§ 14. Планеты гиганты

1. Юпитер. Юпитер — самая большая из планет-гигантов (рис. 63). Его масса намного превышает массу всех других планет, вместе взятых. Юпитер представляет собой газообразное тело с чрезвычайно мощной атмосферой, состоящей главным образом из водорода и гелия, что характерно и для других планет этой группы. По средней плотности, преобладанию водорода и гелия Юпитер похож на звёзды. В отличие от планет земной группы у гигантов нет твёрдой поверхности. То, что мы наблюдаем, — это вершины облаков, плавающих в атмосфере. Из-за быстрого вращения планет-гигантов и сильных ветров облака вытягиваются в полосы, параллельные экватору. Окраску облакам придают примеси аммиачных образований, метан и другие сложные соединения.

Рисунок 63 — Юпитер. Фотография получена космическим аппаратом «Кассини». Тёмное пятно — тень спутника Ио

Светлые и тёмные полосы атмосферы Юпитера объясняются различными зонами давления. Светлые зоны — это области высокого давления, а тёмные — низкого. Тёплые газы поднимаются вверх в области зон и остывают, достигнув верхней границы облаков. Охлаждаясь, они падают в соседние полосы, где давление низкое.

Рисунок 64 — Большое Красное Пятно на Юпитере. Спутник Ио с тенью в области пятна

В экваториальной зоне (от +9 до -9°) газовые течения направлены строго с запада на восток. Скорость движения газовых масс достигает 180 м/с (по исследованиям межпланетной космической станции «Галилео»). Вблизи широт от +20 до -20° вещество движется в противоположную сторону, с востока на запад, со скоростью около 50 м/с. Между основными течениями существуют вихри и струи.

Для Юпитера, как и для всех планет-гигантов, характерны светлые и тёмные овальные пятна. Наиболее примечательное из них — Большое Красное Пятно (рис. 64), наблюдающееся в течение трёх веков. Это огромный и очень устойчивый вихрь, похожий на земной ураган.

В полярных облаках Юпитера наблюдается явление, подобное земному северному сиянию (рис. 65).

Представления о внутреннем строении планет-гигантов получены на основе наблюдений и теоретических моделей, основанных на свойствах водорода.

Рисунок 65 — Полярные сияния на Юпитере.

На дне уплотняющейся вглубь на 1500 км атмосферы Юпитера находится слой жидкого водорода. Затем атмосфера переходит в особое газожидкое состояние.

На уровне примерно 0,77 радиуса планеты начинается оболочка, где водород приобретает свойства металла. Здесь он сжимается так сильно (4 • 1012 Па), что электроны покидают свои атомы и свободно перемещаются. Это приводит к появлению магнитного поля Юпитера, напряжённость которого на границе облачного слоя в 12 раз выше, чем у земного магнитного поля.

Рисунок 66 — Схема колец Юпитера.

В центре Юпитера находится твёрдое ядро, состоящее из оксидов кремния, магния и железа с примесями. Диаметр внутреннего ядра — около 25 тыс. км, температура в его центре составляет 23 000 К. Такая высокая температура объясняется медленным гравитационным сжатием планеты.

В 1979 г. космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» обнаружили у Юпитера кольца (рис. 66). Они состоят из очень мелких пылинок (0,2—200 мкм). Эти пылинки постепенно падают в атмосферу Юпитера, а их место занимают другие, которые образуются при столкновении малых спутников, особенно Амальтеи, с метеоритными телами.

Параметры Юпитера смотрите в таблице 6.

Таблица 6 — Параметры Юпитера

Рисунок 67 — Сатурн. Фотография сделана космическим телескопом Хаббла

2. Сатурн. Сатурн — это вторая по величине планета-гигант, окружённая красивыми кольцами (рис. 67). Диск планеты заметно сплюснут у полюсов. Это вызвано тем, что у Сатурна самая низкая плотность из всех планет Солнечной системы.

Рисунок 68 — Структура колец Сатурна (цвета ненатуральные — они подчёркивают различие минералогического состава колец)

Кольца Сатурна (рис. 68) заметил ещё Галилео Галилей: в 1610 г. он обнаружил по обе стороны диска непонятные придатки. Но только Христиан Гюйгенс в 1656 г. различил тонкое плоское кольцо, не соприкасающееся с планетой. С Земли в телескоп можно увидеть несколько колец, отделённых друг от друга тёмными промежутками.

На основе спектральных исследований в 1895 г. русский учёный А. А. Белопольский установил, что кольца не монолитные, а состоят из отдельных мелких тел. Снимки, полученные космическим аппаратом «Вояджер-2», показали, что систему колец образуют тысячи тонких колец. Каждое из них состоит из бесчисленного множества обломков льда размером от мельчайших пылинок до нескольких метров. Толщина колец не превышает 2 км, а толщина отдельного кольца — не больше 30 м.

Плоскость колец расположена в плоскости экватора Сатурна, которая имеет наклон 26°45′ к плоскости орбиты. При движении Сатурна по орбите кольца, сохраняя положение в пространстве, дважды за одно обращение планеты вокруг Солнца оказываются повёрнутыми к Земле своим ребром. А так как толщина их мала, то в небольшие телескопы они в это время не видны. Диаметр по наружному краю кольца составляет 272 тыс. км, а по внутреннему — 144 тыс. км. Суммарная масса колец составляет около 3•10-8 массы Сатурна.

Напряжённость магнитного поля Сатурна близка к земной.

Параметры Сатурна смотрите в таблице 7.

Таблица 6 — Параметры Сатурна

Рисунок 69 — Уран. Фотография

3. Уран. Уран — третья по величине планета-гигант. Планета очень красивого зеленовато-голубоватого цвета (рис. 69). Причина этого кроется в составе атмосферы планеты и её температуре. При температуре –217 °С в верхних слоях водородногелиевой атмосферы Урана образовалась метановая дымка. Метан хорошо поглощает красные лучи и отражает голубые и зелёные. Поэтому планета и приобрела красивый бирюзовый цвет. В атмосфере Урана
не наблюдается никаких заметных возмущений.

В 1977 г. были открыты кольца Урана. Снимки, сделанные «Вояджером-2» в 1986 г., подтвердили их существование. Уран окружён одиннадцатью узкими кольцами, располагающимися в плоскости экватора на
расстоянии от 42 до 51,4 тыс. км (или 1,65—2,02 радиуса) от центра планеты.

Типичная ширина колец от 1 до 8 км, только у самого большого она меняется от 22 до 93 км. Толщина колец не превышает 1 км. Кольца Урана состоят из мелкой пыли и небольших твёрдых тёмных частиц.

Магнитное поле Урана имеет одну интересную особенность. Ось вращения планеты почти лежит в плоскости орбиты, и линии магнитного поля скручены вращением Урана в длинный штопор позади планеты.

Напряжённость магнитного поля приблизительно равна земной.

Параметры Урана смотрите в таблице 8.

Таблица 8 — Параметры Урана

Рисунок 70 — Нептун. Большое Тёмное Пятно. Фотография сделана космическим аппаратом «Вояджер-2»

4. Нептун. Нептун — самый маленький гигант. Находится почти на краю Солнечной системы и получает очень мало солнечной энергии. Но, несмотря на это, планета очень активна. На фотографиях Нептуна хорошо видны облака, появляющиеся и исчезающие в атмосфере планеты. Примечательной деталью Нептуна является и Большое Тёмное Пятно (рис. 70), схожее по структуре с Большим Красным Пятном Юпитера.

Скорость ветра в атмосфере Нептуна достигает рекордного значения — 600 м/с. Предположение о существовании колец у Нептуна было выдвинуто в 1984 г. на основе наблюдений по покрытию звёзд планетой. Три замкнутых и одно незамкнутое кольцо видны на снимках, полученных космическим кораблём «Вояджер-2» в 1989 г. Располагаются кольца на расстоянии от 1,7 до 2,5 радиуса планеты. Ширина колец — 1700, 15, 5000 и 50 км соответственно.

Они состоят из мелких силикатных пылинок, отражающих 6 % солнечного света.

Напряжённость магнитного поля у Нептуна в 3 раза меньше, чем у Земли.

Параметры Нептуна смотрите в таблице 9.

Таблица 9 — Параметры Нептуна

Главные выводы
1. В отличие от планет земной группы планеты-гиганты представляют собой крупные массивные газообразные тела с малой плотностью, удалённые от Солнца на значительное расстояние (от 5 до 30 а. е.).
2. Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей.
3. Все планеты-гиганты имеют кольца.
4. Основными компонентами атмосфер этих планет являются водород и гелий.

Контрольные вопросы и задания
1. Укажите на отличие основных физических характеристик планет-гигантов от планет земной группы.
2. Какова особенность вращения планет-гигантов вокруг оси?
3. Расскажите об особенностях строения планет-гигантов.
4. Что представляют собой кольца планет?
5. Почему иногда даже в крупные телескопы не видны кольца Сатурна?

Выбор тем