Юпитер — самая большая планета . Диаметр планеты в 11 раз больше диаметра Земли и составляет 142 718 км.

Вокруг Юпитера находится тонкое кольцо, опоясывающее его. Плотность кольца очень мала, поэтому оно невидимо (как у Сатурна).

Период вращения Юпитера вокруг оси — 9 ч 55 мин. При этом каждая точка экватора движется со скоростью 45 000 км/ч.

Так как Юпитер — не твердый шар, а состоит из газа и жидкости, экваториальные его части вращаются быстрее, чем приполярные области. Ось вращения Юпитера почти перпендикулярна его орбите, следовательно, на планете смена времен года выражена слабо.

Масса Юпитера намного превышает массу всех других планет Солнечной системы, вместе взятых, и составляет 1,9 . 10 27 кг. При этом средняя плотность Юпитера составляет 0,24 средней плотности Земли.

Общие характеристики планеты Юпитер

Атмосфера Юпитера

Атмосфера Юпитера очень плотная. Она состоит из водорода (89 %) и гелия (11 %), напоминая по химическому составу Солнце (рис. 1). Ее протяженность 6000 км. Оранжевый цвет атмосфере
придают соединения фосфора или серы. Для людей она губительна, так как содержит ядовитые аммиак и ацетилен.

Разные части атмосферы планеты вращаются с разными скоростями. Такое различие породило пояса облаков, которых у Юпитера три: наверху — облака из оледеневшего аммиака; под ними — кристаллы сероводорода аммония и метана, а в самом нижнем слое — водяной лед и, возможно, жидкая вода. Температура верхних облаков составляет 130 °С. Кроме того, Юпитер имеет водородную и гелиевую короны. Ветры на Юпитере достигают скорости 500 км/ч.

Достопримечательностью Юпитера является Большое Красное Пятно, которое наблюдают уже 300 лет. Оно было открыто в 1664 г. английским естествоиспытателем Робертом Гуком (1635-1703). Сейчас его длина достигает 25 000 км, а 100 лет назад она была около 50 000 км. Это пятно впервые было описано в 1878 г., а зарисовано 300 лет назад. Оно как бы живет своей жизнью — то расширяется, то сжимается. Цвет его также меняется.

Американские зонды «Пионер-10» и «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2», «Галилео» выяснили, что у пятна нет твердой поверхности, оно вращается, как циклон в атмосфере Земли. Предполагают, что Большое Красное Пятно — это атмосферное явление, вероятно, верхушка циклона, бушующего в атмосфере Юпитера. В атмосфере Юпитера обнаружено также белое пятно размером более 10 000 км.

На 1 марта 2009 г. у Юпитера известно 63 спутника. Самые крупные из них Но и Европа размером с Меркурий. Они всегда повернуты к Юпитеру одной стороной, как Луна к Земле. Эти спутники называют галилеевыми, так как их впервые открыл итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564-1642) в 1610 г., испытывая свой телескоп. На Ио имеются действующие вулканы.

Рис. 1. Состав атмосферы Юпитера

Двадцать внешних спутников Юпитера настолько далеки от планеты, что невидимы с ее поверхности невооруженным глазом, а Юпитер в небе самого дальнего из них выглядит меньше Луны.

Юпитер — самая крупная планета Солнечной системы. Расположена она на пятой орбите от Солнца.
Относится к категории газовых гигантов и в полной мере оправдывает правильность такой классификации.

Юпитер получил своё название в честь древнего верховного бога-громовержца. Вероятно, из-за того, что известна планета была с давних времён и иногда встречалась в мифологии.

Масса и размер.
Если сопоставить размеры Юпитера и Земли — можно понять, насколько сильно они отличаются. Юпитер превосходит по радиусу нашу планету более чем в 11 раз.
При этом масса Юпитера больше массы Земли в 318 раз! И это ещё сказывается маленькая плотность гиганта (уступает земной почти в 5 раз).

Строение и состав.
Ядро планеты, что весьма интересно, является каменным. Его диаметр около 20 тысяч километров.
Затем следует слой металлического водорода, имеющий вдвое больший диаметр, нежели ядро. Температура этого слоя колеблется от 6 до 20 тысяч градусов.
Следующий слой составляет субстанция из водорода, гелия, аммиака, воды и другого. Её толщина также около 20 тысяч километров. Что интересно, у поверхности этот слой имеет газообразную форму, но потом постепенно переходит в жидкую.
Ну и последний, внешний слой — состоит, по большей части, из водорода. Также есть некоторая часть гелия и чуть меньше — других элементов. Этот слой газообразный.

Орбита и вращение.
Скорость движения Юпитера по орбите не очень велика. Полный оборот вокруг центральной звезды планета совершает почти за 12 лет.
А вот скорость вращения вокруг своей оси, наоборот, высока. И даже более — самая высокая среди всех планет системы. Оборот занимает чуть меньше 10 часов.

Информация о планете Юпитер

Атмосфера.
Атмосфера Юпитера состоит примерно на 89% из водорода и 8-10% из гелия. Оставшиеся крохи приходятся на метан, аммоний, воду и другое.
При наблюдении издалека, хорошо видны полосы Юпитера — различные по составу, температуре и давлению слои атмосферы. Они даже цвет имеют разные — одни светлее, другие темнее. Иногда они движутся вокруг планеты в различных направлениях и почти всегда — с различной скоростью, что весьма красиво.

В атмосфере Юпитера происходят ярко выраженные явления: молнии, штормы и другие. Они имеют куда большие масштабы, нежели на нашей планете.

Температура.
Несмотря на удалённость от Солнца, температуры на планете весьма высокие.
В атмосферы — примерно от -110 °C до +1000 °C. Ну а с уменьшением расстояния до центра планеты, растёт и температура.
Но происходит это вовсе не равномерно. Особенно для его атмосферы — изменение температуры в разных её слоях происходит довольно неожиданным образом. Пока что не удаётся объяснить все такие изменения.

— Из-за быстрого вращения вокруг своей оси, Юпитер немного вытянут в высоту. Так, экваториальный его радиус превосходит полярный почти на 5 тысяч километров (71,5 тысяч км и 66,8 тысяч км соответственно).

— Диаметр Юпитера максимально приближен к пределу для планет подобного типа строения. При теоретическом дальнейшем увеличении планеты — она стала бы сжиматься, а её диаметром при этом оставался бы почти неизменным. Таким, который она имеет и сейчас.
Такое сжатие привело бы к появлению новой Звезды.

— В атмосфере Юпитера находится гигантский непрекращающийся ураган — так называемое Красное пятно Юпитера (из-за его цвета при наблюдении). Размеры этого пятна превышает несколько диаметров Земли! 15 на 30 тысяч километров — примерно таковы его размеры (и это он ещё уменьшился в 2 раза за последние 100 лет).

— Планета имеет 3 очень тонких и незаметных кольца.

— На Юпитере идут дожди из алмазов.

— Юпитер имеет самое большое количество спутников среди всех планет Солнечной системы — 67.
На одном из этих спутников, Европе, находится глобальный океан, достигающий глубины 90 километров. Объём воды в этом океане больше объёма океанов Земли (хотя по размерам спутник заметно уступает Земле). Возможно, в этом океане есть живые организмы.

Юпитер — пятая от Солнца планета в Солнечной системе. Это – планета гигант. Экваториальный диаметр Юпитера почти в 11 раз больше земного. Масса Юпитера превосходит массу Земли в 318 раз.

Планета Юпитер была известна людям с древних времён: как и Меркурий, Венеру, Марс, Сатурн, его можно увидеть на ночном небе невооруженным глазом. Когда в конце 16 века в Европе стали распространяться первые несовершенные подзорные трубы — телескопы, итальянский учёный Галилео Галилей решил сделать такой прибор для себя. Он же догадался использовать его на пользу астрономии. В 1610 г. Галилей увидел в телескоп крошечные «звёздочки», обращающиеся вокруг Юпитера. Эти четыре спутника, открытые Галилеем (галилеевы спутники) получили названия Ио, Европа, Ганимед, Каллисто.

Древние римляне отожествили многих своих богов с греческими. Юпитер – верховный римский бог тождественен верховному богу Олимпа – Зевсу. Спутникам Юпитера дали имена персонажей из окружения Зевса. Ио – одна из его многочисленных возлюбленных. Европа – прекрасная финикиянка, которую Зевс похитил, преобразившись в могучего быка. Ганимед – красавец юноша-виночерпий, прислуживающий Зевсу. Нимфу Каллисто из ревности супруга Зевса Гера превратила в медведицу. Зевс поместил её на небе в виде созвездия Большой Медведицы.

В течение почти трёх веков только галилеевы спутники оставались известными науке спутниками Юпитера. В 1892 г. был открыт пятый спутник Юпитера – Амальтея. Амальтея – божественная коза, вскормившая своим молоком Зевса, когда его мать вынуждена была укрывать новорождённого сына от необузданного гнева его отца – бога Кроноса. Рог Амальтеи стал сказочным рогом изобилия. После Амальтеи открытия спутников Юпитера посыпались как из рога изобилия. На настоящее время известны 63 спутника Юпитера.

Юпитер и его спутники изучаются учёными не только с Земли с использованием современных научных методов, но и были обследованы с более близкого расстояния с помощью космических автоматов. Американская межпланетная автоматическая станция «Пионер-10» впервые подошла на относительно близкое расстояние к Юпитеру в 1973 г., «Пионер-11» — год спустя. В 1979 г. к Юпитеру приблизились американские аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2». В 2000 г. автоматическая межпланетная станция «Кассини» прошла мимо Юпитера, передав на Землю фотографии и уникальную информацию о планете и её спутниках. С 1995 по 2003 годы в пределах системы Юпитера работал космический аппарат «Галилео», миссия которого заключалась в подробном исследовании Юпитера и его спутников. Космические аппараты не только помогли собрать большой объём информации о Юпитере и его многочисленных спутниках, но и обнаружить вокруг Юпитера кольцо, состоящее из мелких твёрдых частиц.

Весь рой спутников Юпитера можно разделить на две группы. Одна из них – внутренние (расположены ближе к Юпитеру), куда входят четыре галилеевых спутника и Амальтея. Все они, кроме относительно маленькой Амальтеи, крупные космические тела. Диаметр самого маленького из галилеевых спутников — Европы составляет приблизительно 0,9 от диаметра нашей Луны. Диаметр самого большого – Ганимеда в 1,5 раз больше диаметра Луны. Все эти спутники движутся по своим почти круговым орбитам в плоскости экватора Юпитера в направлении вращения планеты. Как и наша Луна, галилеевы спутники Юпитера всегда повёрнуты к своей планете одной и той же стороной: время обращения каждого спутника вокруг своей оси и вокруг планеты одинаково. Большинство учёных считают, что эти пять спутников Юпитера сформировались вместе со своей планетой.

Огромное количество внешних спутников Юпитера – небольшие космические тела. Внешние спутники в своём движении не придерживаются плоскости юпитерианского экватора. Большинство внешних спутников обращаются вокруг Юпитера в направлении противоположном направлению вращения планеты. Скорее всего, все они «чужаки» в мире Юпитера. Возможно, они представляют собой обломки столкнувшихся в окрестностях Юпитера больших космических тел, или одного развалившего на части в сильном гравитационном поле прародителя.

На настоящее время о планете Юпитер и его спутниках учёные собрали большой объём информации, космические аппараты передали на землю огромное количество фотографий, сделанных с относительно близких расстояний. Но настоящей сенсацией, сломавшей существующие ранее представления учёных о спутниках планет, стал факт, что на спутнике Юпитера Ио происходят извержения вулканов. Небольшие космические тела за время своего существования остывают в космическом пространстве, в их недрах не должно сохраняться огромной температуры, необходимой для поддержания вулканической деятельности.

Ио же не просто тело, ещё сохранившее некоторые следы активности недр, а самое активное вулканическое тело в Солнечной системе, известное в нынешнее время. Извержения вулканов на Ио можно считать почти непрерывными. И по своей силе они во много раз превосходят извержения земных вулканов.

Характеристики Юпитера

Что же даёт «жизнь» небольшому космическому телу, которое давно должно было превратиться в мёртвую глыбу. Учёные считают, что тело планеты постоянно разогревается за счет трения в породах, образующих спутник, под действием огромной силы гравитации Юпитера и сил притяжения со стороны Европы и Ганимеда. За каждый оборот Ио дважды изменяет орбиту, смещаясь радиально на 10 км к Юпитеру и от него. Периодически сжимаясь и разжимаясь, тело Ио разогревается подобно тому, как нагревается изгибаемая проволока.

Заинтересуйте детей известными фактами и нераскрытыми пока тайнами Юпитера и членов его многочисленного семейства. Интернет предоставляет возможность удовлетворить интерес по этой теме.

4.14. Юпитер

4.14.1. Физические характеристики

Юпитер (газовый гигант) – пятая планета Солнечной системы.
Экваториальный радиус: 71492 ± 4 км, полярный радиус: 66854 ± 10 км.
Масса: 1,8986 × 10 27 кг или 317.8 массы Земли.
Средняя плотность: 1.326 г/см³.
Сферическое альбедо Юпитера равно 0,54.

Поток внутреннего тепла на единицу площади «поверхности» Юпитера примерно равен потоку, получаемому от Солнца. В этом отношении Юпитер ближе к звёздам, чем к планетам земной группы. Однако источником внутренней энергии Юпитера, очевидно, не являются ядерные реакции. Излучается запас энергии, накопленной при гравитационном сжатии планеты.

4.14.2. Элементы орбиты и особенности движения

Среднее расстояние Юпитера от Солнца составляет 778,55 млн. км (5.204 а. е.). Эксцентриситет орбиты равен e = 0,04877. Период обращения вокруг Солнца равен 11.859 года (4331,572 суток); средняя орбитальная скорость – 13.07 км/с. Наклон орбиты к плоскости эклиптики равен 1.305°. Наклон оси вращения: 3,13°. Поскольку экваториальная плоскость планеты близка к плоскости её орбиты, то на Юпитере не бывает смен времён года.

Юпитер вращается быстрее, чем любая другая планета Солнечной системы, причём угловая скорость вращения уменьшается от экватора к полюсам. Период вращения равен 9,925 часов. Вследствие быстрого вращения, полярное сжатие Юпитера весьма заметно: полярный радиус меньше экваториального на 6,5%.

Юпитер обладает наибольшей среди планет Солнечной системы атмосферой, которая простирается на глубину более 5000 км. Поскольку Юпитер не имеет твёрдой поверхности, внутренняя граница атмосферы соответствует глубине, на которой давление равно 10 бар (т. е. примерно 10 атм).

Атмосфера Юпитера в основном состоит из молекулярного водорода H 2 (примерно 90%) и гелия He (около 10%). Атмосфера содержит также простые молекулярные соединения: воду, метан, сероводород, аммиак, и фосфин и др. Обнаружены также следы простейших углеводородов – этана, бензола и других соединений.

Атмосфера имеет ярко выраженную полосатую структуру, состоящую из светлых зон и тёмных поясов, которые являются результатом проявления конвективных потоков, выносящих внутреннее тепло к поверхности.

В области светлых зон отмечается повышенное давление, соответствующее восходящим потокам. Облака, образующие зоны, располагаются на более высоком уровне, а их светлая окраска объясняется, видимо, повышенной концентрацией аммиака NH 3 и гидросульфида аммония NH 4 HS.

Располагающиеся ниже тёмные облака поясов предположительно содержат соединения фосфора и серы, а также некоторые простейшие углеводороды. Эти, в обычных условиях бесцветные, соединения в результате воздействия УФ излучения Солнца приобретают тёмную окраску. Облака тёмные поясов имеют более высокую температуру, чем светлых зон и представляют собой области нисходящих потоков. Зоны и пояса имеют разную скорость движения в направлении вращения Юпитера.

Юпитер в ИК диапазоне

На границах поясов и зон, где наблюдается сильная турбулентность, возникают вихревые структуры, наиболее ярким примером которых является Большое Красное Пятно (БКП) – гигантский циклон в атмосфере Юпитера, существующий уже более 350 лет. Газ в БКП вращается против часовой стрелки с периодом оборота около 6 земных суток. Скорость ветра внутри пятна превышает 500 км/ч. Ярко-оранжевый цвет пятна, видимо, связан с наличием серы и фосфора в атмосфере.

Юпитер - самая массивная планета

Длина БКП составляет около 30 тыс. км в длину, ширина – 13 тыс. км (существенно больше Земли). Размеры пятна постоянно изменяются, причём наблюдается тенденция к его уменьшению, поскольку 100 лет назад БКП было примерно в 2 раза больше. Пятно перемещается параллельно экватору планеты.

4.14.4. Внутреннее строение

Внутреннее строение Юпитера

В настоящее время предполагается, что в центре Юпитера находится твёрдое ядро, затем следует слой жидкого металлического водорода с небольшой примесью гелия, и внешний слой, состоящий, в основном, из молекулярного водорода. Несмотря на общую, в целом сформированную концепцию, она содержит, тем не менее, ещё много неопределённых и неясных деталей.

Для описания ядра чаще всего используется модель каменной сердцевины планеты, однако ни свойства вещества при экстремальных давлениях и температурах, достигаемых в ядре (не менее 3000–4500 ГПа и 36000 К), ни его детальный состав неизвестны. Наличие твёрдого ядра массой от 12 до 45 масс Земли (или 3–15% массы Юпитера) следует из измерений гравитационного поля Юпитера. Кроме этого, твёрдый (ледяной или каменный) зародыш прото-Юпитера для последующей аккреции лёгких водорода и гелия является необходимым элементом в современных моделях происхождения планетных систем (см. раздел 4.6).

Ядро окружено слоем металлического водорода с примесью конденсированных в капли гелия и неона. Эта оболочка простирается примерно на 78% радиуса планеты. Для достижения состояния жидкого металлического водорода необходимы (по оценкам) давление не менее 200 ГПа и температура около 10000 К.

Выше слоя металлического водорода лежит оболочка, состоящая из газожидкого (находящегося в сверхкритическом состоянии) водорода с примесью гелия. Верхняя часть этой оболочки плавно переходит во внешний слой – атмосферу Юпитера.

В рамках этой простой трёхслойной модели чёткой границы между основными слоями не существует, однако и области фазовых переходов имеют малую толщину. Следовательно, можно предположить, что почти все процессы локализованы, что и позволяет рассматривать каждый слой по отдельности.

Юпитер обладает мощным магнитным полем. Напряжённость поля на уровне видимой поверхности облаков равна 14 эрстед у северного полюса и 10,7 эрстед у южного. Ось диполя наклонена к оси вращения на 10°, а полярность обратна полярности земного магнитного поля. Существование магнитного поля объясняется наличием в недрах Юпитера металлического водорода, который, являясь хорошим проводником, вращающимся с большой скоростью, создаёт магнитные поля.

Юпитер окружён мощной магнитосферой, которая на дневной стороне простирается на расстояние 50–100 радиусов планеты, а на ночной стороне протягивается за орбиту Сатурна. Если бы магнитосферу Юпитера можно было бы видеть с поверхности Земли, то её угловые размеры превышали бы размеры Луны.

По сравнению с магнитосферой Земли магнитосфера Юпитера обладает не только большими размерами и мощностью, но и несколько иной формой, а также, наряду с дипольной, обладает ярко выраженными квадрупольной и октупольной составляющими. Форма магнитосферы Юпитера обусловлена двумя дополнительными факторами, отсутствующими в случае Земли, – быстрое вращение Юпитера и наличие близкого и мощного источника магнитосферной плазмы – спутника Юпитера Ио.

Юпитер в радиодиапазоне

Благодаря вулканической активности Ио, находящаяся на расстоянии всего около 4.9R J от верхнего слоя планеты, ежесекундно поставляет в магнитосферу Юпитера до 1 тонны нейтрального газа, богатого серой, двуокисью серы, кислородом, натрием. Этот газ частично ионизируется и образует вблизи орбиты Ио плазменный тор.

В результате совместного действия быстрого вращения и внутримагнитосферного образования плазмы создаётся дополнительный источник магнитного поля – магнитодиск Юпитера. Плазма концентрируется в сердцевине магнитосферы в низкоширотной области, формируя магнитодиск – тонкий токовый слой, величина азимутального тока в котором убывает пропорционально расстоянию от планеты. Полный ток в магнитодиске достигает величины около 100 млн. ампер.

Электроны, движущиеся в радиационных поясах Юпитера, являются источником мощного некогерентного синхротронного излучения магнитосферы в радиодиапазоне.

4.14.6. Общая характеристика спутников и колец Юпитера

В настоящее время известно, что Юпитер обладает 63 естественными спутниками и системой колец. Все спутники подразделяются на две категории: регулярные и нерегулярные.

Восемь регулярных спутников обращаются вокруг Юпитера в направлении его вращения по практически круговым орбитам. Регулярные спутники, в свою очередь, делятся на внутренние (спутники группы Амальтеи) и главные (или галилеевы).

Спутники-пастухи. Четыре внутренних спутника Юпитера – Метида (размеры 60×40×34 км), Адрастея (20×16×14 км), Амальтея (250×146×128 км) и Теба (116×98×84 км) – имеют неправильную форму и играют роль т. н. лун-пастухов, удерживающих кольца Юпитера от распада.

Кольца Юпитера. У Юпитера имеются слабые кольца, которые находятся на высоте 55000 км от атмосферы. Существует два основных кольца и одно очень тонкое внутреннее, с характерной оранжевой окраской. Главная часть колец имеет радиус 123–129 тыс. км. Толщина колец - около 30 км. К земному наблюдателю кольца почти всегда обращены ребром, из-за чего они долгое время оставались незамеченными. Сами кольца состоят в основном из пыли и мелких каменных частиц, плохо отражающих солнечные лучи, и поэтому они плохо различимы.

Галилеевы спутники. Четыре галилеевых спутника Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто) – одни из крупнейших лун Солнечной системы. Суммарная масса галилеевых спутников составляет 99,999% всех объектов, обращающихся вокруг Юпитера (более подробно о галилеевых спутниках см. далее в разделе 4.14.7).

Нерегулярные спутники. Нерегулярными принято называть такие спутники, орбиты которых обладают большими эксцентриситетами; либо спутники, которые движутся по орбите в обратном направлении; либо спутники, орбиты которых характеризуются большими наклонами к экваториальной плоскости. Нерегулярные спутники – это, по всей видимости, астероиды, захваченные из числа «троянцев» или «греков».

Нерегулярные спутники, которые обращаются вокруг Юпитера в направлении его вращения:
Фемисто (не образует семейства);
группа Гималии (Леда, Гималия, Лисития, Элара, S/2000 J 11);
Карпо (не образует семейства).

Нерегулярные спутники, которые обращаются вокруг Юпитера в обратном направлении:
S/2003 J 12 (не образует семейства);
группа Карме (13 спутников);
группа Ананке (16 спутников);
группа Пасифе (17 спутников);
S/2003 J 2 (не образует семейства).

4.14.7. Галилеевы спутники: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто

Галилеевы спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто) открыты Галилео Галилеем (в честь которого и получили название) 8 января 1610 года.

Галилеевы спутники вращаются синхронно и всегда обращены к Юпитеру одной и той же стороной (т. е. находятся в спин-орбитальном резонансе 1:1) вследствие влияния мощных приливных сил планеты-гиганта. Кроме этого, Ио, Европа и Ганимед находятся в орбитальном резонансе – их орбитальные периоды относятся как 1:2:4. Стабильность орбитальных резонансов галилеевых спутников наблюдается с момента открытия, т. е. на протяжении 400 земных лет и более 20 тысяч «спутниковых» (Ганимеда) лет (период обращения Ганимеда равен 7,155 земных суток).

Ио (средний диаметр – 3640 км, масса – 8,93 × 10 22 кг или 0,015 массы Земли, средняя плотность – 3,528 г/см 3) находится ближе других галилеевых спутников к Юпитеру (в среднем на расстоянии 4.9R J от его поверхности), чем, видимо, и обусловлена её вулканическая активность – самая высокая в Солнечной системе. Одновременно на поверхности Ио могут извергаться более 10 вулканов. В результате этого рельеф Ио полностью изменяется в течение нескольких сотен лет. Крупнейшие извержения ионических вулканов выбрасывают вещество со скоростью 1 км/с на высоту до 300 км. Подобно земным вулканам, вулканы на Ио выбрасывают серу и диоксид серы.Ударные кратеры на Ио практически отсутствуют, так как уничтожаются постоянными извержениями и потоками лавы. В дополнение к вулканам на Ио имеются невулканические горы, озёра расплавленной серы, вязкие лавовые потоки длиной в сотни километров. В отличие от других галилеевых спутников, на Ио нет воды или льда.

Европа (диаметр – 3122 км, масса – 4,80 × 10 22 кг или 0,008 массы Земли, средняя плотность – 3,01 г/см 3) в среднем находится на расстоянии 8.4R J от поверхности Юпитера. Европа полностью покрыта слоем воды толщиной предположительно около 100 км (частью – в виде ледяной поверхностной коры толщиной 10–30 км; частью, как полагают, – в виде подповерхностного жидкого океана). Далее залегают горные породы, а в центре предположительно находится небольшое металлическое ядро. Глубина океана – до 90 км, а его объём превышает объём мирового океана Земли. Тепло, необходимое для поддержания его в жидком состоянии, предположительно вырабатывается за счёт приливных взаимодействий (в частности, приливы поднимают поверхность спутника на высоту до 30 метров). Поверхность Европы очень ровная, лишь немногие образования, напоминающие холмы, имеют высоту несколько сот метров. Высокое альбедо (0,67) спутника свидетельствует о том, что поверхностный лёд довольно чистый. Количество кратеров невелико, имеется только три кратера диаметром больше 5 км.

Сильное магнитное поле Юпитера вызывает электротоки в солёном океане Европы, которые и формируют её необычное магнитное поле.

Магнитные полюса расположены вблизи экватора спутника и постоянно смещаются. Изменения мощности и ориентации поля коррелируют с прохождением Европы через магнитное поле Юпитера. Предполагается, что в океане Европы может существовать жизнь.

На поверхности Ганимеда имеется, в основном, два типа регионов: очень старые, сильно кратерированные тёмные области и более «молодые» (но тоже древние) светлые области, отмеченные протяжёнными рядами гряд и выемок. Происхождение светлых регионов связано, очевидно, с тектоническими процессами. Многочисленные ударные кратеры имеются на обоих типах поверхности Ганимеда, что говорит об их древности – до 3–3,5 млрд. лет (подобно лунной поверхности).

Каллисто (диаметр – 4821 км, масса – 1,08 × 10 23 кг или 0,018 массы Земли, средняя плотность – 1,83 г/см 3) в среднем находится на расстоянии 25.3R J от поверхности Юпитера. Каллисто – одно из самых кратерированных тел в Солнечной системе. Следовательно, поверхность спутника очень старая (около 4 млрд. лет), а его геологическая активность крайне низкая. Каллисто имеет наименьшую плотность из всех галилеевых спутников (наблюдается тенденция: чем дальше спутник от Юпитера – тем ниже его плотность) и состоит, вероятно, на 60% изо льда и воды и на 40% из горных пород и железа. Предполагается, что Каллисто покрыт ледяной корой толщиной 200 км, под которой находится слой воды толщиной около 10 км. Более глубокие слои состоят, по-видимому, из спрессованных горных пород и льда с постепенным возрастанием горных пород и железа к центру.

Дополнительная литература:

Т. Оуэн, С. Атрейа, Х. Ниман. «Внезапная догадка»: первые результаты зондирования атмосферы Титана космическим аппаратом «Гюйгенс»

Основные данные

Объект	радиус орбиты, млн. км. Планета Юпитер краткое описание	орбитальный период обращения	радиус, тыс. км	масса, кг	период обращения вокруг своей оси, дней	ускорение свободного падения, g	температура поверхности, К
Солнце	—	—	695	2*10^30	24,6
Меркурий	58	88 дней	2,4	3,3*10^23	58,6	0,38	440
Венера	108	225 дней	6,1	4,9*10^24	243 (обр)	0,91	730
Земля	150	365 дней	6,4	6*10^24	1	1	287
Марс	228	687 дней	3,4	6,4*10^23	1,03	0,38	218
Юпитер	778	12 лет	71	1,9*10^27	0,41	2,4	120
Сатурн	1429	29 лет	60	5,7*10^26	0,45	0,92	88
Уран	2871	84 лет	26	8,7*10^25	0,72 (обр)	0,89	59
Нептун	4504	165 лет	25	1,0*10^26	0,67	1,1	48

Крупнейшие спутники планет

Объект	радиус орбиты, тыс. км.	орбитальный период обращения, дней	радиус, км	масса, кг	вращается вокруг
Ганнимед	1070	7,2	2634	1,5*10^23	Юпитера
Титан	1222	16	2575	1,4*10^23	Сатурна
Каллисто	1883	16,7	2403	1,1*10^23	Юпитера
Ио	422	1,8	1821	8,9*10^22	Юпитера
Луна	384	27,3	1738	7,4*10^22	Земли
Европа	671	3,6	1565	4,8*10^22	Юпитера
Тритон	355	5,9 (обр)	1353	2,2*10^22	Нептуна

обр — вращается в направлении, обратном движению по орбите

Юпитер — самая большая планета Солнечной системы, его диаметр в 11 раз превосходит диаметр Земли, а масса в 318 раз больше массы Земли. Путь Юпитера по орбите вокруг Солнца занимает 12 лет, при этом среднее расстояние до Солнца равно 800 млн км. Пояса облаков в атмосфере и Большое Красное пятно делают Юпитер весьма живописной планетой.

Юпитер — не твердая планета. В отличие от четырех твердых планет, ближе других расположенных к Солнцу, Юпитер представляет собой огромный газовый шар. Есть и еще три газовых гиганта, которые еще более удалены от Солнца: Сатурн, Уран и Нептун. По своему химическому составу эти газовые планеты очень похожи па Солнце и сильно отличаются от твердых внутренних планет Солнечной системы. Атмосфера Юпитера, например, на 85 процентов состоит из водорода и примерно на 14 процентов — из гелия. Хотя сквозь облака Юпитера мы не можем видеть никакой твердой, каменистой поверхности, но глубоко внутри планеты водород находится под таким давлением, что приобретает некоторые черты металла.

Юпитер вращается вокруг своей оси исключительно быстро — он делает один оборот за 10 часов. Скорость вращения настолько высока, что планета выпячивается вдоль экватора. Такое быстрое вращение является, кроме того, причиной очень сильных ветров в верхних слоях атмосферы, где облака вытягиваются длинными красочными лентами. Разные части атмосферы вращаются с несколько различными скоростями, и именно это различие порождает полосы облаков. Облака над Юпитером неоднородные, бурные, поэтому внешний вид облачных полос может измениться всего за несколько дней. В облаках Юпитера имеется, кроме того, очень большое количество вихрей и крупных пятен. Самое большое из них — так называемое Большое Красное пятно, превосходящее но своим размерам Землю. Его можно увидеть даже через небольшой телескоп. Большое Красное пятно представляет собой огромного размера бурю в атмосфере Юпитера, которую наблюдают пот уже 300 лет. По орбитам вокруг Юпитера летает не менее 16 лун. Одна из
них, является самым большим спутником и нашей Солнечной системе; он превосходит по размеру планету Меркурий.

Путешествия к Юпитеру

К Юпитеру уже было послано пять космических кораблей. Пятый из них, «Галилей», был отправлен в шестилетнее путешествие в октябре 1989 г. Космические корабли «Пионер-10» и «Пионер-11» впервые произвели измерения. За ними последовали два корабля «Вояджер», которые в 1979 г. сделали фотографии крупным планом, от которых просто захватывает дух. После 1991 г. фотографировать Юпитер па-чал космический телескоп «Хаббл», и эти снимки по качеству не уступают тем, что были сделаны «Вояджерами». К тому же космический телескоп «Хаббл» будет делать фотографии в течение нескольких лет, в то время как в распоряжении «Вояджеров» был лишь короткий промежуток времени, пока они пролетали мимо Юпитера.

Облака ядовитого газа

Темные, красноватые полосы на Юпитере называются поясами, а более светлые полосы — зонами. Фотографии, сделанные космическими кораблями и космическим телескопом «Хаббл», покалывают, что всего за несколько педель в поясах и попах происходят заметные изменения. Это связано с тем, что видимые для нас характерные черты Юпитера в действительности являются цветными и белыми облаками верхних слоях атмосферы. Вблизи Большого Красного пятна облака образуют красивые картины с вихрями и волнами. Крутящиеся в вихрях облака сдуваются вдоль полос сильнейшими ветрами, скорость которых превышает 500 км/ч.

Большая часть атмосферы Юпитера оказалась бы губительной для людей. В дополнение к преобладающим газам — водороду и гелию — там содержится также метан, ядовитый аммиак, водяные пары и ацетилен. Тебе такое место показалось бы зловонным. Этот газовый состав похож на солнечный.

В белых облаках содержатся кристаллы замерзшего аммиака и водяного льда. Коричневые, красные и синие облака, возможно, обязаны своим цветом химическим веществам, подобным нашим красителям, или сере. Через наружные слои атмосферы бывают видны грозовые молнии.

Активный облачный слой довольно тонок, он составляет менее одной сотой радиуса планеты. Ниже облаков температура постепенно повышается. И хотя на поверхности облачного слоя она равна -160°С, опустившись сквозь атмосферу всего на 60 км, мы обнаружили бы такую же температуру, как на поверхности Земли. А еще немного глубже температура уже достигает точки кипения воды.

Необычное вещество

В глубине Юпитера материя начинает нести себя весьма необычным образом. Хотя нельзя исключить, что в центре планеты имеется небольшое железное ядро, но все же наибольшая часть глубинной области состоит из водорода. Внутри планеты под огромным давлением водород из газа превращается в жидкость. На более и более глубоких уровнях давление продолжает попытаться из-за колоссального веса вышележащих слоев атмосферы.

На глубине около 100 км расположен безбрежный океан жидкого водорода. Ниже 17 000 км водород оказывается сжат настолько сильно, что его атомы разрушаются. И тогда он начинает вести себя, как металл; в этом состоянии он легко проводит электричество. Электрический ток, протекающий и металлическом водороде, создает вокруг Юпитера сильное магнитное поле.

Металлический водород и глубинах Юпитера — это пример необычного вида материи, который астрономы могут изучать, по который практически невозможно воспроизвести и лабораторных условиях.

Почти звезда

Юпитер выделяет больше анергии, чем получает ее от Солнца. Измерения, произведенные космическими кораблями, показали, что Юпитер излучает примерно па 60 процентов больше тепловой энергии, чем получает от солнечного излучения.

Считается, что дополнительное тепло поступает из трех источников: из запасов тепла, оставшихся еще со времени образования Юпитера; ил энергии, высвобождающейся и процессе медленного сжатия, сокращения планеты; и, наконец, из энергии радиоактивного распада.

Планета Юпитер

Это тепло, однако, не возникает с результате прекращения водорода в гелий, как бывает в звездах. В действительности даже самые маленькие из звезд, использующих энергию такого прекращения, примерно в 80 раз массивнее Юпитера. Это означает, что в других «солнечных системах» могут быть планеты и побольше Юпитера, хотя и меньше, чем звезда.

Радиостанция Юпитер

Юпитер является природной радиостанцией. Никакого смысла из радиосигналов Юпитера извлечь нельзя, так как они целиком состоят из шума. Эти радиосигналы создаются электронами, проносящимися через очень сильное магнитное ноле Юпитера. Мощные бури и разряды молний накладываются па беспорядочный радиогрохот. У Юпитера сильное магнитное иоле, которое простирается на 50 диаметров планеты во все стороны. Никакая другая планета Солнечной системы не обладает таким сильным магнетизмом и не создает такого мощного радиоизлучения.

Луны Юпитера

Семейство 16 лун Юпитера представляет собой как бы Солнечную систему в миниатюре, где Юпитер выполняет роль Солнца, а его лупы — роль планет. Самая большая луна — Ганимед, ее диаметр равен 5262 км. Она покрыта толстой коркой льда, лежащей поверх каменистого ядра. Имеются многочисленные следы метеоритных бомбардировок, а также свидетельства столкновения с гигантским астероидом 4 миллиарда лет назад.

Каллисто но величине почти не уступает Ганимеду, и вся ее поверхность густо усеяна кратерами. У Европы самая светлая поверхность. На одну пятую Европа состоит из воды, которая образует на ней ледяной панцирь толщиной в 100 км. Это ледяное покрытие так же сильно отражает свет, как облака Венеры.

Из всех луп наиболее живописна Ио, которая вращается в наибольшей близости к Юпитеру. Цист Ио совершенно необыкновенный — это смесь черного, красного и желтого. Такая удивительная окраска объясняется тем, что из недр Ио было извергнуто большое количество серы. Съемочные камеры «Вояджера» показали па Ио несколько действующих вулканов; они выбрасывают фонтаны серы па 200 км ввысь над поверхностью. Серная лава вылетает наружу со скоростью 1000 м и секунду. Некоторое количество этого лавового вещества вырывается из ноля тяготения Ио и образует кольцо, опоясывающее Юпитер.

Поверхность Ио молола. Мы можем сулить об этом потому, что на ней почти нот метеоритных кратеров. Орбита Ио проходит менее чей в 400 000 км от Юпитера. Поэтому Ио подвергается действию огромных приливных сил. Постоянное чередование растягивающих и сжимающих приливов внутри Ио порождает интенсивное внутреннее трение. Благодаря этому внутренние области остаются горячими и расплавленными, несмотря на огромное удаление Ио от Солнца.

Кроме четырех больших лун, у Юпитера имеются еще и маленькие «лупки». Четыре из них летают ниже над поверхностью Юпитера, чем Ио, и ученые считают их просто большими обломками других спутников, которые уже перестали существовать.

В отличие от Земли, атмосфера Юпитера не имеет мезосферы. На Юпитере нет твёрдой поверхности, и самый нижний уровень атмосферы - тропосфера - плавно переходит в водородный океан мантии. Чётких границ между жидкостью и газом не наблюдается, потому что температура и давление на этом уровне много выше критических точек для водорода и гелия. Водород становится сверхкритической жидкостью примерно при давлении в 12 бар.

Тропосфера - включает в себя сложную систему из облаков и туманов, со слоями аммиака, гидросульфида аммония и воды. Верхние аммиачные облака, наблюдаемые на «поверхности» Юпитера, организованы в многочисленные полосы, параллельные экватору, и ограниченные сильными зональными атмосферными потоками (ветрами), известными как «струи». Полосы имеют различную окраску: более тёмные полосы принято называть «поясами», а светлые - «зонами». Зоны - это области восходящих потоков, имеющих меньшую температуру нежели пояса - области нисходящих потоков.
Происхождение структуры из полос и струй достоверно неизвестно, предложено две модели этой структуры. В поверхностной модели предполагается, что это поверхностные явления над стабильными внутренними областями. В глубинной модели предполагается, что полосы и струи - поверхностные проявления глубинной циркуляции, протекающей в юпитерианской мантии, которая состоит из молекулярного водорода и организована в виде системы цилиндров.

Первые попытки объяснить динамику атмосферы Юпитера относятся к 1960-м годам. Частично они основывались на земной метеорологии, хорошо разработанной к тому времени. Предполагалось, что атмосферные потоки на Юпитере возникают из-за турбулентности, которую в свою очередь поддерживает влажная конвекция во внешнем слое атмосферы (выше облаков). Влажная конвекция - явление, связанное с конденсацией и испарением воды, это одно из основных явлений, влияющих на формирование земной погоды. Появление потоков в этой модели связано с широко известным свойством двумерной турбулентности - так называемым обратным каскадом, при котором малые турбулентные структуры (вихри) сливаются и образуют более крупные вихри. Из-за конечного размера планеты такие структуры не могут вырасти больше некоторого характерного масштаба, для Юпитера он называется масштабом Райнса (Rhines scale). Это связано с влиянием волн Россби. Механизм таков: когда крупнейшая турбулентная структура достигает определенного размера, энергия начинает перетекать в волны Россби, а не в структуру большего размера, обратный каскад останавливается. На сферической быстро вращающейся планете дисперсионное соотношение для волн Россби анизотропно, поэтому масштаб Райнса в направлении параллелелей больше, чем в направлении меридиан. В результате образуются крупномасштабные структуры, растянутые параллельно экватору. Их меридиональная протяженность кажется такой же, как и фактическая ширина потоков. Таким образом, в приповерхностных моделях вихри передают энергию потокам и поэтому должны исчезать. Хотя эти модели успешно объясняют существование десятков узких потоков, в них есть и серьёзные недостатки. Самый заметный из них: за редким исключением должен появляться сильный экваториальный поток в направлении против вращения планеты, а наблюдается поток по вращению. Кроме того, потоки имеют склонность быть нестабильными и могут время от времени пропадать. Приповерхностные модели не объясняют, как наблюдаемые течения в атмосфере Юпитера нарушают критерий устойчивости. Более проработанные многослойные варианты таких моделей дают более стабильную картину циркуляции, но многие проблемы всё равно остаются. Между тем, зонд Галилео обнаружил, что ветры на Юпитере простираются значительно ниже уровня облаков (5-7 бар) и нет признаков их исчезновения вплоть до уровня 22 бар, а значит циркуляция атмосферы Юпитера может на самом деле быть глубокой.

Приповерхностные модели атмосферы Юпитера

Первая глубинная модель была предложена Бузи (Busse) в 1976 году. Она основана на известной в гидродинамике теореме Тейлора-Прудмана, которая заключается в следующем: в любой быстро вращающейся баротропной идеальной жидкости потоки организуются в ряд цилиндров, параллельных оси вращения. Условия теоремы, вероятно, соблюдаются в условиях недр Юпитера. Поэтому водородная мантия Юпитера вполне может быть разделена на множество цилиндров, в каждом из которых циркуляция независима. На тех широтах, где внешние и внутренние границы цилиндров пересекаются с видимой поверхностью планеты, образуются потоки, а сами цилиндры видны как зоны и пояса. Глубинная модель легко объясняет струю, направленную по вращению планеты, на экваторе Юпитера. Струи устойчивы и не подчиняются двумерному критерию устойчивости. Однако у модели есть сложности: она предсказывает очень небольшое количество широких струй. Реалистичное трёхмерное моделирование пока невозможно, а упрощённые модели, используемые для того, чтобы подтвердить глубинную циркуляцию, могут упускать важные аспекты гидродинамики Юпитера. Одна из моделей, опубликованных в 2004 году, довольно правдоподобно воспроизвела струйно-полосную структуру атмосферы Юпитера. Согласно этой модели, внешняя водородная мантия является более тонкой, чем в прочих моделях, и имела толщину всего в 10% от радиуса планеты, тогда как в стандартных моделях Юпитера она занимает 20-30%. Другая проблема - процессы, которые могут управлять глубинной циркуляцией. Возможно, глубинные потоки могут быть вызваны приповерхностными силами, например влажной конвекцией, или глубинной конвекцией всей планеты, которая выносит тепло из недр Юпитера. Какой из этих механизмов важнее - до сих пор неясно.

Глубинные модели атмосферы Юпитера

В атмосфере Юпитера происходят разнообразные активные явления, такие как нестабильность полос, вихри (циклоны и антициклоны), бури и молнии. Вихри выглядят как крупные красные, белые и коричневые пятна (овалы). Два крупнейших пятна - Большое красное пятно (БКП) и овал BA - имеют красноватый оттенок. Они, как и большинство других крупных пятен, являются антициклонами. Маленькие антициклоны обычно бывают белыми. Предполагается, что глубина вихрей не превышает нескольких сотен километров.

Расположенное в южном полушарии БКП - крупнейший из известных в Солнечной системе вихрей. В пределах этого вихря могло бы разместиться несколько планет размером с Землю, и он существует уже по крайней мере 350 лет. Овал BA, который находится южнее БКП и в три раза меньше последнего, представляет собой красное пятно, сформировавшееся в 2000 году при слиянии трёх белых овалов.

На Юпитере постоянно бушуют сильные бури с грозами. Буря - результат влажной конвекции в атмосфере, связанной с испарением и конденсацией воды. Это участки сильного восходящего движения воздуха, которое приводит к формированию ярких и плотных облаков. Бури формируются главным образом в областях поясов. Разряды молний на Юпитере гораздо сильнее, чем на Земле, однако их меньше, поэтому средний уровень грозовой активности близок к земному.

Информация о состоянии верхнего слоя атмосферы получена зондом Галилео при спуске в атмосферу Юпитера.

Так как нижняя граница атмосферы не известна точно, уровень давления в 10 бар, на 90 км ниже давления в 1 бар, с температурой около 340 К, считается основанием тропосферы. В научной литературе уровень давления в 1 бар обычно выбирается как нулевая точка для высот «поверхности» Юпитера. Как и на Земле, у верхнего уровня атмосферы - экзосферы - нет чётко определённой границы. Плотность её постепенно уменьшается, и экзосфера плавно переходит в межпланетное пространство приблизительно в 5000 км от «поверхности».

По данным с борта космического аппарата Юнона облачные слои пролегают глубже, чем предполагалось, включая тяжелые аммиачные облака. Вместо того, чтобы ограничиваться верхними слоями облаков, аммиак, по-видимому концентрируется гораздо глубже, на глубине 350 километров. Сигнатура аммиака зарегистрирована между поверхностными облаками (которые начинаются на глубине 100 км) и конвективной областью (500 километров). На фото: с помощью микроволнового радиометра JIRAM ученые обнаружили, что атмосфера Юпитера изменчива вплоть до, по меньшей мере, 350 километров. Это отображено на вставке сбоку, оранжевый цвет означает высокое содержание аммиака, а синий наоборот его низкие показатели. Похоже, что вдоль экватора Юпитера пролегает пояс с высоким содержанием аммиака, что противоречит ожиданиям ученых относительно его равномерного распределения.

Атмосфера Юпитера

Вертикальные вариации температур в юпитерианской атмосфере схожи с земными. Температура тропосферы уменьшается с высотой, пока не достигает минимума, называемого тропопаузой, которая представляет собой границу между тропосферой и стратосферой. На Юпитере тропопауза приблизительно на 50 км выше видимых облаков (или уровня в 1 бар), где давление и температура близки к 0,1 бар и 110 К. В стратосфере температура повышается до приблизительно 200 К при переходе в термосферу и при высоте и давлении в около 320 км и 1 мкбар. В термосфере температура продолжает повышаться, в конечном счёте достигая 1000 К приблизительно на высоте в 1000 км и при давлении в 1 нанобар.

Для тропосферы Юпитера характерна сложная структура облаков. Верхние облака, расположенные на уровне давления 0,6-0,9 бар, состоят из аммиачного льда. Предполагается, что существует более низкий слой облаков, состоящий из гидросульфида аммония (или сульфида аммония) (между 1-2 бар) и воды (3-7 бар). Это точно не облака из метана, поскольку температура там слишком высока для его конденсации. Водяные облака формируют самый плотный слой облаков и оказывают сильное влияние на динамику атмосферы. Это результат высокой конденсационной теплоты воды и её более высокого содержания в атмосфере по сравнению с аммиаком и сероводородом (кислород более часто встречающийся химический элемент, чем азот или сера).

Пример аммиачных облаков на Юпитере Снимок массивного шторма в северном полушарии Юпитера получен во время 9-го облета Юпитера 24 октября 2017 года в 10:32 PDT с расстояния в 10 108 км от газового гиганта. Шторм вращается против часовой стрелки с широким перепадом высот. Более темные облака на снимке располагаются глубже в атмосфере, чем их яркие собратья. В некоторых местах рукавов бури видны небольшие светлые облака, отбрасывающие тени на более низкие горизонты (солнце освещает область слева). Яркие облака и их тени примерно от 7 до 12 км по ширине и в длину. Они, как ожидается, состоят из восходящих потоков кристаллов ледяного аммиака, возможно, смешанного с водяным льдом.

Атмосфера Юпитера

Различные тропосферные (200-500 мбар) и стратосферные (10-100 мбар) слои тумана расположены выше основного слоя облаков. Последние состоят из конденсировавшихся тяжёлых полициклических ароматических углеводородов или гидразина, которые образуется в стратосфере (1-100 мкбар) под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения на метан или аммиак. Обилие метана относительно молекулярного водорода в стратосфере 10 -4 , тогда как отношение других углеводородов, например этана и ацетилена, к молекулярному водороду - около 10 -6 .
Термосфера Юпитера расположена на уровне давления ниже 1 мкбар и ей свойственны такие явления, как свечение атмосферы, полярное сияние и рентгеновское излучение. В пределах этого уровня атмосферы увеличение плотности электронов и ионов формируют ионосферу. Причины преобладания в атмосфере высоких температур (800-1000 К) полностью не объяснены; текущие модели не предусматривают температуру выше 400 K. Это может быть следствием адсорбции высоко-энергетической солнечной радиации (ультрафиолетовой или рентгеновской), нагреванием заряженных частиц от ускорения в магнитосфере Юпитера, или рассеиванием вверх-распространяющихся гравитационных волн.

В низких широтах и полюсах термосфера и экзосфера являются источниками рентгеновского излучения, что впервые наблюдалось ещё Обсерваторией Эйнштейна в 1983 году. Энергетические частицы из магнитосферы Юпитера являются причиной ярких авроральных овалов, которые окружают полюса. В отличие от земных аналогов, которые появляются лишь во время магнитных штормов, полярные сияния в атмосфере Юпитера наблюдаются постоянно. Термосфера Юпитера - единственное место за пределами Земли, где обнаружен трёхатомный ион (H 3 +). Этот ион вызывает сильную эмиссию в средней инфракрасной части спектра на длинах волн между 3 и 5 мкм и выступает в роли главного охладителя термосферы.

Химический состав

Атмосфера Юпитера изучена наиболее полно относительно прочих атмосфер газовых гигантов, так как непосредственно была зондирована спускаемым космическим аппаратом Галилео, который был запущен в атмосферу Юпитера 7 декабря 1995 года. Также источниками информации служат наблюдения Инфракрасной космической обсерватории (ISO), межпланетных зондов Галилео и Кассини, а также данные наземных наблюдений.

Газовая оболочка, окружающая Юпитер, преимущественно состоит из молекулярного водорода и гелия. Относительное количество гелия 0,157 ± 0,0036 по отношению к молекулярному водороду по числу молекул и его массовая доля, 0,234 ± 0,005, ненамного ниже первичного значения по Солнечной системе. Причина этого не до конца ясна, но, будучи плотнее водорода, большая часть гелия может конденсироваться в ядро Юпитера. Атмосфера содержит также немало простых соединений, например воду, метан (CH 4), сероводород (H 2 S), аммиак (NH 3) и фосфин (PH 3). Их относительное количество в глубокой (ниже 10 бар) тропосфере подразумевает, что атмосфера Юпитера в 3-4 раза богаче углеродом, азотом, серой и, возможно, кислородом чем Солнце. Количество благородных газов, таких как аргон, криптон и ксенон, превосходит количество таковых на Солнце (см. таблицу), тогда как неона явно меньше. Другие химические соединения, арсин (AsH 3) и герман (GeH 4), присутствуют только в следовых количествах. Верхняя атмосфера Юпитера содержит малые относительные количества простых углеводородов: этана, ацетилена, и диацетилена, которые формируются под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации и заряженных частиц, прибывающих из магнитосферы Юпитера. Диоксид углерода, моноксид углерода и вода в верхней части атмосферы, как полагают, обязаны своим присутствием столкновениям с атмосферой Юпитера комет, таких, как комета Шумейкеров-Леви 9. Вода не может прибывать из тропосферы, потому что тропопауза, действующая как холодная ловушка, эффективно препятствует поднятию воды до уровня стратосферы.

Элемент	Солнце	Юпитер/Солнце
		3,6 ± 0,5 (8 бар) 3,2 ± 1,4 (9-12 бар)
		0,033 ± 0,015 (12 бар) 0,19-0,58 (19 бар)
Распространённость элементов в соотношении с водородом на Юпитере и Солнце

Отношение	Солнце	Юпитер/Солнце
		0,0108 ± 0,0005
		2,3 ± 0,3*10 -3 (0,08-2,8 бар)
	1,5 ± 0,3*10 -4	1,66 ± 0,05*10 -4
	3,0 ± 0,17*10 -5	2,25 ± 0,35*10 -5
Изотопное соотношение на Юпитере и Солнце

Наземные наблюдения, а также наблюдения с бортов космических аппаратов привели к улучшению знаний об изотопном соотношении в атмосфере Юпитера. По данным на июль 2003 года, принятое значение для относительного количества дейтерия - (2,25 ± 0,35)*10 -5 , что вероятно представляет собой первичное значение для протосолнечной туманности, из которой и сформировалась Солнечная система. Соотношение изотопов азота 15 N и 14 N в атмосфере Юпитера составляет 2,3*10 -3 , что на треть ниже, чем в земной атмосфере (3,5*10 -3). Последнее открытие особо существенно, так как предыдущие теории формирования Солнечной системы полагали, что земные значения для изотопов азота были первичны.
В отличие от облаков Земли, состоящих только из воды, облака Юпитера содержат различные соединения водорода, углерода, азота, кислорода, серы и фосфора. Их состав определяется давлением, температурой, освещенностью и движениями атмосферы. Давно известно, что в атмосфере Юпитера присутствуют аммиак (NH 3) и метан (СН 4), молекулы которых содержат много водорода. Но аммиак, метан, водяной пар, гидросульфид аммония (NH 3 H 2 S) - все это малые составляющие доступной изучению части атмосферы Юпитера. Отметим, что присущие Юпитеру сильные полосы паров аммиака едва заметны у Сатурна, а Уран и Нептун не имеют их вовсе, так как весь аммиак замораживается глубоко под их облачными слоями. Зато полосы метана у этих планет становятся весьма широкими и занимают значительную часть cпектра в красно-голубой его части, что и придает этим планетам сине-зеленую окраску.
На уровне облаков Юпитера содержание водяного пара составляет 1,5*10 -3 , метана 8,3*10 -3 , гидросульфида аммония в газовой фазе 2,8*10 -5 , аммиака 1,7*10 -4 . При этом содержание аммиака переменно и зависит от высоты. Именно он образует видимый облачный покров; температура его конденсации зависит от давления и составляет 130-200 К, что в среднем совпадает с тем, что наблюдается на уровне облаков. При температуре 165 К давление аммиака над кристалликами аммиачного льда составляет 1,9 мбар, и возрастает вдвое при 170 К. Для конденсации метана при тех же давлениях нужна значительно более низкая температура, 79 К. Поэтому метан в атмосфере Юпитера в твердую фазу, по-видимому, не конденсируется.
В облаках наряду с кристаллами должны присутствовать капли жидкого аммиака. Цвет облаков с такой смесью белый с легким желтоватым оттенком, характерным для зон. Однако для объяснения красно-коричневых оттенков поясов необходим какой-то другой окрашивающий агент. По-видимому, некоторые цветные оттенки поясам придает фосфин (РН 3) - газообразное соединение фосфора с водородом, содержание которого около 6*10 -7 . При температурах от 290 до 600 К оно распадается с выделением красного фосфора. И наоборот, при низкой температуре фосфор снова соединяется с водородом. Окраска облаков может быть связана также с водородными и аммонийными полисульфидами и серой. В списке газов, присутствующих в атмосфере Юпитера, значатся также этан, ацетилен, незначительное количество синильной кислоты (HCN).
Следует помнить, что видимая поверхность облаков представляет тонкий слой, всего несколько десятков километров. Под облаками из кристаллического аммония находятся другие слои: из сернистокислого аммония, водного раствора аммиака, из кристалликов водного льда, наконец - из капель воды.

Зоны, пояса и вихри

Видимая поверхность Юпитера делится на множество полос параллельных экватору. Есть два типа полос: относительно светлые зоны и затемнённые пояса. Широкая экваториальная зона (EZ) простирается примерно между широтами 7°S и 7°N. Выше и ниже EZ - Северные и Южные экваториальные пояса (NEB и SEB), простирающиеся до 18°N и 18°S соответственно. Дальше от экватора лежат Северные и Южные тропические зоны (NtrZ и STrZ). Такое неизменное чередование поясов и зон продолжается до 50°S и N, где их видимые проявления становятся несколько менее заметными. Пояса вероятно продолжаются примерно до 80° на север или юг по направлению к полюсам.

Разница в окрасе между зонами и поясами заключается в различиях между непрозрачностью облаков. Концентрация аммиака в зонах выше, что приводит к появлению более плотных облаков из аммиачного льда на бОльших высотах, а это, в свою очередь, делает зоны светлее. С другой стороны, облака поясов являются более тонкими и расположены на меньших высотах. Верхняя тропосфера более холодная в зонах и более тёплая в поясах. Точная природа веществ, которые делают зоны и пояса Юпитера такими «красочными», неизвестна, но они могут включать сложные соединения серы, фосфора и углерода.

Юпитерианские пояса граничат с зональными атмосферными потоками (ветрами), которые называют «струями». Струи, движущиеся в западном направлении (ретроградное движение), обычно наблюдаются при переходе из зон в пояса (дальше от экватора), тогда как движущиеся в восточном направлении (нормальное движение) - при переходе из поясов в зоны. Модели атмосферы Юпитера предполагают, что зональные ветра уменьшают свою скорость в поясах и увеличивают в зонах от экватора до полюсов. Поэтому градиент ветра в поясах циклонический, а в зонах антициклонический. Экваториальная зона - исключение из правила, в ней наблюдается сильное движение струй на восток, а локальный минимум скорости ветра находится точно на экваторе. Скорость струй на Юпитере очень высокая, местами она достигает 100 м/с. Такая скорость соответствует облакам из аммиака, расположенным в диапазоне давления 0,7-1 бар. Струи, обращающиеся в том же направлении, в каком вращается Юпитер, более сильны, чем те, которые обращаются против (ретроградные). Вертикальные размеры струй неизвестны. Зональные ветры затухают на высоте равной 2-3 шкалам высот над облаками. В то же время скорость ветра ниже уровня облаков возрастает лишь немного и остается постоянной вплоть до уровня давления в 22 бара - максимальной достигнутой спускаемым аппаратом «Галилео» глубины.

Схематическое представление расположения облачных полос Юпитера, они обозначены своими официальными аббревиатурами. Большое Красное Пятно и овал BA располагаются в южных тропических зонах и южных умеренных поясах соответственно. Юпитерианская атмосфера делится на зоны и пояса, и каждый из них имеет своё название и обладает особыми отличительными характеристиками. Они начинаются от южных и северных полярных областей, которые простираются от полюсов примерно на 40-48° N/S. Эти синевато-серые области обычно невыразительны. Северо-Северный умеренный регион редко демонстрирует больше примечательных деталей, чем полярные области из-за затемнённости, видения в перспективе и общей разбросанности примечательных областей. При этом Северо-северный умеренный пояс (NNTB) является самым северным отчётливо различимым поясом, хотя иногда и «исчезает». Пертурбации, как правило, имеют тенденцию быть незначительными и недолгими. Северо-северная умеренная зона является более заметной, но в целом такая же спокойная. Иногда в области наблюдаются другие незначительные пояса и зоны. Северный умеренный регион находится в широтах легко доступных для наблюдений с Земли и, таким образом, имеет превосходную запись наблюдений. Он также примечателен сильнейшей нормально-направленной струёй на планете, которая формирует южную границу северного умеренного пояса (NTB). NTB исчезает примерно раз в десятилетие (это как раз происходило при пролёте обоих Вояджеров), таким образом он на время соединяет Северную умеренную зону (NTZ) и Северную Тропическую зону (NTropZ). Остальное время NTZ представляет собой относительно узкую полоску, в которой можно выделить северный и южный компоненты. Северный тропический регион состоит из NTropZ и Северного экваториального пояса (NEB). NTropZ обычно очень устойчива в окраске, почти любые изменения в ней вызваны активностью южной струи в NTB. Как и NTZ, она иногда делится на узкую полоску - NTropB. В редких случаях, в южной части NTropZ возникают «Маленькие красные пятна». Как и следует из названия, они являются северными эквивалентами Большого красного пятна. В отличие от БКП, они имеют тенденцию возникать парами и существуют недолго, примерно год в среднем; несколько из них как раз существовало на момент пролёта Пионера 10. Северный экваториальный пояс (NEB) - один из наиболее активных поясов планеты. Он характеризуется наличием антициклонов («белые овалы») и циклонов («коричневые овалы»), причём антициклоны обычно образуются севернее; как и в NTropZ, большинство из этих примечательных образований существуют недолго. Как и южный экваториальный пояс (SEB), NEB иногда «пропадает» и «возрождается». Это происходит приблизительно раз в 25 лет. Экваториальная зона (EZ) - одна из наиболее устойчивых областей планетарной атмосферы. По северным краям EZ движутся на юго-запад из NEB своего рода «перья», они ограничиваются тёмными, тёплыми (в инфракрасном спектре) областями, известными как «фестоны» (горячие пятна). Хотя южная граница EZ обычно статична, наблюдения с позднего XIX века по начало XX показывают, что её «рисунок» с тех пор значительно изменился. EZ значительно меняется по окраске, от белёсого до охряного, или даже медно-красного; иногда внутри неё выделяют экваториальную полосу (EB). Атмосферные образования и облачность в EZ перемещаются относительно прочих широт со скоростью в примерно 390 км/ч. Южный тропический регион включает в себя южный экваториальный пояс (SEB) и южную тропическую зону . Это безусловно самый активный регион планеты, в нём же находится самая мощная ретроградная струя на планете. SEB - обычно самый широкий и самый тёмный пояс на Юпитере; однако, он иногда делится пополам зоной (SEBZ) и имеет свойство исчезать каждые 3-15 лет, прежде чем вновь появится; данное явление известно как «цикл возрождения SEB». Через несколько недель или месяцев после исчезновения пояса на его месте формируется белое пятно, извергающее материал тёмно-коричневого цвета, который юпитерианскими ветрами растягивается в новый пояс. В последний раз пояс пропадал в мае 2010 года. Помимо прочего, узнаваемой деталью SEB является длинная цепочка из циклонов создаваемых Большим красным пятном. Как и NTropZ, STropZ - одна из самых заметных зон на планете; в ней не только располагается БКП, но иногда в ней можно увидеть и Южную тропическую пертурбацию (STropD) - область внутри зоны, которая отличается относительной устойчивостью и долговечностью; наиболее длинный период её существования - с 1901 по 1939 годы. Южный умеренный регион , или Южный умеренный пояс (STB) - это иной, тёмный, хорошо-заметный пояс, крупнее чем NTB. До марта 2000 года, его наиболее заметными деталями были долгоживущие «овалы» BC, DE, и FA, которые теперь объединились в Овал BA («Красное младшее»). Овалы фактически были частью Южной умеренной зоны, но они ширились вплоть до STB, частично его ограничивая. STB иногда исчезал, очевидно из-за сложных взаимодействий между белыми овалами и БКП. Южная умеренная зона (STZ) - зона, в которой и зарождаются белые овалы, очень переменчивая. На Юпитере немало примечательных областей атмосферы, труднодоступных для наземных наблюдений. Южный умеренный регион даже труднее различить чем NNTR - его детали трудноразличимы без применения крупных наземных телескопов и космических аппаратов. Множество зон и поясов носят временный характер и не всегда заметны, например Экваториальная полоса (EB), Северная экваториальная поясная зона (NEBZ, белая зона с поясом) и Южная экваториальная поясная зона (SEBZ). Полосы иногда делятся разными атмосферными возмущениями. Когда зона или пояс делятся на части какой-либо пертурбацией, N или S добавляются для того, чтобы выделить северный или южный компонент зоны или пояса, например NEB(N) и NEB(S). Типичная для поясов и зон текстура облачности порою нарушается атмосферными возмущениями (пертурбациями). Одно из таких особо устойчивых и долгоживущих возмущений в Южной тропической зоне, получило название «Южной тропической пертурбации » (STD). История наблюдений отмечает один из наиболее длительных периодов существования STD, когда его можно было чётко различать с 1901 по 1939 годы. Впервые пертурбация была замечена Перси Б.Молесуортом 28 февраля 1901 года. Пертурбация выразилась в частичном затемнении обычно яркой STZ. С тех пор несколько схожих пертурбаций наблюдалось в Южной Тропической Зоне

Атмосфера Юпитера

Происхождение «ленточной структуры» облаков Юпитера не до конца ясно, однако управляющие ею механизмы напоминают земную ячейку Хэдли. Самая простая интерпретация: зоны - это места атмосферного апвеллинга, а пояса - проявление даунвеллинга. В зонах воздух, поднимаясь и обогащаясь аммиаком, расширяется и охлаждается, формируя высокие и плотные облака. В поясах же воздух опускается и нагревается адиабатическими процессами, и белые аммиачные облака испаряются, открывая находящиеся под ними более тёмные облака. Местоположение и ширина полос на Юпитере устойчивы и за период с 1980-х по 2000-е годы редко изменялись. Один из примеров изменения - небольшое уменьшение скорости мощной восточно-направленной струи между северными тропическими зонами и северными умеренными поясами на 23°N. Однако полосы изменяются по окраске и интенсивности цветов в течение долго времени.

Динамика атмосферы

С 1966 года известно о том, что Юпитер излучает гораздо больше тепла, чем получает от Солнца. Предполагается, что соотношение между мощностью излучения планеты и получаемым солнечным излучением приблизительно равно 1,67 ± 0,09. Внутренний тепловой поток от Юпитера составляет 5,44 ± 0,43 Вт/м 2 , тогда как общая излучаемая мощность равна 335 ± 26 ПВт. Последняя величина равна приблизительно одной миллиардной доли от общей мощности, излучаемой Солнцем.
Измерение тепловых потоков, исходящих от Юпитера, показало, что практически нет различий между полярными и экваториальными районами, его дневной и ночной сторонами. Значительную роль в этом играет подвод тепла благодаря адвекции - переносу газа в горизонтальных движениях атмосферы. На фоне упорядоченной структуры поясов и зон, вихрей и плюмажей наблюдаются быстрые течения газа - ветры со скоростью до 120 м/с. Если учесть большую теплоемкость водорода, то не будет удивлять постоянство температуры в разных районах планеты.
Причиной мощной циркуляции, доставляющей тепло к облачному слою, несомненно служит тепловой поток, исходящий из недр планеты. Во многих научных работах можно прочесть, что дополнительная энергия в недрах Юпитера и других планет-гигантов освобождается в результате очень медленного их сжатия; причем расчеты показывают, что для этого достаточно сжатия планеты на миллиметры в год. Однако сведения о строении Юпитера не подтверждают эту гипотезу.
Анализ движения космических аппаратов в гравитационном поле планеты позволяет судить о строении ее недр и состоянии вещества. Движение аппаратов показывает, что это газо-жидкая планета, состоящая из смеси водорода и гелия, и что твердой поверхности она не имеет. Фигура Юпитера математически идеальна, какой может быть только жидкая планета. Безразмерный момент инерции имеет очень низкое значение: 0,254. Это говорит о высокой концентрации массы в центре планеты. Значительная часть его ядра находится в жидком состоянии. А жидкое ядро практически несжимаемо. Источником теплового потока может быть выделившееся еще при формировании планеты (4,5 млрд лет назад) тепло, запасенное в ядре и оболочках Юпитера.
Есть свидетельства тому, что на ранних стадиях эволюции Юпитер излучал в космос огромные потоки энергии. Галилеевы спутники Юпитера, расположенные несравненно ближе к своей планете, чем к Солнцу, получали на единицу площади больше энергии, чем Меркурий от Солнца. Следы этих событий сохранились на поверхности Ганимеда. Расчеты показывают, что пиковая светимость Юпитера могла доходить до 1/10 светимости Солнца. В лучах Юпитера плавились льды на поверхности всех спутников, частично включая Ганимед. Реликтовое тепло планеты сохраняется с той далекой эпохи. А в настоящее время важным источником тепла может быть медленное погружение к центру планеты более плотного, чем водород, гелия.
Циркуляция в атмосфере Юпитера заметно отличается от земной. Поверхность Юпитера жидкая, твёрдая поверхность отсутствует. Поэтому, конвекция может происходить в любой области внешней газовой оболочки. Пока нет всесторонней теории динамики атмосферы Юпитера. Такая теория должна объяснять следующие факты: существование узких устойчивых полос и потоков, симметричных относительно экватора, мощный экваториальный поток с запада на восток (в направлении вращения планеты), разницу между зонами и поясами, а также происхождение и устойчивость крупных вихрей, например Большого красного пятна.

В теплых районах планеты, расположенных у экатора, каждая конвекционная ячейка атмосферы Юпитера поднимает вещества вверх, где они остывают, а затем сбрасывает их ближе к полюсам. И этот процесс происходит беспрерывно. По мере того как смесь газов поднимается вверх, сначала происходит их конденсация, а потом, выше, формируются облака из гидросульфида аммония. Облака из аммиака, расположенные в светлых зонах Юпитера, появляются только в самой высокой точке. Верхние слои атмосферы движутся на запад, в направлении вращения самой планеты. В то время как силы Кориолиса толкают аммиачные облака в противоположную сторону.

Атмосфера Юпитера

В атмосфере Юпитера практически нет меридиональных течений. Зоны и пояса - это области восходящих и нисходящих потоков в атмосфере, которые в долготном направлении имеют глобальную протяженность. Эти атмосферные течения, параллельные экватору, имеют некоторое сходство с пассатами Земли. Движущие силы в этой природной тепловой машине - потоки тепла, идущие из глубины планеты, энергия, получаемая от Солнца, а также быстрое вращение планеты. Видимые поверхности зон и поясов в таком случае должны находиться на разных высотах. Это было подтверждено тепловыми измерениями: зоны оказались холоднее поясов. Разница в температурах показывает, что видимая поверхность зон расположена примерно на 20 км выше. БКП оказалось выше и на несколько градусов холоднее поясов. И, наоборот, голубые пятна оказались источниками тепловой радиации, восходящей из глубоких слоев атмосферы. Не обнаружено существенной разности температур между полярными и экваториальными областями планеты. Косвенно это позволяет сделать такой вывод: внутреннее тепло планеты играет более важную роль в динамике ее атмосферы, чем энергия, получаемая от Солнца. Средняя температура на уровне видимых облаков близка к 130 К.

Еще по наземным наблюдениям астрономы разделили пояса и зоны в атмосфере Юпитера на экваториальные, тропические, умеренные и полярные. Поднимающиеся из глубин атмосферы нагретые массы газов в зонах под действием значительных на Юпитере кориолисовых сил вытягиваются в долготном направлении, причем противоположные края зон движутся навстречу друг другу, вдоль параллелей. На границах зон и поясов (области нисходящих потоков) видна сильная турбулентность; скорости движения здесь достигают наибольших значений, до 100 м/с, а в районе экватора даже 150 м/с. Севернее экватора потоки в зонах, направленные к северу, отклоняются кориолисовыми силами к востоку, а направленные к югу - к западу. В южном полушарии направление отклонений обратное. Именно такую структуру движений на Земле образуют пассаты. «Крыша» облаков в поясах и зонах находится на разных высотах. Различия в их окраске определяются температурой и давлением фазовых переходов малых газообразных составляющих. Светлые зоны - это восходящие колонны газа с повышенным содержанием аммиака, пояса - обедненные аммиаком нисходящие потоки. Яркая окраска поясов связана, вероятно, с аммонийными полисульфидами и некоторыми другими окрашивающими компонентами, например, фосфином.

Вихри в атмосфере Юпитера

Экспериментальные данные свидетельствуют, что динамика облачного слоя Юпитера - лишь внешнее проявление могучих сил, действующих в подоблачной атмосфере планеты. Удавалось наблюдать, как в облаках возникает мощное вихревое образование, местный ураган, диаметром в 1000 км и более. Такие образования живут долго, по нескольку лет, а наиболее крупные из них - даже несколько сотен лет. Подобные вихри образуются, например, в результате движения больших масс поднимающегося нагретого газа в атмосфере.
Возникший вихрь выносит на поверхность облаков нагретые массы газа с парами малых компонентов, чем замыкается цепь их кругооборота в атмосфере. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиака в виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере и достигают такого уровня температуры, где испаряются. В газовой фазе вещество снова возвращается в облачный слой.

Изменения на Юпитере в ввидимом диапазоне и ИК

Атмосфера Юпитера

Атмосфера Юпитера - дом для сотен вихрей: круглых вращающихся структур, которые, как и в земной атмосфере, можно разделить на 2 класса: циклоны и антициклоны. Первые вращаются в направлении вращения планеты (против часовой стрелки в северном и по часовой в южном полушарии); вторые - в обратном направлении. Однако, в отличие от земной атмосферы, в атмосфере Юпитера антициклоны преобладают над циклонами: из вихрей, диаметр которых превышает 2000 км, более чем 90% - антициклоны. «Срок жизни» вихрей варьируется от нескольких дней до столетий, в зависимости от их размеров: например, среднее время жизни антициклонов с диаметрами от 1000 до 6000 км - 1-3 года. Вихри никогда не наблюдались на экваторе Юпитера (в пределах 10° широты), где они нестабильны. Как и на любой быстро вращающейся планете, антициклоны Юпитера - центры высокого давления, тогда как циклоны - центры низкого давления.

Антициклоны на Юпитере всегда ограничены в зонах, где скорость ветра увеличивается в направлении от экватора к полюсам. Обычно они яркие и проявляются как белые овалы. Они могут двигаться по долготе, но остаются на той же широте, будучи неспособными покинуть породившую их зону. Скорость ветра на их периферии может достигать 100 м/с. Разные антициклоны, расположенные в одной зоне, имеют тенденцию объединяться при сближении друг с другом. Однако в атмосфере Юпитера наблюдалось и наблюдается два антициклона непохожие на прочие - это Большое красное пятно (БКП) и овал BA, сформировавшийся в 2000 году. В отличие от белых овалов, в их структуре преобладает красный окрас - вероятно, благодаря поднимающемуся из глубин планеты веществу красноватого цвета. На Юпитере антициклоны обычно формируются путём слияния меньших структур, включая конвективные штормы, хотя большие овалы могут появляться и из нестабильных струй. В последний раз такое наблюдалось в 1938-1940 годах, когда несколько белых овалов были порождены нестабильностью в южной умеренной зоне; позднее они объединились и сформировали Овал BA.
В противоположность антициклонам, юпитерианские циклоны - компактные тёмные структуры с неправильной формой. Наиболее тёмные и обладающие наиболее правильными очертаниями циклоны называют коричневыми овалами. Однако существование нескольких крупных долгоживущих циклонов не исключено. В дополнение к компактным циклонам, на Юпитере можно наблюдать несколько волокнистых «обрывков» неправильной формы, в которых наблюдается циклоническое вращение. Один из них располагается западнее БКП в южном экваториальном поясе. Эти «обрывки» называют циклоническими регионами (CR). Циклоны всегда образуются только в поясах, и, подобно антициклонам, при сближении они сливаются.
Глубинная структура вихрей до конца не ясна. Считается, что они относительно тонкие, так как любая толщина свыше примерно 500 км привела бы к нестабильности. Крупные антициклоны не поднимаются выше нескольких десятков километров относительно наблюдаемой облачности. Одна из гипотез предполагает, что вихри - это глубинные конвекционные «перья» (или «конвекционные колоны»), но на данный момент она не снискала популярности у планетологов.

Вихревые образования вроде пятен голубого и коричневого оттенков наблюдались не только в устойчивых поясах и зонах, но и в полярных районах Юпитера. Здесь характерный вид облачного слоя представляет светло-коричневое поле с темными и светлыми коричневыми и голубоватыми пятнами. Здесь, в области тех широт, где зональная циркуляция становится неустойчивой, пояса и зоны уступают место метеорологическим образованиям типа «кружевных воротников» и «плюмажей». Районы вблизи полюса планеты увидеть можно только с космических аппаратов. Кажущийся хаос пятен все же подчиняется общей закономерности циркуляции, причем определяющую роль играют движения в глубине атмосферы.

Принимая ряд допущений, теоретики сумели в цилиндрической модели получить явления, напоминающие то, что видно на Юпитере (и Сатурне). Структура планеты представляет собой систему из вложенных друг в друга цилиндров, осью которых служит полярная ось. Цилиндры проходят сквозь всю планету и выходят на поверхность, скажем, у 40° с. ш. и у 40° ю. ш. То, что мы видим, - срезы этих цилиндров, вращающихся с различными скоростями. Если считать от экватора, то цилиндры проникают вглубь на половину радиуса планеты. Пятна или овалы также представляют собой сквозные колонны, зажатые между цилиндрами. Кстати, некоторые наблюдатели указывают, что симметрично БКП на той же широте в северном полушарии иногда видно такое же по размерам, но слабее выраженное пятно.

Дочерние голубые пятна, возможно, наблюдаются сквозь разрывы облачного слоя. Однако часто разрывы бывают не связаны с пятнами и сквозь них видны более низкие облачные слои. Серия подобных разрывов наблюдалась вдоль границы Северного экваториального пояса. Разрывы существуют довольно долго, по нескольку лет. О том, что это именно разрывы, свидетельствует повышенный поток тепла от этих мест. С глубиной температура быстро возрастает. Уже на уровне давления 2 бар она составляет примерно 210 К. А радиоизлучение, приходящее с больших глубин, свидетельствует о более высокой температуре. По расчетам, на глубине 300 км атмосфера Юпитера так же горяча, как и атмосфера Венеры у ее поверхности (около 730 К).

Грозы на Юпитере

Также в атмосфере Юпитера регистрируются молнии. Снимки с «Вояджеров» показали, что на ночной стороне Юпитера наблюдаются световые вспышки колоссальной протяженности - до 1000 км и более. Это сверхмолнии, энергия в которых намного больше, чем в земных. Выяснилось, однако, что юпитерианские молнии малочисленнее земных. Интересно, что молнии Юпитера были обнаружены через 3 месяца после открытия гроз на Венере.
Грозы на Юпитере напоминают земные. Они проявляют себя как яркие и массивные облака размерами примерно 1000 км, которые время от времени появляются в циклонических районах поясов, особенно в пределах сильных западно-направленных струй. В отличие от вихрей, грозы - короткоживущее явление, самая мощная из них может просуществовать несколько месяцев, тогда как средняя продолжительность существования - 3-4 дня. Считается, что они - следствие влажной конвекции в слоях Юпитерианской тропосферы. Фактически грозы представляют собой «конвекционные колоны» (перья), которые поднимают влажные воздушные массы из глубин всё выше и выше, пока они не уплотнятся в облака. Типичная высота Юпитерианских грозовых облаков 100 км, то есть они простираются до уровня давления в примерно 5-7 бар, тогда как гипотетические водяные облака начинаются на уровне давления в 0,2-0,5 бар.

Грозы на Юпитере, конечно, не обходятся без молний. Изображения ночной стороны Юпитера, полученные космическими аппаратами Галилео и Кассини, позволяют различить регулярные вспышки света в Юпитерианских поясах и вблизи от западно-направленных струй, в основном на широтах 51°С, 56°Ю и 14°Ю. Удары молнии на Юпитере в целом более мощные, чем на Земле. Однако они происходят куда реже, и света они создают своими вспышками примерно столько же, сколько и земные. Несколько вспышек молнии было зафиксировано в полярных регионах Юпитера, что делает Юпитер второй после Земли планетой на которой можно увидеть полярные молнии.
Каждые 15-17 лет на Юпитере начинается особо мощный период грозовой активности. Она, в основном, проявляется на широте 23°С, где расположена самая сильная восточно-направленная струя. В последний раз такое наблюдалось в июне 2007 года. Любопытно, что две грозы обособленно располагавшиеся на долготе 55° в Северном умеренном поясе оказали на пояс значительное влияние. Материя тёмного цвета, созданная грозами, смешалась с облачностью пояса и переменила его окрас. Грозы двигались на скорости в примерно 170 м/с, даже чуть быстрее самой струи, что косвенно свидетельствует о существовании ещё более сильных ветров в глубинных слоях атмосферы.

Атмосфера Юпитера

Когда давление атмосферы Юпитера достигнет давления земной атмосферы, остановимся и осмотримся. наверху видно обычное голубое небо, вокруг клубятся густые белые облака сконденсированного аммиака. На этой высоте температура воздуха достигает -100о С.

Красноватая окраска части юпитерианских облаков говорит о том, что здесь много сложных химических соединений. Разнообразные химические реакции в атмосфере инициируются солнечным ультрафиолетовым излучением, мощными разрядами молний (гроза на Юпитере должна быть впечатляющим зрелищем!), а также теплом, идущим из недр планеты.

Атмосфера Юпитера кроме водорода (87%) и гелия (13%) содержит малые количества метана, аммиака, водяного пара, фосфорина, пропана и много других веществ. Здесь трудно определить из-за каких веществ юпитерианская атмосфера приобрела оранжевый цвет.

Следующий ярус облаков состоит из красно-коричневых кристаллов гидросульфида аммония при температуре -10о С. Водяной пар и кристаллы воды образуют более низкий ярус облаков при температуре 20о С и давлением в несколько атмосфер - почти над самой поверхностью океана Юпитера.

Толщина атмосферного слоя, в котором возникают все эти удивительные облачные структуры, - 1000 км.

Темные полосы и светлые зоны, параллельные экватору, соответствуют атмосферным течениям разного направления (одни отстают от вращения планеты, другие его опережают). Скорости этих течений - до 100 м/с. На границе разнонаправленных течений образуются гигантские завихрения.

Особенно впечатляет Большое Красное Пятно - колоссальный атмосферный вихрь эллиптической формы размером около 15 х 30 тыс. километров. Когда он возник - неизвестно, но в наземные телескопы он наблюдается уже 300 лет. Этот антициклон иногда почти исчезает, а затем появляется вновь. Очевидно, он родственник земных антициклонов, но из-за своих размеров гораздо более долгоживущий.

“Вояджеры”, посланные к Юпитеру провели тщательный анализ облаков, подтвердивший уже имевшуюся модель внутреннего строения планеты. Стало совершенно ясно, что Юпитер представляет собой мир хаоса: там бушуют нескончаемые бури с громами и молниями, кстати Красное Пятно является частью этого хаоса. А на ночной стороне планеты “Вояджеры” зарегистрировали многочисленные зарницы.

Юпитерианский океан

Юпитерианский океан состоит из главного на планете элемента - водорода. При достаточном высоком давлении водород превращается в жидкость. Вся поверхность Юпитера под атмосферой - это огромный океан сжиженного молекулярного водорода.

Какие волны возникают в океане жидкого водорода при сверхплотном ветре со скоростью 100 м/с? Вряд ли поверхность водородного моря имеет четкую границу: при больших давлениях на ней образуется газожидкая водородная смесь. Это выглядит как непрерывное “кипение” всей поверхности юпитерианского океана. Падение в него кометы в 1994 г. вызвало исполинское цунами многокилометровой высоты.

По мере погружения в океан Юпитера на протяжении 20 тыс. километров быстро увеличиваются давление и температура. На расстоянии 46 тыс. км. от центра Юпитера давление достигает 3 млн. атмосфер, температура 11 тыс. градусов. Водород не выдерживает высокого давления и переходит в жидкое металлическое состояние.

Ядро. Погрузимся еще на 30 тыс. км., во второй океан Юпитера. Ближе к центру температура достигает 30 тыс. градусов, а давление 100 млн. атмосфер: здесь располагается небольшое (“всего” в 15 масс Земли!) ядро планеты, которое в отличие от океана состоит из камня и металлов. Ничего в этом удивительного в этом нет - ведь и Солнце содержит примеси тяжелых элементов. Ядро сформировалось в результате слипания частиц, состоявших из тяжелых химических элементов. Именно с него и началось образование планеты.

Спутники Юпитера и его кольцо

Сведения о Юпитере и его спутниках существенно пополнились благодаря пролету возле планеты нескольких автоматических космических аппаратов. Общее число известных спутников подскочило с 13 до 16. Двое из них - Ио и Европа - размером с нашу Луну, а другие две - Ганимед и Каллисто - превзошли по диаметру ее в полтора раза.

Владения Юпитера довольно обширны: восемь внешних спутников настолько удалены от него, что их нельзя было бы наблюдать с самой планеты невооруженным глазом. Происхождение спутников загадочно: половина из них движется вокруг Юпитера в обратную сторону (по сравнению с обращением других 12 спутников и направлением суточного вращения самой планеты).

Спутники Юпитера - это интереснейшие миры, каждый со своим “лицом” и историей, которые открылись нам только в космическую эру.

Благодаря космическим станциям “Пионер”, получила непосредственное подтверждение прежняя мысль о существовании вокруг Юпитера разряженного газо-пылевого кольца наподобие знаменитого кольца Сатурна.

Основное кольцо Юпитера отстоит от планеты на один радиус и простирается в ширину на 6 тыс. км. и имеет толщину в 1 км. Один из спутников обращается по внешней кромке этого кольца. Однако еще ближе к планете, почти достигая ее облачного слоя, располагается система значительно менее плотных “внутренних” колец Юпитера.

Увидеть кольцо Юпитера с Земли практически не возможно: оно очень тонкое и постоянно повернуто к наблюдателю ребром из-за малого наклона оси вращения Юпитера к плоскости его орбиты.

Изучение Юпитера

© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Атмосфера Юпитера

БКП и белый овал

Экваториальная зона

Атмосфера Юпитера состоит в основном из молекулярного водорода (76,1 % по массе) и гелия (23,8% по массе). В незначительном количестве присутствуют метан (0,21%), аммиак, инертные газы, а также кристаллики водяного льда. На поверхности Юпитера постоянно дуют сильные ветры. На Земле ветры со скоростью 150 м/с мы назвали бы ураганными, а для Юпитера такие ветры – нормальное явление. Установлено, что в северной полусфере Юпитера потоки атмосферного ветра достигают 600 км/ч (это 166 м/с ).

Чёткой границы между поверхностью и атмосферой на Юпитере, как и на других газообразных планетах, не существует. Для определения такой границы астрономы ввели понятие условной «нулевой высоты», на которой происходит смена градиента температуры на обратный, т.е. начинается обратный отсчет температуры. Для точного определения нулевой высоты на Юпитере его атмосфера ещё недостаточно изучена. За верхнюю границу атмосферы планеты взят уровень давления в 1 нбар. При измерении физических свойств атмосферы зондом Галилео использовалась точка отсчёта с давлением в 1 атмосферу.

По данным зонда Галилео скорость ветра сначала растёт с глубиной, а потом становится постоянной. На уровне давления 0,5 атм. скорость ветра составила 90 м/сек , достигла 170 м/сек на уровне 4 атм. и далее почти не менялась.

Скорость / направление зональных ветров на Юпитере в зависимости от широты

В экваториальной области Юпитера ветры дуют в прямом направлении, т.е. в направлении вращения планеты, со скоростью ок. 70-140 м/сек . Но уже на 15-18 градусах северной и южной широт направление потоков газа меняется на обратное, где достигает скорости 50-60 м/сек . В дальнейшем атмосферные течения прямого и обратного направления несколько раз сменяют друг друга, а скорость ветра в них уменьшается с увеличением широты. В приполярных широтах зональная скорость ветра близка к нулю.

Установлено, что в атмосфере Юпитера присутствуют три слоя облаков. Наверху расположены облака́ из оледеневшего аммиака, ниже – кристаллы сероводорода аммония и метана, а в самом нижнем слое – водяной лёд и, возможно, жидкая вода.

Атмосфера Юпитера отличается высокой электрической активностью. Грозы там гремят непрерывно. Молнии достигают длины 1000 км и даже больше. В атмосфере Земли молнии длиной 50 км являются большой редкостью.

Вспышки молний в атмосфере Юпитера. Снимок ночной стороны планеты.

По современным представлениям, наружный слой Юпитера толщиной в 0,15 радиуса планеты, т.е. около 10000 км состоит из газа (смесь водорода и гелия). За этим слоем находится слой жидкого молекулярного водорода (смесь жидкого водорода и гелия). Толщина этого слоя составляет около 0,75 радиуса планеты, т.е. около 54 тысяч км. температура жидкого водорода в этом слое достигает 2000°С. Далее, на глубине до 0,9 радиуса планеты (около 65 тысяч км ) водород находится в твёрдом металлическом состоянии с плотностью 11 (г/см³) и температурой 20000°С. Давление в этой зоне достигает 5 миллионов земных атмосфер.

Ядро Юпитера представляет собой твёрдое образование из железосиликатных и каменистых пород. Радиус ядра может составлять от 0,1 до 0,15 радиуса планеты, а его масса составляет около 4% общей массы Юпитера.

Под металлическим водородом понимается такое его агрегатное состояние, когда под давлением в несколько миллионов земных атмосфер электроны атомов водорода теряют связь с протонами и свободно перемещаются внутри окружающего вещества. Подобным образом ведут себя электроны в металлах.

Находясь на огромном расстоянии от Солнца, Юпитер получает в 27 раз меньше солнечного тепла, чем Земля. Измерения, выполненные с Земли и автоматическими зондами, показали, что энергия инфракрасного излучения Юпитера примерно в 1,5 раза превышает тепловую энергию, получаемую планетой от далёкого Солнца. Значит, Юпитер имеет внутренние запасы тепла. Считается, что эти запасы тепловой энергии являются остаточными с момента образования планеты. Гадать о том, каких значений может достигать температура в недрах Юпитера, не имеет смысла, хотя некоторые авторы и называют возможный уровень от 23000°C до 100000°C.

Поверхность Юпитера прогревается слабо из-за низкой теплопроводности веществ, составляющих внутренние слои планеты. Поэтому на поверхности Юпитера царит ужасный холод – до минус 150°C. В то же время действие внутреннего источника тепла на Юпитере проявляется в том, что в его атмосфере постоянно бушуют циклоны и антициклоны, беспрерывно дуют сильные ветры то с запада на восток, то с востока на запад. Для подобных проявлений атмосферной активности тепловой энергии, получаемой Юпитером от Солнца, было бы совершенно недостаточно. Это подтверждается метеорологическими расчётами.

Магнитное поле Юпитера

До 1979 года учёные не имели никаких данных о наличии или отсутствии магнитного поля у Юпитера. Из научной информации, полученной в марте 1979 года от автоматической межпланетной станции «Вояджер-1» , а позднее и от АМС «Одиссей» , стало ясно, что Юпитер обладает сильнейшим магнитным полем. По некоторым оценкам, напряженность магнитного поля на Юпитере почти в 50 раз выше, чем на Земле. Магнитная ось наклонена на 10,2 ± 0,6° по отношению к оси вращения Юпитера. Магнитные полюса́ Юпитера инвертированы по отношению к полюсам планеты. Поэтому стрелка ко́мпаса на Юпитере своим северным концом показала бы на юг. Предполагается, что магнитное поле на Юпитере генерирует хорошо проводящий электрический ток металлический водород вследствие быстрого вращения планеты.

Смелость такого предположения заключается в том, что на Земле никто и никогда не видел металлический водород и, соответственно, никто не изучал свойства этого, в общем-то гипотетического, вещества. Но в данном случае фантазия учёных совпадает с реальностью: ведь магнитное поле Юпитера существует реально.

Магнитное поле Юпитера простирается на огромное расстояние от планеты, не менее ста юпитерианских радиусов, т.е. достигает Сатурна. Если бы магнитосферу Юпитера можно было видеть с поверхности Земли, то её угловые размеры превышали бы размеры полной Луны, видимой с Земли.

Магнитное поле Юпитера создаёт вокруг планеты мощные радиационные пояса, т.е. области, заполненные заряженными частицами. Радиационные пояса Юпитера по интенсивности излучения в 40 тысяч раз превышают радиационные пояса Земли.

Модель магнитосферы Юпитера

Наличие в магнитосфере Юпитера заря́женных частиц служит причиной полярных сияний, которые возникают в атмосфере высоких широт обоих полушарий планеты. Полярные сияния на Юпитере очень интенсивны, их можно наблюдать даже с Земли.

В то же время вокруг Юпитера установлено наличие плазменного кольца, т.е. зоны, где заря́женные частицы отсутствуют. Существование плазмы объясняется возможной ионизацией под действием солнечной радиации выбросов вулканов, действующих на спутнике Ио.

Ко́льца Юпитера

В 1979 году зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» открыли ко́льца, окружающие Юпитер. Система этих колец состоит из двух наружных и одного внутреннего. Ко́льца расположены в экваториальной плоскости Юпитера и находятся на расстоянии 55000 км от верхнего слоя атмосферы. Ко́льца представляют собой мелкие каменистые фрагменты, пыль и кусочки льда, вращающиеся вокруг планеты. Отражающая способность основной массы вещества колец низкая, поэтому заметить ко́льца с Земли чрезвычайно трудно. В этом состоит отличие колец Юпитера от колец другого газообразного гиганта – Сатурна, которые хорошо отражают солнечный свет и доступны наблюдению. Самая яркая и заметная часть юпитерианских колец составляет около 6400 км в ширину (точнее – в глубину) и до 30 км в толщину. С точки зрения небесной механики кольца Юпитера – это сотни тысяч мелких и мельчайших спутников, вращающихся вокруг этой планеты. Но астрономическая наука, конечно, не рассматривает в качестве спутников каменную мелочь, кусочки льда и прочий космический мусор, вращающийся вокруг каждой планеты.

© Владимир Каланов,
"Знания-сила"

Уважаемые посетители!

У вас отключена работа JavaScript . Включите пожалуйста скрипты в браузере, и вам откроется полный функционал сайта!