Частина V

ФІЗИЧНА ПРИРОДА ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

Розділ 12

ПЛАНЕТИ ТА ЇХНІ СУПУТНИКИ

12.2. Загальні характеристики планет

12.2.5. Юпітер. Галілейові супутники

Найбільша планета сонячної системи — Юпітер (рис. 12.14). За масою Юпітер усього лише в 1048 разів менший Сонця, але він у 2,5 рази перевищує масу всіх інших планет разом узятих, зокрема він у в 318 раз масивніший за Землю. Доба на екваторі Юпітера триває усього близько 10 годин, тобто Юпітер обертається навколо своєї осі з кутовою швидкістю у 2,5 рази більшою, ніж Земля. Унаслідок великої відцентрової сили полярний радіус планети майже на 2500 км менший від екваторіального.

Рис. 12.14. Юпітер

Як і всі планети-гіганти, Юпітер за своєю структурою відрізняється від планет земної групи. Основні складові Юпітера — водень і гелій. Як випливає з результатів космічної місії Галілео (1995 р.), масова частка першого з них у приповерхневих шарах планети — 75%, а другого — близько 24%. Інші складові — це такі сполуки як метан, аміак, водяна пара.

Порівняно невелике ядро Юпітера, радіус якого 10 000 км, вміщує всього 4% від загальної маси планети. Воно складається з тугоплавких елементів (залізо, нікель, силікати), має температуру 25 000 К і знаходиться під тиском 70 млн. атм. Ядро оточено шаром, в якому водень перебуває у металевому стані. Температура цього шару складає 10 000 К, а тиск у ньому досягає декількох мільйонів атмосфер. Саме за таких умов водень за своїми властивостями скоріше нагадує метал, ніж газ. Межа ядра Юпітера знаходиться на відстані 0,14R_Ю від центра, а шар металевого водню простягається до O,8R_Ю. Ближче до поверхні тиск і температура менше, тому водень і гелій тут знаходяться у молекулярній формі. Там при температурі близько 2300 К речовина без чіткої межі переходить у газорідкий стан. Ще вище знаходиться газова юпітеріанська атмосфера, яка має товщину близько 7000 км. Хмари у її зовнішній частині складаються з кристалів замерзлого аміаку. Температура тут близька до 125 К.

Навіть у невеликий телескоп можна розгледіти темні і світлі смуги на диску Юпітера, які простягаються паралельно до екватора планети. Смуги

— результат спільної дії могутньої конвекції в його атмосфері і швидкого обертання. У межах темних смуг атмосферний газ опускається всередину, а світлі смуги — зони підйому гарячого газу до поверхні і його наступного охолодження. Конвекція і великий перепад температури породжують сильні вітри в атмосфері Юпітера, швидкість яких перевищує 600 км/год., а на більших висотах — 3500 км/год.

Один із визначних об'єктів Юпітера — Велика червона пляма (рис. 12.14), яку видно в південній півкулі планети на широті 20° (була виявлена у 1665 р. P. Гуком і Д. Кассіні). У минулому розміри плями були удвічі більші від теперішніх, хоча й зараз вони вражають своєю масштабністю. Пляма має еліптичну форму і розміри 12000x25000 км (це перевищує розміри Землі!). Помічено, що середнє положення плями зсувається на декілька градусів то в один, то в інший бік. Речовина у плямі рухається проти годинникової стрілки, здійснюючи повний оберт за шість земних діб.

Ще недавно висловлювали припущення, нібито Велика Червона Пляма — це велетенський острів з гелієвого льоду, який плаває у водневому океані. Згодом — що це потужний діючий вулкан. Зараз найімовірнішою вважають гіпотезу, за якою пляма є великим атмосферним вихором, не пов'язаним з поверхнею планети. За підрахунками, час життя таких вихорів в атмосфері Юпітера може вимірюватися тисячоліттями.

Юпітер має потужне магнітне поле, напруженість якого в 14 разів більша, ніж у Землі на рівні її поверхні і в 20 000 більша, ніж на рівні стратосфери. Вісь магнітного поля Юпітера нахилена до осі його добового обертання під кутом 10°. Планета оточена іоносферою і протяжною магнітосферою. З денного боку межа її знаходиться на відстані до 100 радіусів планети, з нічного боку її «хвіст» простягається на сотні мільйонів кілометрів аж за орбіту Сатурна. У ній є декілька радіаційних поясів, причому найпотужніший розташований у зоні від 1,5 до 6,0 радіусів планети. Загалом інтенсивність радіаційних поясів Юпітера в 40 тис. разів більша, ніж земних. Тут генерується потужне радіовипромінювання, виявлене у 1955 р.

У розрахунку на одиницю площі Юпітер отримує від Сонця у 27 разів менше тепла, ніж Земля. Його верхні шари, відбиваючи 50% сонячної енергії, повинні б мати температуру близько 110 К. Насправді температура поблизу видимого хмарового шару планети дорівнює 125 К. Це значить, що Юпітер має додаткове джерело енергії, яким є його гарячі надра.

Потужне випромінювання Юпітера на довжинах хвиль 10,3 см, 21 см, 31 см і 68 см, якщо інтерпретувати його за формулою Релея-Джінса (8.3), відповідає температурам 870 К, 3000 К, 5500 К і 50 000 К. Очевидно, тут уже мова йде про нетеплове (синхротронне) радіовипромінювання планети, яке генерується в її потужних радіаційних поясах.

Сьогодні у Юпітера відомо понад 60 природних супутників, чотири з них найбільші — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто були відкриті Галілеєм у 1610 році, тому вони називаються галілейоеими. їхні середні візуальні зоряні величини дорівнюють 4,8^m; 5,2^m; 4,5^m і 5,5^m, тому їх добре видно в бінокль, або невеликий телескоп. Сидеричні періоди обертання цих супутників навколо Юпітера становлять відповідно 1,77 д., 3,55 д., 7,16 д. і 16,69 доби.

У 1979 р. поблизу Юпітера пройшли автоматичні міжпланетні станції Вояджер-1 і Вояджер-2 (США). Були отримані унікальні зображення планети та її супутників з близьких відстаней, які дозволили дізнатися багато нового про цю систему. Зокрема, встановлено наявність кілець, які складаються з дрібних пилових часток, що рухаються по колових орбітах навколо Юпітера. Варте уваги: існування кільцевої структури навколо Юпітера передбачив задовго до її відкриття київський астроном Сергій Костянтинович Всехсвятський (1905—1984).

Найближчий до Юпітера галілейовий супутник — Іо (рис. 12.15, а), за своїми розмірами дещо перевершує Місяць. Його середня густина 3,57 г/см³. Він має досить велике ядро, яке складається переважно з заліза, розплавлену мантію і кору з гірських порід.

Поверхня Іо суцільно вкрита вулканами (рис. 12.15, а), близько трьохсот із них — активні. Вулканічна активність стимулюється сильним припливним гравітаційним збуренням з боку Юпітера. До складу речовини, яка безперервно викидається вулканами на поверхню, входять сірчані сполуки, які при охолодженні надають поверхні різноманітного забарвлення. Космічний апарат Галілео визначив наявність у цього супутника дуже розрідженої атмосфери. В основному вона складається з кисню, сірки та оксиду сірки.

Другий з галілейових супутників — Європа — за своїми розмірами незначно поступається перед Місяцем. Середня густина дещо менша, ніж в Іо, і становить 2,97 г/см³. Європа має гладку крижану поверхню (рис. 12.15, а). Вважається досить імовірним, що глибоко під крижаним покривом Європи є великий океан рідкої води, який охоплює силікатну мантію, а ще глибше під мантією є ядро, до складу якого входить переважно залізо. Як і Іо, Європа теж має розріджену газову оболонку. Її існування було встановлено у 1995 році. Складається вона переважно з молекулярного кисню, сірки та оксиду сірки.

Рис. 12.15. Галілейові супутники (зліва направо) — Іо, Європа, Ганімед, Каллісто

.

Найбільший з галілейових супутників — Ганімед (рис. 12.15, в) є також найбільшим супутником у Сонячній системі. Своїми розмірами він перевершує навіть планету Меркурій. Середня густина Ганімеда 1,94 г/см³. Він має багате залізом ядро, потужну мантію і крижану кору. Мантія поділяється на дві частини — внутрішню, яка складається з молекулярних сполук кремнію та інших елементів, і зовнішню. Остання являє собою колосальний резервуар води (рідкої чи у виді льоду). Вода і сполуки кремнію складають половину всієї маси Ганімеда.

Каллісто — четвертий і найдальший від Юпітера галілейовий супутник (рис. 12.15, г). Його радіус рівний радіусу Меркурія, а його середня густина — 1,86 г/см³. Поверхня Каллісто вкрита кратерами, слідів вулканічної активності не виявлено. Як вважають, під льодовою корою є шар рідкої води.

При проведенні навчальних спостережень галілейових супутників Юпітера слід приймати до уваги, що їхні синодичні (спостережувані з рухомої Землі) періоди обертання дорівнюють відповідно 1 добі 18,5 год., 3 доби 13,3 год., 7 діб 4,0 год. і 16 діб 18 год. Спостерігаючи Юпітер упродовж декількох годин, можна побачити, як супутник ховається за диском планети чи входить в її тінь (тоді відбувається затемнення супутника), або ж проходить на фоні диска планети. Ці типові положення галілейових супутників на кожен день місяця публікують в «Астрономічному календарі».

Інші супутники Юпітера малі: три від 270 км до 110 км, решта — кілометри і десятки кілометрів у поперечнику.