Планеты Солнечной системы

Полосы имеют сложную  структуру, которая постоянно изменяется, а ее детали находятся в движении. Кроме того, они имеют разнообразную окраску, также меняющуюся. Особенно изменчив вид Южной и Северной экваториальных полос, которые временами исчезают, а затем восстанавливаются с намечающейся цикличностью около 4 лет. Очень узкая экваториальная полоса также нередко становится невидимой. Наоборот, околополярные области сравнительно устойчивы. Таким образом, наблюдаемая нами поверхность Юпитера состоит из облаков и других атмосферных образований [11, с.550].

Ось магнитного поля наклонена на 10 градусов к оси вращения. Магнитное поле вращается равномерно, с периодом 9 ч. 55 мин. Это указывает на почти твёрдый характер вращения планеты под слоем облаков. Сила тяжести на поверхности в 2,6 раза больше земной.

Средняя плотность Юпитера невелика– 1,34 г/см3. Это свидетельствует о том, что планета состоит в основном из лёгких газов, главным образом - водорода и гелия.

Юпитер имеет протяжённую атмосферу. Интересным ее объектом является Большое Красное пятно, открытое в 1665 г. Д. Кассини. Протяжённость пятна от 15 000 до 50 000км. На нем помещаются три земных шара. Временами оно становится ярче, временами почти пропадает. Пятно постоянно дрейфует в атмосфере планеты. В первые годы после открытия оно было очень ярким, с тех пор яркость постепенно падает. Вероятно, пятно со временем затухает. Исследования космического аппарата «Галилео» показали, что пятно лежит выше и более холодное, чем окружающие облака. Подобные структуры замечены на Сатурне и Нептуне, но остаётся непонятно, как они могут существовать столь долгое время [19, с.46].

Юпитер имеет такой большой диаметр, какой только может  иметь газовая планета. Атмосфера Юпитера состоит в основном из водорода (90 %) и гелия (10%). Обнаружены также аммиак (0,01 %) и метан (0,07 %), вода, окись углерода, фосфин, циан, этан, ацетилен. Остальных элементов очень мало. Вола вымерзла, сохранившись в газообразном состоянии в малых количествах (Приложение 4).

Температура в атмосфере с высотой быстро падает. Ее значение варьируется от – 113°С при давлении 1 атм. до – 160°С при давлении0,03 атм. Генерация тепла в недрах Юпитера и его собственное тепло  превышает в 2 раза поток энергии,  поступающий от Солнца.

На Юпитере отсутствует твёрдая поверхность и рельеф. Газовая атмосфера переходит в очень плотные газовые слои, которые при больших давлениях образуют некую особую субстанцию, которая называется металлический водород. Тепло из недр выносится путём вертикальной конвекции, порождающей турбулентные вихри. Скорость ветра в атмосфере может значительно превышать 100 м/с.

Облака атмосферы состоят в основном из аммиака. Атмосфера Юпитера очень глубокая. Температура в ядре достигает 30 000 К, а давление больше 1 млн бар. Высокая температура ядра существует благодаря механизму Кельвина–Гельмгольца, т. е. из-за медленного гравитационного сжатия планеты.

7 декабря 1995 г. космическим аппаратом «Галилео»  в атмосферу Юпитера был сброшен  зонд. Он был раздавлен через 58 мин. на глубине 200 километров. Однако он успел передать ценные сведенья о давлении, температуре и химическом составе верхних слоев атмосферы Юпитера [19, с.47].

В полярных облаках Юпитера наблюдается явление, подобное земному северному сиянию. Эти явления связаны с веществом, падающим из спутника Ио по спиральным линиям магнитного поля в атмосферу Юпитера.

Светлые и темные полосы атмосферы Юпитера объясняются различными зонами давления. Светлые зоны – это области высокого давления, а темные - низкого. Теплые газы поднимаются вверх в области зон и остывают, достигнув верхней границы облаков. Охлаждаясь, они падают в соседние полосы, где давление низкое. Из-за быстрого вращения планеты циклоны и антициклоны, связанные с областями высокого и низкого давления, полностью окружают Юпитер. Космические аппараты «Вояджер– 1 и 2» зарегистрировали мощные вспышки молний на Юпитере, сравнимые с сильнейшими грозовыми разрядами на Земле.

Органических молекул в атмосфере почти не обнаружено. Химический состав Юпитера близок к протопланетному облаку, обладает огромным магнитным полем.

Его магнитосфера простирается на расстояние 650 миллионов км (дальше орбиты Сатурна!). «Галилео» обнаружил, что окружающая среда около Юпитера содержит высоко энергичные частицы, пойманные магнитным  полем. Головная ударная волна солнечного ветра на дневной стороне находится на расстоянии 100 радиусов Юпитера или 0,05 а.е. [19, с.48].

Внутреннее строение Юпитера до конца неизвестно. Скорее всего в центре Юпитера находится твердое ядро, которое состоит из оксидов кремния магния и железа с примесями. Диаметр внутреннего ядра – около 25 000 км, температура в его центре составляет 23 000 К. Такая температура объясняется медленным гравитационным сжатием планеты [3, с.92].

Межпланетная автоматическая станция «Вояджер» в 1979 г. открыла у Юпитера кольцо. Внешний край кольца находится у орбиты 14-го спутника, а внутренний – на расстоянии 5500 км от видимой  границы облаков. Ширина наиболее яркой части кольца достигает 800 км. Толщина до 1 км. Кольцо Юпитера состоит из очень маленьких частиц, меньше чем 10 микронов в диаметре. Происхождение кольца связано с бомбардировкой микрометеоритами маленьких спутников Юпитера, расположенных внутри кольца. Эти предположения подтвердили исследования «Галилео».  Наибольший вклад в формирование кольца вносит спутник Амальтея. Возможно, что оно постоянно пополняется за счёт частиц космической пыли.

Самые большие четыре спутника Юпитера были открыты Галилео Галилеем в 1610 г. Сейчас известно уже около 60 спутников, четыре галлиевых спутника Юпитера были исследованы межпланетной автоматической станцией «Галилео» в 1996-2000 гг. Несмотря на то, что Ио, Европа, Ганимед и Каллисто расположены недалеко друг от друга и входят в одну планетную мини систему, они очень сильно отличаются по внешнему виду и по физическим условиям на поверхности [19, с.49].

 

3.2 Основные характеристики  Сатурна

Сатурн относится к планетам-гигантам и по своему строению очень похож на Юпитер. Он имеет самую низкую плотность из всех планет Солнечной системы (0,7 г/см3). Сатурн вращается очень быстро больше 10 часов и поэтому заметно сплюснут [19, с.53].

Внутреннее строение Сатурна почти не отличается от такового на Юпитере. В центре Сатурна находится огромное силикатно-металлическое ядро, радиус которого составляет около 0,25 радиуса планеты. Ядро Сатурна окружено водородом, который находится в так называемом металлическом состоянии (в жидком агрегатном состоянии, но с металлическими свойствами). Над металлическим водородом, ближе к поверхности, находится слой жидкого молекулярного водорода, переходящего в газовую фазу, примыкающую к атмосфере. Состав атмосферы таков: водород (94%), гелий (3%), метан (0,4%), в незначительном количестве присутствуют аммиак и этан. Считается, что в целом Сатурн почти на 90% состоит из водорода и гелия с огромным преобладанием первого [15].

Облака на Сатурне менее заметны, чем на Юпитере. Иногда заметны крупномасштабные возмущения. Так в 1994 г. наблюдалось большое белое пятно в экваториальной области. Межпланетная космическая станция «Вояджер-1» обнаружила облака различных типов и Большое коричневое пятно размерами с Землю. Температура в верхней части облаков от – 178°С до – 173°С.

Атмосферные массы в циклонических областях и антициклональных движутся на встречу друг другу со скоростями выше 100 м/с, соприкасаясь образуют вихри и бури. Наибольшую скорость струйные течения воздушных масс имеют на экваторе – 500 м/с.

Ось магнитного поля почти полностью совпадает с осью вращения планеты. Напряжённость магнитного поля на экваторе равна 0,7 земного.  Но внутреннее магнитное поле гораздо сильнее из-за больших размеров планеты.

Сатурн имеет внутренние источники энергии и излучает в 2,5 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Внутреннее строение Сатурна примерно такое же, как и у Юпитера. В недрах Сатурна температура достаточно высока и равна 12000 К. Разогрев происходит благодаря механизму Кельвина-Гельмгольца, как и у Юпитера. Однако же это не может объяснить все источники тепла Сатурна [19, с.53].

В атмосфере Сатурна наблюдаются активные процессы. В ноябре 2006 г. космический аппарат «Кассини» получил фотографию гигантского урагана на южном полюсе планеты. Ураган охватывает область диаметром 8000 километров и имеет хорошо развитый глаз. Особенностью урагана является его неподвижность, т. е. он привязан  к полюсу и не дрейфует

У Сатурна обнаружено около 30 спутников. Самым загадочным объектом системы Сатурна является спутник Титан (радиус 2575 км). На нем обнаружена атмосмосфера, на 60 % более густая, чем на Земле.

Сатурн имеет множество колец. Кольца Сатурна лежат точно в экваториальной плоскости планеты. Внутренне кольцо С имеет размеры 17 000 км, среднее самое яркое В – 28000 км и внешнее А - 17000 км. Кольца А и В разделены щелью Кассини. Большие кольца состоят из множества маленьких колечек, которые в свою очередь распадаются на отдельные частицы[8, с.54].

В результате теоретических исследований английского физика Дж. Максвелла было доказано, что это не сплошные твердые или жидкие образования вокруг планеты, а совокупность отдельных небольших тел или частиц. Иначе они бы были разрушены гравитационными возмущениями, поскольку сплошное образование противоречит условию устойчивости кольца на относительно небольшом расстоянии от планеты. Этот вывод был экспериментально подтвержден русским астрономом А.А Белопольским [10, с.166] (Приложение К).

 

3.3 Основные характеристики Урана

Среднее расстояние Урана от Солнца равно 19,2 а. е. Сидерический орбитальный период (период обращения вокруг Солнца) равен 84 года. Длина дня на Уране – 17 часов 14 мин. Диаметр Урана – 51100 км. По массе Уран больше Земли в 14,5 раз. Достаточно высокая плотность Урана свидетельствует о значительном каменном ядре внутри планеты.

Уран вращается вокруг оси, наклоненной под углом 98° к орбитальной плоскости. Ось практически лежит в плоскости орбиты. Это приводит к удивительным сезонным явлениям. Например, летом Солнце висит почти в зените на протяжении многих лет, а зимой скрывается под горизонтом, и наступает «полярная ночь», которая продолжается десятилетия. Такой неравномерный нагрев атмосферы приводит к странным изменениям погоды (Приложение Л).

Полюса Урана имеют полярную зиму и полярный день продолжительностью примерно по 42 года. Экваториальные области проходят два теплых сезона, вблизи равноденствий, и дна холодных, вблизи солнцестояний, за год.

Атмосфера Урана состоит из молекулярного водорода (84 %), гелия (14 %), метана (2 %), малого количества ацетилена и других гидрокарбонатов. Альбедо атмосферы высокое, в спектре видны полосы поглощения метана. При визуальном наблюдении планета кажется зеленоватой. Метан в верхней атмосфере поглощает красный свет, поэтому Уран имеет сине-зеленый цвет. Видны спектральные линии водорода, аммиак пока не обнаружен. Температура облаков в области, где давление равно 1 атм. около – 193°С.

Отсутствие аммиака у Урана и Нептуна объясняется тем, что этот газ замерзает в кристаллы льда при температуре около 70 К. Верхние слои атмосфер Юпитера и Сатурна нагреты выше этой температуры и аммиак может существовать в газообразном состоянии. У Урана и Нептуна атмосфера холоднее [19, с.56].

Атмосфера Урана необычно спокойная. Такое спокойствие в атмосфере может быть объяснено чрезвычайно малым внутренним теплом. Самая низкая температура, зарегистрированная в тропопаузе Урана, составляет 49 К ( –224 °C), что делает планету самой холодной среди планет Солнечной системы [18].

У Урана слабое магнитное поле. Магнитосфера очень сложна. Напряжённость 0,23 Э. Ось магнитного диполя смещена почти на 8000 км от центра планеты к северному полюсу и наклонена к оси вращения на 60°. Полярность магнитного диполя должна дважды меняться за один оборот планеты вокруг оси. Магнитный хвост скручен вращением Урана в длинный штопор позади планеты.

Ядра Урана и Нептуна каменные, но давления недостаточно, чтобы образовался металлический водород, как у Юпитера и Сатурна. Поэтому вполне вероятно, что ядра окружают слои жидких газов. Может быть, в этих областях присутствует жидкий аммиак, который выведен из атмосферы по указанным выше причинам. В таком случае, ядро Урана и Нептуна было бы окружено толстым проводящим электричество слоем, который может генерировать магнитное поле [19, с.56].

В 1977г. у этой планеты была обнаружена система колец, хотя и менее плотных, чем кольца Сатурна. Четыре из пяти колец имеют ширину около 14 км, а пятое 50-100 км. Кольца Урана расположены на расстояниях от 18 000 до 25 000 км от поверхности планеты [8, с.334].

Уран имеет 24 спутника, самые большие из них Титания и Оберон. Спутники движутся в прямом направлении, их орбиты лежат почти в одной плоскости, наклонённой к плоскости орбиты Урана на 98° [19, с.58].

 

 

 

3.4 Основные характеристики Нептуна

Нептун имеет экваториальный диаметр 49500 км, обращается вокруг Солнца с периодом 164,8 года. Сутки на планете равны 16 часов и 6,7 минут. Планета удалена от Солнца на расстояние 30,1 а. е. По массе Нептун больше Земли в 17,5 раз.

Достаточно высокая плотность Нептуна свидетельствует о значительном каменном ядре. Облака Нептуна более разнообразны и активны, чем у Урана.

Средний период вращения атмосферы Нептуна 17,3 часа. Магнитное поле и ядро Нептуна вращаются с периодом 16,1 часа. Это значит, что атмосфера вращается медленнее ядра. Такое явление наблюдается только на Нептуне.

Атмосфера состоит из молекулярного водорода (84 %), гелия (14%) и метана (3 %). Облака Нептуна выражены более отчетливо, чем у Урана из-за более высокой температуры планеты.

На Нептуне наблюдаются гигантские ураганы. Это динамическая планета с несколькими большими, темными пятнами. Самый большой такой ураган, известный как Большое Темное Пятно, был обнаружен «Вояджерами» в 1989 г. Это пятно по размерам сравнимо с Землей, находится у экватора планеты и похоже на Красное пятно Юпитера. Потоки вокруг этого и других темных пятен приводят к выносу вещества на большие высоты, где метан кристаллизуется и формирует высокие cirrus-подобные облака, высота которых от 50 до 100 км над основным облачным слоем. Рядом располагается антициклон меньшей мощности – «Тёмное Пятно-2». Космический аппарат «Вояджер» нашел маленькое, неправильной и непостоянной формы облако, перемещающееся в восточном направлении. Облако делает оборот вокруг Нептуна каждые 16 часов (Приложение М) [19, с.58].