§ 36. ВНЕШНИЕ ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Группа внешних планет начинается с Юпитера — гигантской планеты, в которой содержится масса большая, чем у всех остальных планет Солнечной системы. За ней следуют несколько меньший Сатурн и две еще меньшие — Уран и Нептун. Все они ни в чем не сходны с планетами земной группы и лишь самая последняя, Плутон, возможно, возвращает нас к объектам, подобным Земле, только несравненно более удаленным от Солнца.

ЮПИТЕР

Масса Юпитера лишь немногим меньше одной тысячной массы Солнца, а средняя плотность меньше средней плотности Солнца и составляет всего лишь 1,33 г/см3, что вытекает из очень больших размеров планеты.

Наряду с этим Юпитер очень быстро вращается: период вращения его менее 10 часов, так что скорость точек на экваторе составляет 12,7 км/с. Отсюда понятна большая сплюснутость фигуры Юпитера у полюсов — около 0,062: при наблюдениях в телескоп эллиптическая форма диска Юпитера бросается в глаза.

Вдоль большой оси этого эллипса проходит экватор планеты, и именно параллельно этому направлению располагаются многочисленные темные полосы и разделяющие их светлые зоны, устойчивые на протяжении дней и недель, но неустойчивые на протяжении лет. Этим выявляется их атмосферная природа: полосы представляют собой устойчивые облачные образования в атмосфере Юпитера, свидетельствующие об определенном типе атмосферной циркуляции — пассатный тип, естественный у быстро вращающейся планеты (рис. 224).

Рис. 224. Две фотографии Юпитера, полученные в 1945 г. с желтым светофильтром. Обе экваториальные полосы хорошо развиты (в 1943 г. они были слабы). На верхнем снимке Красное Пятно находится в мернднане. На нижнем снимке черное пятнышко — тень от спутника II

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.

Атмосфера Юпитера проявляет себя и в сильном потемнении к краю диска и в постепенном угасании света звезд, покрываемых планетой, или спутников Юпитера, когда они заходят за планетный диск. Электрофотометрические наблюдения угасания звезды о Овна в функции времени при ее покрытии Юпитером привели к значению Н — высоты однородной атмосферы [см. формулу (33.45)], в среднем 8,3 км. При температуре Юпитера это дает величину молекулярного веса атмосферы Юпитера .

Если же температуру принять , то . Таким образом, атмосфера Юпитера имеет совершенно иной химический состав, чем, например, атмосфера Венеры или Земли.

На единицу площади Юпитера приходит тепла от Солнца — в 27 раз меньше, чем у Земли. Если бы это был единственный источник нагрева поверхности Юпитера, температура его (так называемая равновесная) была бы 110 К.

Между тем прямые измерения как наземными средствами, так и с помощью космических аппаратов указывают на температуру до 145 К по измерениям инфракрасного излучения Юпитера и на более высокие значения — до 170 К в сантиметровом радиодиапазоне. Эти результаты относятся к более глубоким атмосферным слоям.

Рис. 225. Изображение части поверхности Юпитера, ограниченное терминатором справа, лимбом снизу и инструментальной границей поля слева. Снимок охватывает область от Южной тропической зоны внизу до северной приполярной области. Видпа очень сложная структура полос и зон. свидетельствующая о бурных конвективных движениях в атмосфере планеты. Изображение получено с расстояния 550 000 км. Видны деталн размером 300 км и больше. (Из журнала Sky and Telescope, v. 50, 1)

Наконец, в отдельных местах темных полос инфракрасное излучение в очень длинных волнах приводит к значениям температуры выше 200 К (до 270 К). Рекордно высокая температура была измерена в одном темном пятнышке (6x12 тыс. км) близ экватора, а именно 310 К. В то время как температуры 270 К и 320 К вызваны, по-видимому, специфическим местным поглощением солнечного тепла аэрозолями в атмосфере Юпитера, другие приведенные выше глобальные температуры его показывают, что из недр Юпитера исходит свой самостоятельный поток тепла. В среднем он превышает поток, приходящий от Солнца, в 2 раза. Кроме того, он далеко неизотропный он приводит к возникновению в атмосфере Юпитера бурных вертикальных течений с выносом в отдельных местах высоко вверх горячих газовых масс, которые после охлаждения погружаются обратно.

Такое перемешивание вызывает неупорядоченные изменения в облаках (рис. 225). Но в облачной структуре Юпитера существуют и более постоянные образования, самым значительным примером которых служит Большое красное пятно (БКП) (рис. 213,226). Оно расположено по широте около 22° в Южной тропической зоне, частично вторгаясь в Южную умеренную полосу, а иногда теснит Южную экваториальную полосу, образуя в ней выемку. Хотя пятно было открыто в 1878 г., его можно проследить на зарисовках Юпитера вплоть до 1664 г. БКП имеет приблизительно форму овала длиной до 40 000 км и шириной около 13 000 км. Цвет его — красный, но бывают годы, когда оно лишь с трудом выделяется на белом фоне зоны. Его температура, измеренная по инфракрасному излучению, 120—138 К, ниже температуры зоны (рис. 226). Другое устойчивое образование — Южное тропическое возмущение (ЮТВ), существовавшее около 40 лет в виде ряда темных выступов, простирающихся на юг, вплоть до Южной умеренной полосы. Оно двигалось по Южной тропической зоне, догоняя и обгоняя БКП. При соединениях ЮТВ и БКП последнее нисколько не нарушалось, как если бы ЮТВ проходило под БКП. Характер движений вокруг БКП говорит о циклональном его типе.

Рис. 226. Изображение части поверхности Юпитера с Большим Красным Пятном, полученное в синих лучах при пролете АМС «Пионер-11». (Из журнала Sky and Telescope, v. 50. № 1)

Малый приток солнечного тепла и почти перпендикулярное положение оси вращения планеты к Плоскости орбиты делают «погоду» на Юпитере мало зависящей от Солнца. Лишь в тропических областях, где нагрев от Солнца, как и эффекты быстрого осевого вращения Юпитера сильнее всего, можно проследить у атмосферных движений на планете некоторое сходство с земными. Сочетание эффектов вращения и вертикальных движений в атмосфере с разнообразием наблюдаемых на планете уровней облаков, приводит к очень сложной картине систематических движений у Юпитера на разных удалениях от экватора.

В среднем вблизи экватора его вращение совершается с периодом , а на средних широтах , чем условно определяются две системы долгот на Юпитере — система I и система II. Но все это — только средние значения. На самом деле систематически направленные ветры в той или иной полосе или зоне приводят к сильно отличающимся значениям периода вращения.

Химический состав атмосферы Юпитера определяется спектроскопически. По сильным полосам поглощения метана и аммиака раньше всего в атмосфере Юпитера были установлены эти газы. Позднее, по слабым полосам в инфракрасной области спектра, был обнаружен молекулярный водород . В декабре 1973 г. около Юпитера всего лишь в 130 тыс. км от его облачного слоя прошла автоматическая межпланетная станция «Пионер-10», а в декабре 1974 г. еще ближе, на расстоянии 43 тыс. км, прошла АМС «Пионер-11». Спектральное оборудование первой в ультрафиолетовой области подтвердило наличие в атмосфере Юпитера молекул . Кроме того, в самой верхней атмосфере Юпитера, в его «короне», было обнаружено свечение резонансных линий водорода и гелия , интенсивность которых позволила установить отношение числа молекул к числу атомов Не, равное приблизительно 2:1. Несколько меньшее значение было получено косвенным образом из инфракрасных измерений. В последние годы из наземных наблюдений было обнаружено присутствие на Юпитере паров воды молекул ацетилена , этана , фосфина PHS и, наконец, окиси углерода СО. Другие газы в атмосфере Юпитера не обнаружены, хотя по аналогии с Солнцем, можно с большим основанием предполагать там азот N2 и неон Ne, а также сероводород Н. Последний с аммиаком под действием ультрафиолетового излучения Солнца может полимеризоваться в аммонийные полисульфиды желтого или оранжевого цвета. Красную окраску БКП может придавать примесь частиц фосфора, выделяющихся при фоторазложении фосфина, вынесенного наверх.

Темные полосы Юпитера — аэрозольные, состоят из частиц диаметром 0,2—0,3 мкм. Над уровнем, где атмосферное давление достигает 1 атм (к нему относятся приведенные выше геометрические размеры Юпитера), располагаются кристаллики аммиака. Несколько ниже этого уровня находятся твердые частицы полисульфидов, еще ниже — ледяные кристаллики воды и, наконец, на 60 км ниже уровня Р = 1 атм — взвешенные капли раствора аммиака в воде. Метан нигде в атмосфере Юпитера не находится в жидком состоянии, так как его температура конденсации при давлении в 1 атм 112 К. Светлые зоны простираются гораздо выше, но они, будучи более прозрачными, позволяют исследовать более глубокие уровни Юпитера. При фотографировании Юпитера в свете сильной полосы поглощения метана близ 8900 А, когда поглощение не позволяет исследовать глубокие уровни, обе экваториальные зоны и БКП остаются светлыми, т. е. они простираются в верхнюю атмосферу, где давление не превышает 0,1 атм.

Еще выше, при давлении 10—20 мбар, перемешивание газов уже не происходит и здесь устанавливается наиболее низкая температура 80—110 К, соответствующая стратосфере. Выше начинается мезосфера с давлением 1 мбар и температурой 160 К (140—150 км), а еще выше — термосфера на высотах от 500 км с температурами 500—600 К, где преобладающим элементом является водород. Тут же находится ионосфера, в которой плотность электронов достигает максимума на высоте около 1000 км. Схема строения атмосферы Юпитера показана на рис. 227.

Общее содержание выше уровня облаков Юпитера оценивается в 20—40 атм•км (см. с. 483). Содержание Не — порядка 10 атм•км. Другие газы представлены несравненно беднее — около 0,1 атм км СН4 и 0,01 атм•км NH3. Возможно значительное содержание С, N, О и Ne, но, за исключением последнего, не в свободном виде, а в соединении с водородом.

Внутреннее строение Юпитера может быть лишь предметом теоретического рассмотрения. Было построено несколько моделей строения Юпитера при разных предположениях о его химическом составе. От модели требуется, чтобы она давала распределение масс с глубиной, которое приводит к тем же значениям моментов инерции, какие выводятся из наблюдений (сжатие Юпитера и движение его спутников), и к наблюдаемому низкому значению средней плотности (1,33 г/см3). Из-за большой величины силы тяжести на Юпитере давление газов возрастает с глубиной очень быстро и уже на глубине 10 000 км становится настолько большим, что преобладающий газ, Н2, изменяет свое состояние и переходит из нормальной молекулярной фазы в металлическую, превращаясь в одновалентный металл с протонами и электронами, существующими раздельно. Для такого перехода необходимо давление больше 2,5 млн бар. Плотность изменяется скачком, но остается меньше единицы, поэтому у Юпитера к водороду должно примешиваться заметное количество гелия или тяжелых элементов, менее распространенных в космосе. Будет ли металлический водород Юпитера твердым или жидким, зависит от температуры. Внешний слой его может быть твердым, но ближе к центру он должен расплавиться, так как там температура приближается к 20 000 К (при давлении порядка 100 млн атм и плотности 20—30 г/см3). В некоторых моделях Юпитера предполагается существование слоя льда значительной толщины, но лишь вблизи поверхности, где температура не столь высока.

Требуют объяснения два явления:

1) магнитное поле, жестко вращающееся вместе с планетой;

2) большие неоднородности тепловых потоков, проявляющиеся в неоднородностях атмосферы Юпитера по долготе — многочисленных переходящих деталях в полосах и, особенно, в длительно существующих БКП и ЮТВ, которые вращаются почти с тем же периодом, что и магнитное поле Юпитера.

(см. скан)

Рис. 227. Разрез атмосферы Юпитера. (Из журнала Sky and Telescope, v. 50, № 4)

Впрочем, устойчивое положение магнитного поля в теле Юпитера можно связать и с чрезвычайной медленностью конвекции в вязком ядре.

Магнитное поле и радиоизлучение Юпитера обнаружили себя сильным радиоизлучением, особенно интенсивным в дециметровом и декаметровом диапазонах: начиная с длины волны 10 см яркостная температура Юпитера становится выше 500 К и далее неуклонно и быстро повышается с ростом длины волны: до 20 000 К при см. Это — явно нетепловое излучение, что подтверждается наблюдаемой линейной поляризацией его. Область излучения дециметровых волн по крайней мере втрое больше размеров диска Юпитера, т. е. излучение исходит из околопланетного пространства и его следует понимать как синхротронное излучение электронов, захваченных магнитосферой Юпитера в радиационные пояса, подобные земным. Его интенсивность невелика: наблюдаемый на Земле поток около и вблизи становится почти неощутимым до , на которой Юпитер оказывается источником необычайно сильных всплесков радиоизлучения, делающим его первым после Солнца источником космического декаметрового излучения. Это спорадическое радиоизлучение имеет характер шумовых бурь, длящихся от нескольких часов до нескольких минут. Выделяемая при этом энергия — порядка Дж. Излучение направлено и исходит из определенных малых участков поверхности Юпитера. Из повторяемости радиовсплесков следует, что их источники вращаются с периодом , определяющим еще одну систему счета долгот — систему III. Излучение обладает круговой поляризацией, оно генерируется плазменными колебаниями вблизи поверхности Юпитера или под ней. Периоду подчиняется также дециметровое излучение. Его приписывают вращению некоторого твердого слоя «коры», образующего собственно поверхность Юпитера, неправильности которой служат причиной неоднородностей видимых на Юпитере облаков и его БКП. Этот же слой является, быть может, носителем магнитосферы Юпитера, как сказано выше. Период всего лишь на 10 с длиннее , а период, определяемый по БКП, длиннее только на 8 с, тогда как у ЮТВ он на 10 с короче. И то и другое можно объяснить различием высот этих образований и вертикальными движениями в них. Вероятно, околополярные области Юпитера вращаются точно с периодом .

Трудно ответить на вопрос, какова природа твердого слоя на Юпитере. Его верхняя граница должна быть близка к видимой поверхности, нижняя граница может проходить там, где металлический водород переходит от твердой фазы к жидкой вследствие возрастания температуры. На этой границе и глубже, в сторону жидкого ядра разыгрываются электрические токи, самоусиливающиеся подобно токам в динамомашине. Такрво, по-видимому, происхождение магнитных полей и Юпитера и Земли. Только у Юпитера вращение в раза быстрее и непроводящие массы относительно ближе к границе планеты, и поэтому магнитное поле Юпитера несравненно сильнее земного: соответственно 4 против 0,3 эрстеда.

Направление магнитной оси Юпитера составляет угол около 10° с его осью вращения. Северный магнитный полюс находится со стороны северного полюса вращения Юпитера, т. е. поле Юпитера противоположно земному. Центроид его, определяемый по дециметровому излучению, смещен в плоскости экватора от центра планеты на 0,13 полярного радиуса.

Магнитосфера Юпитера, порожденная его магнитным полем, имеет очень большие размеры. В ближайших к планете областях (до 20 радиусов) она имеет явно выраженный дипольный характер и содержит радиационные пояса, в которых движутся захваченные полем высокоэнергичные электроны. Их взаимодействие с полем порождает дециметровое синхротронное излучение. В более отдаленных областях средняя магнитосфера простирается до 60 планетных радиусов и деформирована вращением. Здесь возможны плазменные истечения и колебания, излучающие в декаметровом диапазоне. Еще дальше, до 90—100 планетных радиусов, находится внешняя магнитосфера, простирающаяся до магнитопаузы, где обтекающие магнитное поле заряженные частицы солнечного ветра определяют границу между собственным магнитным полем планеты и межпланетным полем. Размеры магнитопаузы изменчивы. С ночной стороны она простирается за орбиту Сатурна. Пять ближайших к Юпитеру его спутников постоянно охвачены средней магнитосферой. Ближайший большой спутник, Ио, обладает, по-видимому, своим магнитным полем и существенно влияет на характер радиовсплесков Юпитера. Влияние это выражается в том, что Юпитер посылает в сторону Земли особенно сильное декаметровое излучение, когда Ио находится при фазах 90 и 240°, отсчитываемых от верхнего соединения ее с Юпитером относительно земного наблюдателя, а центральный меридиан Юпитера в системе III имеет долготу 130 и соответственно 230 и 330°. Кроме того, независимо от Ио, долготы 240—270° в системе III постоянно активны по радиоизлучению.

Интересно, что Земля, наблюдаемая как радиоисточник извне, а именно с искусственного спутника Луны, особенно сильно излучает на волнах 25 м и длиннее (включая километровый диапазон) во время полнолуний, когда она обращена к Луне своей полуночной стороной. Другой максимум излучения соответствует полуденным часам, а источник его локализуется над северным полюсом вращения Земли примерно на расстоянии одного земного радиуса от поверхности. Конечно, это связано с синхротронными процессами в верхней магнитосфере Земли и взаимодействием магнитосферы с солнечным ветром через так называемые полярные «рога» ее.

Выведенные из радионаблюдений сведения о магнитном поле Юпитера и его радиационных поясах были значительно обогащены измерениями при непосредственных контактах с окрестностями Юпитера АМС «Пионер-10», «Пионер-11» и «Вояджер-1 и 2» (1979). Внутри магнитосферы Юпитера, в ее радиационных поясах, находятся захваченные электроны и протоны, обладающие энергией свыше 6 МэВ. Ho в плазме наблюдаются и всплески весьма энергичных частиц в плоскости экватора Юпитера с энергией до 50 МэВ у электронов и 70 МэВ у протонов.

Такие частицы выходят из магнитосферы и становятся дополнительным источником космических лучей в Солнечной системе. Они представляют серьезную радиационную опасность для космических аппаратов. Так, АМС «Пионер-10» при пролете около Юпитера получила излучение в области энергий выше 30 МэВ, по крайней мере в 500 раз больше, чем смертельная для человека доза (500 рад). АМС установили в широких окрестностях Юпитера также очень сильную концентрацию метеоритных частиц разных размеров, в особенности мелких с массой порядка .

У Юпитера известно 16 спутников, последний в списке XVI, Метис, открытый в 1979 г. Первыми были открыты Галилеем в 1610 г. четыре самых больших спутника, а пятый был открыт почти три столетия спустя — в 1892 г. Он оказался самым близким к планете: его расстояние от центра Юпитера всего лишь 2,54 экваториального радиуса планеты. Эти пять спутников движутся практически по круговым орбитам, плоскости которых совпадают с плоскостью экватора Юпитера. Их периоды обращения коротки: от 12 ч у спутника V до 16,8 сут у спутника IV. Но внутри орбиты спутника V Амальтеи движутся два спутника XIV и XVI с периодом обращения 7 часов, а между V и I есть спутник XV, обращающийся вокруг планеты за 16 часов. Все остальные спутники Юпитера, открытые в XX в., удалены от планеты на большие расстояния и образуют две группы: четыре из них, а именно спутники VI, VII, X и XIII, находятся от Юпитера на среднем расстоянии от 11,5 до 12,4 млн км с временем обращения от 250 до 280 сут, а четыре других, XIII, IX, XI и XII, — на среднем расстоянии 21—24 млн км с периодами от 625 до 750 сут и имеют обратное движение (в направлении, противоположном вращению планеты). У спутников XI—XIII орбиты эллиптические, сильно наклоненные к плоскости экватора Юпитера.

Ниже приводятся названия спутников. Почти все они взяты из мифологии среди персонажей, так или иначе связанных с «деятельностью» Зевса — Юпитера (первым четырем спутникам имена дал Галилей. В скобках даны радиус спутника в километрах и его видимая звездная величина в противостоянии):

I. Ио (1820; 4,9). II. Европа (1530; 5,3). III. Ганимед (2610; 4,6). IV. Каллисто (2450; 5,6). V. Амальтея (120; 13). VI. Гималия (80; 14,2). VII. Элара (50; 17). VIII. Пасифая (12; 18). IX. Синопа (10;

18.6). X. Лазифоя (8; 18,8). XI. Карма (9; 18,6). XII. Ананке (8;

18.7). XIII. Леда (5; 20), XIV Адрастея , XV Фива (40; —), XVI Метис (20; —). Орбиты спутников XIV и XVI расположены от центра Юпитера всего лишь на расстоянии 1,8 его радиуса.

Галилеевы спутники по своим размерам приближаются к планетам (спутники III и IV больше Меркурия). Периоды осевого вращения и обращения вокруг Юпитера у каждого из них совпадают. Их средние плотности больше, чем у Юпитера: 3,41; 3,07; 1,90 и 1,81 г/см3 соответственно для I, II, III и IV спутников. Все они имеют низкую температуру, близкую к равновесной.

Их альбедо довольно высокое, но ниже, чем у Юпитера, что указывает скорее на особенности поверхности, чем на наличие мощной атмосферы. Действительно, радиолокационные и инфракрасные наблюдения позволили установить, что поверхность их содержит лед или смесь льда и скал, которые тем богаче представлены на спутнике, чем он более удален от планеты. На них отмечаются значительные неровности.

Ио — ближайший к Юпитеру большой спутник — имеет атмосферу и значительную ионосферу, которая взаимодействует с магнитосферой планеты. Кроме того, он окружен газовым облаком, состоящим из атомарного водорода, и очень большим облаком из атомов натрия. Обнаружен также и калий. На Ио происходят бурные вулканические явления с извержением лавы, состоящей из серы. Спутник IV, Каллисто, весь покрыт почти равномерно очень плотно расположенными кратерами со светлым дном. Ни на одном спутнике Юпитера, кроме Ио, нет атмосферы.

На основании близости плоскостей орбит первых пяти спутников к плоскости экватора Юпитера можно думать, что эти спутники образовались одновременно с планетой из одного сгустка первичного вещества. Что касается далеких спутников, то они по малости размеров, а также по наличию обратных движений у четырех из них скорее всего в прошлом были астероидами и захвачены Юпитером.

АМС «Вояджер-1» в 1979 г. обнаружил слабое кольцо вокруг Юпитера. Его существование предсказал еще в 1960 г. С. К. Всехсвятский на основе наземных наблюдений. Наземными же наблюдениями в инфракрасном диапазоне его наличие подтверждено. Но оно в 106 раз менее плотно, чем кольцо у Сатурна. Его внешний радиус 130 000 км, оно неоднородно и, может быть, незамкнуто.