Планета Юпитер

Юпі́тер -- п'ята й найбільша планета Сонячної системи. Відстань Юпітера від Сонця змінюється в межах від 4,95 до 5,45 а. о. (740-814 млн км), середня відстань 5,203 а. о. (778 млн км). Разом із Сатурном, Ураном і Нептуном Юпітер класифікують як газового гіганта.

 

Юпітер більш ніж удвічі масивніший за всі інші планети разом узяті; він майже в 318 разів масивніший за Землю. Однак маса Юпітера недостатня, аби перетворитися на зорю, подібну до Сонця: Для цього його маса мала б бути ще в 70--80 разів більшою. Однак у надрах Юпітера відбуваються процеси з досить потужною енергетикою: теплове випромінювання планети, еквівалентне 4·1017 Вт, що приблизно вдвічі перевищує енергію, яку ця планета отримує від Сонця. Вірогідним джерелом такої енергії є гравітаційне стиснення.

 

Планета була відома людям з глибокої давнини, що знайшло своє відображення в міфології і релігійних віруваннях різних культур: месопотамської, вавилонської, грецької та інших. Сучасна назва Юпітера походить від імені давньоримського верховного бога-громовержця.

 

Низка атмосферних явищ на Юпітері -- такі як шторми, блискавки, полярні сяйва, -- мають масштаби, що на порядки перевершують земні. Примітним утворенням в атмосфері є Велика червона пляма -- велетенський шторм, відомий ще з XVII століття. Хімічний склад Юпітера подібний до сонячного.

 

Юпітер має понад 67 супутників, найбільші з яких -- Іо, Європа, Ганімед і Каллісто -- було відкрито 1610 року. Дослідження Юпітера здійснюють за допомогою наземних і орбітальних телескопів, з 1970-х років до планети було відправлено 8 міжпланетних апаратів НАСА: «Піонери», «Вояджери», «Галілео» та ін.

 

Зміст

 

    1 Спостереження та їх особливості

        1.1 Гамма-діапазон

        1.2 Радіоспостереження

        1.3 Обчислення гравітаційного потенціалу

    2 Юпітер серед планет Сонячної системи

        2.1 Маса

    3 Атмосфера

    4 Велика Червона Пляма

    5 Кільця

    6 Магнітне поле

    7 Внутрішня будова

    8 Супутники

    9 Юпітер у культурі

        9.1 У художній літературі

    10 Див. також

    11 Джерела

 

Спостереження та їх особливості

 

Відстань між Юпітером і Землею коливається від 588 до 967 млн км (видимі кутові розміри Юпітера при цьому змінюються від 50,1″ до 29,8″). Видима зоряна величина змінюється від −2,94m до −1,6m. Під час великих протистоянь (одне з яких відбувалося у вересні 2010) Юпітер видно неозброєним оком як один з найяскравіших об'єктів на нічному небі (після Місяця й Венери). Диск і супутники Юпітера -- популярні об'єкти для спостереження астрономів-аматорів, які зробили низку відкриттів (наприклад, комети Шумейкера-Леві, одна з яких зіткнулася з Юпітером 1994 року, чи зникнення Південного екваторіального поясу Юпітера 2010).

 

В інфрачервоній ділянці спектра лежать лінії молекул H2 і He, а також лінії багатьох інших елементів[3]. Кількість перших двох несе інформацію про походження планети, а кількісний та якісний склад інших -- про її внутрішнню еволюцію.

 

Однак молекули водню й гелію не мають дипольного моменту, отже, абсорбційні лінії цих елементів непомітні доти, доки не починається їх іонізація. Крім того ці лінії утворюються в найвищих шарах атмосфери і не несуть інформацію про глибші шари. Тому більш надійні дані про кількість гелію й водню на Юпітері отримано зі спускового апарата «Галілео»[3].

 

Поки що не можна з упевненістю сказати, які процеси відбуваються в атмосфері Юпітера й наскільки сильно вони впливають на хімічний склад -- як у внутрішніх областях, так і в зовнішніх шарах. Це створює певні труднощі детальної інтерпретації спектра. Проте вважається, що всі процеси, здатні так чи інакше впливати на велику кількість елементів, є локальним й досить обмеженими, отже, вони не здатні глобально змінити розподіл речовини[4].

 

Також Юпітер випромінює (здебільшого в інфрачервоній ділянці спектра) на 60% більше енергії, ніж отримує від Сонця[5][6]. Енергія виділяється за рахунок гравітаційного стиснення планети, внаслідок чого розмір Юпітера зменшується приблизно на 2 см за рік[7].

Гамма-діапазон

Випромінювання Юпітера в гамма-діапазоні за даними «Чандра».

 

Випромінювання Юпітера в гамма-діапазоні пов'язано з полярними сяйвами, а також із випромінюванням диска[8]. Вперше зареєстровано у 1979 році космічною обсерваторією імені Ейнштейна(англ.)укр.. На Землі ділянки полярних сяйв у рентгенівському та ультрафіолетовому діапазоні практично збігаються, проте на Юпітері це не так. Ділянка рентгенівських полярних сяйв розташована набагато ближче до полюса, ніж ультрафіолетових. Ранні спостереження виявили пульсацію випромінювання з періодом у 40 хвилин, однак у пізніших спостереженнях ця залежність проявляється набагато гірше.

 

Очікувалося, що рентгенівський спектр авроральних сяйв на Юпітері схожий на рентгенівський спектр комет, проте, як показали спостереження Чандра, це не так. Спектр складається з емісійних ліній з піками поблизу 650 еВ (кисневі лінії), 653 еВ та 774 еВ (лінії OVIII ), а також 561 еВ і 666 еВ ( OVII). Існують також лінії випромінювання нижчих енергій у спектральній ділянці від 250 до 350 еВ. Можливо, вони належать сірці або вуглецю[9].

 

Гамма-випромінювання, не пов'язане з полярним сяйвом, вперше було виявлено при спостереженнях на ROSAT 1997 року. Спектр схожий зі спектром полярних сяйв, однак в районі 0,7-0,8 кеВ[8]. Особливості спектра добре описуються моделлю корональної плазми з температурою 0,4-0,5 кеВ із сонячною металічністю, з додаванням емісійних ліній Mg10+ та Si12+. Існування останніх, можливо, пов'язано з сонячною активністю в жовтні-листопаді 2003 року[8].

 

Спостереження космічної обсерваторії XMM-Newton показали, що випромінювання диска в гамма-спектрі -- це відбите сонячне рентгенівське випромінювання[Джерело?]. На відміну від полярних сяйв, ніякої періодичності змін інтенсивності випромінювання на масштабах від 10 до 100 хв виявлено не було.

Радіоспостереження

Радіозображення Юпітера: яскраві (білі) ділянки -- радіовипромінювання радіаційних поясів.

 

Юпітер -- найпотужніше (після Сонця) радіоджерело Сонячної системи в дециметровому -- метровому діапазонах довжин хвиль. Радіовипромінювання має спорадичний характер і в максимумі сплеску досягає 106 янських[10].

 

Сплески відбуваються в діапазоні частот від 5 до 43 МГц (найчастіше -- поблизу 18 МГц), в середньому їх ширина становить приблизно 1 МГц. Тривалість сплеску невелика: від 0,1-1 с (іноді -- до 15 с). Випромінювання дуже поляризоване, особливо по колу, ступінь поляризації сягає 100%. Спостерігається модуляція випромінювання близьким супутником Юпітера Іо, що обертається всередині магнітосфери: ймовірність сплеску більша, коли Іо перебуває поблизу елонгації щодо Юпітера. Монохроматичний характер випромінювання свідчить про виділену частоту, швидше за все -- гірочастоту. Висока яскравісна температура (іноді сягає 1015K) потребує залучення ефектів типу мазерів[10].

 

Радіовипромінювання Юпітера в міліметровому -- короткосантиметровому діапазонах має суто тепловий характер, хоча відповідна температура дещо вища рівноважної, що означає потік тепла з надр. Починаючи з хвиль ~9 см яскравісна температура (Tb) зростає -- з'являється нетеплова складова, пов'язана з синхротронним випромінюванням релятивістських частинок із середньою енергією ~ 30 МеВ у магнітному полі Юпітера; на хвилі 70 см Tb сягає значення ~ 5×104 K. Джерела випромінювання розташовані по обидва боки планети у вигляді двох протяжних лопатей, що вказує на магнітосферне походження випромінювання[10].

Обчислення гравітаційного потенціалу

 

Зі спостережень руху природних супутників, а також з аналізу траєкторій космічних апаратів можна відновити гравітаційне поле планети. У свою чергу, поле залежить від маси планети, її екваторіального радіуса і моменту інерції. У загальному вигляді гравітаційний потенціал подають у вигляді поліномів Лежандра вищих порядків[11]:

Jn  J2  J4  J6

Значення  1,4697×10−2  −5,84×10−4  0,31×10−4

 

V_{ext}(r, \theta)=- \frac{GM}{r}\left(1-\sum_{i=1}^{\infty}\left(\frac{R_{eq}}{r}\right)^iJ_iP_i(cos\theta) \right)

 

    де:

 

    G -- гравітаційна стала

    M -- маса планети

    r -- відстань від планети

    Req -- екваторіальний радіус

    Pi -- поліном Лежандра i-го порядку

    Ji -- коефіцієнт розкладання i-го порядку.

 

Під час прольотів поблизу Юпітера космічних апаратів Піонер-10, Піонер-11, Вояджер-1, Вояджер-2, Галілео і Кассіні для обчислення гравітаційного потенціалу використовувалися: вимірювання ефекту Доплера апаратів (для відстеження їх швидкості), зображення, що передається апаратами для визначення їх місця розташування щодо Юпітера і його супутників, радіоінтерферометрія з наддовгими базами[12]. Для «Вояджера-1» і «Піонера-11» довелося враховувати і гравітаційний вплив Великої червоної плями[13].

 

Крім того, при обробці даних доводиться постулювати вірність теорії про рух Галлілеєвих супутників навколо центру Юпітера. Для точних обчислень великою проблемою є також облік прискорення, що має негравітаційний характер[13].

 

За характером гравітаційного поля можна робити висновки про внутрішню будову планети[14].

Юпітер серед планет Сонячної системи

Маса

Маса Юпітера в 2,47 рази перевершує масу інших планет Сонячної системи[15].

 

Юпітер -- найбільша планета Сонячної системи, газовий гігант. Його екваторіальний радіус дорівнює 71,4 тис. км[16], що в 11,2 рази перевищує радіус Землі[1].

 

Юпітер -- єдина планета, для якої центр мас із Сонцем перебуває поза межами Сонця (на відстані приблизно 7 % сонячного радіуса).

 

Маса Юпітера в 2,47 рази[17] перевищує сумарну масу всіх інших планет Сонячної системи, разом узятих[18], в 317, 8 разів -- масу Землі[1] і приблизно в 1000 разів менше маси Сонця[16]. Густина (1326 кг/м³) приблизно дорівнює густині Сонця і в 4,16 разів поступається густині Землі (5515 кг/м³)[1]. Сила тяжіння на його поверхні (якою зазвичай вважають верхній шар хмар) більш ніж у 2,4 рази перевершує земну: тіло, яке має масу, наприклад, 100 кг[19], буде важити стільки ж, скільки на поверхні Землі важить тіло масою 240 кг[20]. Це відповідає прискоренню вільного падіння 24,79 м/с² на Юпітері (проти 9,80 м/с² для Землі)[1].

 

Більшість відомих наразі екзопланет можна порівняти з Юпітером за масою й розмірами, тому його маса (MJ) і радіус (RJ) широко застосовуються як одиниці виміру для відповідних характеристик екзопланет[21].

Атмосфера

 

Атмосфера Юпітера воднево-гелієва (співвідношення цих газів за обсягом: 89% водню й 11% гелію). Уся видима поверхня Юпітера -- щільні хмари, розташовані на висоті близько 1000 км над «поверхнею», де газоподібний стан змінюється на рідкий і утворює численні шари жовто-коричневих, червоних і блакитнуватих відтінків. Інфрачервоний радіометр показав, що температура зовнішнього хмарного покриву становить −133°С. Конвективні потоки, що виносять внутрішнє тепло до поверхні, ззовні виявляються у вигляді світлих зон і темних поясів. На ділянках світлих зон відзначається підвищений тиск, що відповідає висхідним потокам. Хмари, що утворюють ці зони, розташовуються на вищому рівні (приблизно 20 км), а їхнє світле забарвлення пояснюється підвищеною концентрацією яскраво-білих кристалів аміаку. Темні хмари, що розташовуються нижче, складаються здебільшого з червоно-коричневих кристалів гідросульфіду амонію і мають вищу температуру. Ці структури являють собою ділянки спадних потоків. Зони і пояси мають різну швидкість руху в напрямку обертання Юпітера. Період обертання коливається від 9 год. 49 хв. на широті 23 градуси до 9 год. 56 хв. на широті 18 градусів північної ширини. Це призводить до існування стійких зональних чи плинних вітрів, що постійно дмуть вздовж екватора в одному напрямку. Швидкість у цій глобальній системі досягає від 50 до 150 м/с. На межах поясів і зон спостерігається сильна турбулентність, що приводить до утворення численних вихрових структур. Найвідомішим таким утворенням є Велика червона пляма, що спостерігається на поверхні Юпітера протягом останніх 300 років.

Велика Червона Пляма.

Велика Червона Пляма

 

Велика Червона Пляма -- овальне утворення зі змінними розмірами, розташоване в південній тропічній зоні. Насправді це довготривалий вільний вихор (антициклон) в атмосфері Юпітера, що робить повний оберт за 6 земних діб і що характеризується, як і світлі зони, що сходять плинами в атмосфері. Хмари в ньому розташовані вище, а температура їх нижча, ніж у сусідніх областях поясів. У наш час[Коли?] «пляма» має розміри 15х30 тис. км, а сто років тому спостерігачі відзначали в 2 рази більші розміри. Іноді вона буває не дуже чітко видимою.

Кільця

 

    Докладніше: Кільця Юпітера

 

Космічний апарат «Вояджер 1» у березні 1979 року вперше сфотографував систему слабких кілець, шириною близько 1000 км і товщиною не більш 30 км, що обертаються навколо Юпітера на відстані 57 000 км від хмарного покриву планети. На відміну від кілець Сатурна, кільця Юпітера темні (альбедо (відбивна здатність) -- 0,05) і, ймовірно, складаються з дуже невеликих твердих часток метеорної природи. Частки кілець Юпітера, швидше за все, не залишаються в них довго (через перешкоди, створювані атмосферою й магнітним полем). Отже, раз кільця непостійні, то вони мають постійно поповнюватися. Невеликі супутники Метис і Адрастея, чиї орбіти лежать у межах кілець, -- очевидні джерела таких поповнень. З Землі кільця Юпітера можуть бути помічені при спостереженні тільки в ІЧ-діапазоні.

Магнітне поле

 

Юпітер має величезне магнітне поле, що складається з двох компонетних полів: дипольного (як поле Землі), що сягає відстані до 1,5 млн км від Юпітера, і недипольного, що займає іншу частину магнітосфери. Напруженість магнітного поля на поверхні планети 10--15 ерстед, тобто в 20 разів більше, ніж на Землі. Магнітосфера Юпітера у напрямку від Сонця сягає на 650 млн км (за орбіту Сатурна!), але в напрямку до Сонця вона майже в 40 разів менша. Магнітне поле захоплює сонячний вітер, утворюючи на відстані 177 000 км від планети радіаційний пояс, приблизно в 10 разів потужніший земного. Він розташований між кільцем Юпітера й найвищими шарами атмосфери.

 

Магнітометричні виміри показали істотні збурення магнітного поля Юпітера поблизу Європи й Каллісто, що не може бути пояснено існуванням у цих супутників внутрішнього ядра з феромагнітної речовини, оскільки в такому разі магнітне поле, спадаючи пропорційно кубу відстані від супутника, було б у вісім разів меншим. Одне з можливих пояснень -- поява в оболонках планет вихрових електричних струмів, магнітне поле яких спотворює поле планети-гіганта. Ці струми можуть поширюватися в провідній рідині, наприклад у воді з солоністю 37,5 ‰ (близько до солоності океанів Землі), що лежить під поверхнею небесного тіла; його існування на Європі вже майже доведено. Вихрові струми, що забезпечують спостережувані варіації магнітного поля, можуть утворюватися в шарі води товщиною трохи більше 10 км.