Рельеф и атмосфера Юпитера.

Самое близкое расстояние от Юпитера до Земли - 630 млн. км. Масса Юпитера более чем в 300 раз больше массы Земли.

Полный оборот Юпитера вокруг оси - 9h55m.

На поверхности видны разноцветные полосы, структура которых постоянно трансформируется, но общий характер сохраняется.

Линейная скорость перемещения поверхностных облачных масс на экваторе - 40 000 км/ч.

Ось магнитного поля Юпитера наклонена на 10 градусов к оси вращения. Магнитное поле вращается равномерно, с периодом 9часов 55 мин. Это указывыает на почти твёрдый характер вращения планеты под слоем облаков.

Сила тяжести на поверхности в 2, 6 раза больше земной.

Средняя плотность Юпитера - 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 её объектом является Большое Красное пятно, открытое в 1665 году Кассини.

Протяжённость пятна от 15 000 до 50 000 км. 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 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.

Юпитер имеет такой большой диаметр, какой только может иметь газовая планета. Если бы ему добавили ещё массу, он бы увеличился ненамного в размерах.

Для того, чтобы стать звездой, Юпитеру понадобилось в 80 раз больше массы, чем он имеет.

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. Вода вымерзла, сохранившись в газообразном состоянии в малых количествах.

Температура в атмосфере с высотой быстро падает. От -113⁰С при давлении 1 атм. до -160⁰С при давлении 0, 03 атм.

Генерация тепла в недрах Юпитера и его собственное тепловое излучение превышает в 2 раза поток энергии, поступающий от Солнца.

На Юпитере отсутствует твёрдая поверхность и какой-то рельеф. Тепло из недр выносится путём вертикальной конвекции, порождающей турбулёнтные вихри.

В экваториальной зоне (от +9⁰ до -9⁰) течения направлены строго с запада на восток. Дуют западные ветры со скоростью 100 м/с. Вблизи широт от +20⁰ до -20⁰ ветры дуют с востока на запад со скоростью около 50 м/с. Между основными течениями существуют вихри и струи.

Исследования «Галилео» показали, что ветры в атмосфере могут значительно превышать 100 м/с и вызываются внутренним источником тепла. Ветры носят более характер реактивных струй, чем вихрей и торнадо.

Большое Красное пятно увлекается на запад вместе с южной тропической зоной. Оно не связано с глубокими слоями планеты. В нём наблюдается подъём вещества из верхних областей и растекание его от центра. Этим объясняется низкая температура пятна и антициклоническое вращение в нём, т.е. против часовой стрелки в южном полушарии с периодом около 7 суток.

Помимо Красного пятна наблюдаются белые овалы, которые представляют собой такие-же возмущения, но появились позже, в 1939 году, и в настоящее время сжимаются.

Облака атмосферы состоят в основном из аммиака. Температура от -100⁰ до

-160⁰С. При давлении 1 атм. аммиак кипит при -33⁰С и плавится при -78⁰С. Метан кипит при -161⁰С и плавится при -184⁰С, поэтому существование его в жидком или кристаллическом виде невозможно.

Атмосфера Юпитера очень глубокая и, возможно, включает целую планету.

На большой глубине внутри Юпитера, давление настолько большое, что атомы водорода разрушаются и электроны освобождаются. Возникающие в результате этого атомы состоят из пустых протонов. Это состояние называется металлическим водородом. Температура в ядре достигает 30 000 К, а давление больше 1 млн. бар. Высокая температура ядра существует благодаря механизму Келвина – Гельмгольца, т.е. из-за медленного гравитационного сжатия планеты.

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.

Облака простираются в интервале высот 12 км. Атмосфера Юпитера окрашена различными цветами. Устойчивые атмосферные составляющие не могут так окрашивать атмосферу, они бы стремились постепенно выравнять окраску. Значит из глубины постоянно поступают окрашенные металлические соединения, которые затем либо оседают, либо подвергаются химическим реакциям в атмосфере. Р. Вилд считает, что окраска Юпитера обусловлена натрием, а Г. Юри связывает окраску облаков с органическими молекулами. К. Саган и С. Миллер, пропуская через смесь газов, моделирующую атмосферу Юпитера, искровые разряды, получили ярко окрашенные органические молекулы. Космические аппараты “Вояджер-1 и 2” зарегистрировали мощные вспышки молний на Юпитере, сравнимые с сильнейшими грозовыми разрядами на Земле. Однако, никакой зависимости между молниями и цветом пока не найдено.

Исследования «Галилео» показали, что молнии на Юпитере вспыхивают в 10 раз реже, чем на Земле. Органических молекул почти не обнаружено. Химический состав Юпитера близок к протопланетному облаку.

Юпитер является полупериодическим радиоисточником. К. Шайн из Австралии открыл, что радиоизлучение Юпитера должно быть связано с определёнными районами поверхности планеты. Источники на поверхности вращаются с периодом 9ч. 55 мин. 30 сек. Энергия всплесков радиоизлучения Юпитера соответствует энергии миллиарда одновременных вспышек молний на Земле.

Радиоизлучение может быть связано с внутренней частью магнитосферы и движением спутника Ио.

Юпитер 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. Эта " радиация" подобна, но намного более интенсивна чем в радиационных поясах Ван Аллена около Земли. Атмосферные исследования Галилео обнаружили новый интенсивный лучевой пояс между кольцом Юпитера и высшими атмосферными слоями. Этот новый пояс - приблизительно в 10 раз более сильный, чем пояса радиации Ван Аллена. В этом новом поясе были найдены высокоэнергичные ионы гелия неизвестного происхождения.

Головная ударная волна солнечного ветра на дневной стороне находится на расстоянии 100 радиусов Юпитера или 0, 05 а.е.

Внутреннее строение Юпитера до конца неизвестно. Скорее всего его недра находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого каменного ядра. Жидкий водород на глубине 25 000 км металлизируется. Выше этой границы расположена зона молекулярного водорода, ниже металлического.

Столкновение с кометой - В 1994 году на Юпитер упали осколки кометы Шумейкера - Леви. Явление наблюдалось с Земли и космическим телескопом им. Хаббла. После падения кометы Шумейкера - Леви, на широте падения осколков образовался широкий пояс, в котором температура на 5 - 7 К ниже чем обычно.

Причины могут быть следующие:

- охлаждение через эффективное инфракрасное излучение молекул аммиака, синильной кислоты, воды и других веществ, выброшенных в атмосферу во время катастрофы.

- обычное термическое охлаждение дыма, образовавшегося в стратосфере

при столкновении и переизлучение им солнечного света обратно в космос.

14.2 Спутники и кольцо Юпитера.

Кольцо. “Вояджер-1” в 1979 году открыл у Юпитера кольцо. Внешний край кольца находится у орбиты самого малого 14 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 сильно отличается от кольца Сатурна. Оно состоит из очень маленьких частиц. Составлено из частиц пыли меньше чем 10 микронов в диаметре.

Происхождение кольца вероятно связано с бомбардировкой микрометеоритами маленьких спутников Юпитера, расположенных внутри кольца.

Возможно, что оно постоянно пополняется за счёт частиц космической пыли.

Кольца Юпитера и его спутники существуют внутри интенсивного лучевого пояса электронов и ионов, которые улавливаются магнитным полем планеты.

Спутники. Первые четыре спутника Юпитера были открыты Галилеем в 1610 году. Сейчас известно уже более 60-ти.

Орбиты шести внутренних спутников почти круговые и располагаются в экваториальной плоскости планеты. Каждая последующая орбита лежит в 1, 7 раза дальше предыдущей. Восемь внешних спутников очень маленькие. Их орбиты образуют две группы по четыре спутника. Первая группа располагается на расстоянии 12 млн. км. от Юпитера, движутся они в прямом направлении. Спутники второй группы находятся вдвое дальше, движение их по орбитам обратное. Это спасает их от притяжения Солнца, которое может действовать на них с силой вдвое большей чем у Юпитера, всследствие большой удалённости спутников (0, 2 а.е.). Орбиты этих спутников сильно вытянуты (е = 0, 4), наклонены к орбите Юпитера под углом 30⁰ и постоянно меняются из-за солнечных возмущений.

Три внутренних спутника Ио, Европа, Ганимед движутся почти в полном резонансе с периодами обращения 1.77, 3.55, 7.16 земных суток, находящимися в соотношении 1: 2: 4. В небесной механике такое расположение считается устойчивым. Все внутренние спутники обращены к Юпитеру одной и той же стороной.

Ио. Радиус 1815 км. Ещё до полётов “Вояджеров” учёные предсказали, что спутник Ио очень сильно нагревается вследствие приливных эффектов. Нагрев Ио должен быть в 20 раз больше чем Европы и превосходить в 10 раз нагрев Луны вследствие распада радиоактивных элементов. Предполагалось, что внутри Ио должна быть большая расплавленная область. Эти предположения сразу же подтвердились. “Вояджер-1” открыл на Ио 8 действующих вулканов. Вулканические выбросы поднимаются на высоту 7- - 280 км. над поверхностью, что требует скорости выброса 1 км/с. Выбросы состоят из двуокиси серы SO₂.

Образование вулканов связано с расплавлением силикатных масс в недрах Ио, содержащих небольшое железное ядро. Это подтверждается средней плотностью Ио - 3, 5 г/см³. Под видимой корой лежит неоднородный подкорковый силикатный слой, который в очень немногих областях малой протяжённости выходит на поверхность в виде гор высотой до 10 км. Под верхним слоем твёрдой серы, смешанной с SO₂ лежит океан расплавленной серы (t = 120⁰С, давление 40 бар). Потоки в расплавленных недрах Ио, так же как и в Земле, создают тепловые очаги, в которых образуются вулканы. Интенсивные красный, оранжевый, жёлтый, коричневый, чёрный и белый цвета на Ио подтверждают эти представления. Ударные кратеры с поперечником более 600 м не обнаружены, значит, скорость отложений на поверхности должна превышать 0, 1 мм/год и определяться выбросами, потоками, поверхностной эррозией, связанной с вулканической активностью.

Возраст свежих разноцветных потоков меньше 1000 лет.

Европа. Радиус 1569 км. Поверхность Европы покрыта лабиринтом запутанных тонких линий и полос, похожих на марсианские “каналы”. Длина некоторых достигает тысяч километров, ширина 20-40 км. Скорее всего это чем-то заполненные трещины. Самые высокие детали возвышаются на высоту всего 40 м. Она напоминает исцарапанный оранжевый шар. Почти полное отсутствие ударных кратеров говорит о том, что их следы сразу же исчезают. Внешняя кора скорее всего ледяная до глубин 100 км. Средняя температура поверхности около -150⁰С. Недра спутника должны быть горячими, химический состав похожий на Ио. Плотность несколько меньше чем у Ио - 3, 0 г/см³ вызвана наличием ледяной коры. Множество трещин - результат снятия напряжений, возникающих под поверхностью.

Недавние наблюдения с помощью космического телескопа им. Хаббла позволили обнаружить на Европе разреженную атмосферу, состоящую из молекулярного кислорода. Её плотность очень мала. Солнечный свет, космические лучи и микрометеориты выбивают с поверхности Европы молекулы воды, которые под действием ультрафиолетового излучения распадаются на атомы водорода и кислорода. Атомы водорода сразу же покидают атмосферу, а атомы кислорода объединяются в энергетически более выгодные молекулы.

Ганимед. Самый крупный и массивный из всех спутников. Радиус 2631 км. Средняя плотность 1, 9 г/см³. Он почти на половину состоит из воды или льда. Средняя температура поверхности - 130⁰С. Тёмные области Ганимеда усеяны кратерами диаметром в несколько десятков километров.

На спутнике существует огромная система хребтов. Самым интересным объектом поверхности являются пучки длинных параллельных борозд. Они покрывают значительную часть площади спутника. Эти образования современной наукой не объяснены.

Каллисто. По размерам это третий спутник в солнечной системе. Радиус 2410 км. Но плотность самая маленькая 1, 8 г/см³. Поверхность Каллисто на невидимой с Юпитера стороне очень насыщена кратерами. На обращённой к Юпитеру стороне видна огромная многокольцевая структура с яркой центральной областью поперечником около 300 км. От 8 до 10 кольцевых гребней окружают центр до расстояния примерно 1500 км. В центральной области Каллисто кратеров гораздо меньше, чем на остальной поверхности. Значит эта область моложе.

Парадоксально то, что при малой плотности Каллисто должна содержать больше воды, чем Ганимед, но при этом сохраняет древние ударные кратеры. Низкое альбедо Каллисто говорит о примеси в коре пыли. Температура поверхности -120⁰С или выше. Эта температура всё же низка, чтобы образовать атмосферу из водяного пара.