое Красное Пятно представляет собой антициклоническую бурю, которая сохраняет свою форму на протяжении нескольких веков. Его огромные размеры позволяют наблюдать его даже с помощью земных телескопов. Однако ученым до сих пор предстоит выяснить причины его красноватого цвета.
Юпитер и Земля
Когда Юпитер и Земля находятся на своем минимальном расстоянии друг от друга, между ними простирается 628,74 миллионов километров космического пространства. В самой удаленной точке их расстояние достигает 928,08 миллионов километров. Эти расстояния могут быть выражены в астрономических единицах, которые колеблются от 4,2 до 6,2 а.е.
Все планеты движутся по эллиптическим орбитам, и когда планета находится ближе к Солнцу, это место называется перигелием, а когда она дальше от Солнца – афелием. Разница между перигелием и афелием определяет эксцентричность орбиты. Однако орбиты Юпитера и Земли являются двумя из наименее эксцентричных орбит в нашей Солнечной системе.
Некоторые ученые полагают, что гравитация Юпитера может создавать приливные эффекты, которые влияют на количество солнечных пятен. Если бы Юпитер приблизился к Земле на несколько сотен миллионов километров, его мощное гравитационное воздействие серьезно повлияло бы на нашу планету. Учитывая, что масса Юпитера превышает массу Земли в 318 раз, легко представить, как он мог бы вызывать приливные эффекты. Однако, Юпитер находится на достаточно большом расстоянии от нас, не вызывая неудобств, а, напротив, защищая нас от комет, притягивая их к себе.
На ночном небе газовый гигант Юпитер является третьим по яркости объектом после Луны и Венеры. Чтобы определить его положение на небосклоне, чаще всего нужно обратить взгляд ближе к зениту. Чтобы не путать его с Венерой, следует учесть, что Венера не отходит от Солнца дальше 48 градусов и не поднимается очень высоко.
Исследование
Современные исследования Юпитера включают миссии исследовательских аппаратов различных космических агентств, таких как NASA, Европейское космическое агентство (ЕКА) и другие. В конце 1980-х – начале 1990-х годов Советский Союз разработал проект миссии под названием АМС “Циолковский” для исследования Солнца и Юпитера, но этот проект не был реализован из-за распада СССР.
В 1970-е и 1980-е годы несколько космических аппаратов достигли Юпитера и передали ценные данные. В 1973 и 1974 годах “Пионер-10” и “Пионер-11” прошли мимо Юпитера на близком расстоянии, передавая снимки планеты и ее спутников, измеряя магнитное поле и магнитосферу Юпитера, а также уточняя характеристики спутника Ио. “Пионер-10” также обнаружил, что Юпитер излучает больше энергии в космос, чем получает от Солнца.
В 1979 году аппараты “Вояджер-1” и “Вояджер-2” пролетели около Юпитера и передали высококачественные фотографии планеты и ее спутников, обнаружили кольца Юпитера и собрали множество других данных о составе атмосферы и магнитосфере.
В 1992 году аппарат “Улисс” прошел мимо Юпитера, изучая его магнитосферу.
С 1995 по 2003 год на орбите Юпитера находился аппарат “Галилео”. Эта миссия позволила впервые изучить атмосферу Юпитера изнутри, сделать подробные наблюдения за динамикой атмосферных процессов и открыть новые факты о его спутниках. В 1994 году “Галилео” наблюдал падение осколков кометы на Юпитер.
В 2000 году аппарат “Кассини” пролетел мимо Юпитера, сделав рекордно высококачественные фотографии планеты.
В 2007 году аппарат “Новые горизонты” совершил гравитационный маневр в окрестностях Юпитера на пути к Плутону. Он провел съемку планеты и спутников, передав на Землю большой объем данных.
В 2011 году был запущен аппарат “Юнона”, который вышел на полярную орбиту Юпитера в 2016 году. “Юнона” предназначен для детального исследования планеты и должен помочь лучше понять природу полярных сияний на Юпитере.
На 2020-е годы запланирована межпланетная миссия Европейского космического агентства (ЕКА) и Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) под названием Europa Jupiter System Mission (EJSM). В рамках этой миссии планируется отправить два аппарата к Юпитеру: Jupiter Europa Orbiter (JEO) для исследования планеты и ее спутника Европы, а также Jupiter Ganymede Orbiter (JGO) для исследования спутников Ганимеда и Каллисто.
Предполагается, что эти аппараты достигнут Юпитера в 2026 году и будут работать на орбите планеты в течение трех лет. В рамках миссии также возможно участие Японии с аппаратом Jupiter Magnetospheric Orbiter (JMO) для исследования магнитосферы Юпитера.
Гипотезы жизни на Юпитере
Сейчас считается маловероятным, что на Юпитере существует жизнь, из-за низкой концентрации воды в его атмосфере и отсутствия твёрдой поверхности. Однако ещё в 1970-х годах астроном Карл Саган высказывал возможность наличия жизни в верхних слоях атмосферы Юпитера, основанной на аммиаке. Даже на небольшой глубине в атмосфере Юпитера температура и плотность достаточно высоки, и существует вероятность химической эволюции. Также возможно существование жизни, основанной на водно-углеводородных соединениях, в слое атмосферы с облаками водяного пара, где условия также могут быть благоприятными. Саган и Э. Э. Солпитер предложили три воображаемые формы жизни на Юпитере, основанные на их вычислениях в рамках законов химии и физики:
- Синкеры – микроскопические организмы, которые быстро размножаются и имеют много потомков. Это помогает им выживать в условиях опасных конвективных потоков, которые могут унести их в горячие нижние слои атмосферы.
- Флоатеры – гигантские организмы, размером с город, которые напоминают воздушные шары. Флоатеры извлекают гелий из своих воздушных мешков и оставляют водород, что позволяет им держаться в верхних слоях атмосферы. Они могут получать питание из органических молекул или производить их самостоятельно, подобно земным растениям.
- Хантеры – хищные организмы, охотящиеся на флоатеров.
Интересные факты
- Юпитер никогда не станет звездой, так как для этого ему необходимо увеличить свою массу более чем в 80 раз, чтобы запустить термоядерный синтез атомов водорода.
- Облака на Юпитере имеют толщину около 50 км. Они состоят из кристаллов аммиака и располагаются на двух уровнях. Более темные облака образуются из соединений, поднявшихся из глубоких слоев планеты и изменяющих цвет при взаимодействии с солнечным светом. Ниже облачного слоя находится океан из водорода и гелия, простирающийся до слоя металлического водорода.
- У Юпитера есть кольца, которые являются третьими кольцами, обнаруженными в Солнечной системе после колец Сатурна и Урана. Кольца Юпитера слабы и, вероятно, состоят из материала, выброшенного его спутниками в результате столкновений с метеоритами и кометами.
- Земля посетила Юпитер с помощью семи различных космических аппаратов.
Вывод
Юпитер остается объектом постоянного внимания астрономов и ученых, и каждое новое исследование приносит нам новые открытия и позволяет глубже проникнуть в тайны этого удивительного газового гиганта.
