Elite-Home
║ На главную ║ Назад Астрономия ║
Юпитер - планета или звезда?
Юпитер - это планета-гигант которая содержит в себе более 2/3 всей нашей планетной системы. Масса Юпитера равна 318 земным. Его объем в 1300 раз больше, чем у Земли . Средняя плотность Юпитера 1330 кг/м^3, что сравнимо с плотностью воды и в четыре раза меньше, чем плотность Земли. Видимая поверхность планеты в 120 раз превосходит площадь Земли. Юпитер представляет собой гигантский шар из водорода, практически его химический состав совпадает с солнечным. А вот температура на Юпитере ужасающе низкая - 140 С. Юпитер быстро вращается вокруг своей оси( период вращения 9 ч. 55 мин. 29 с.). Из-за действия центробежных сил планета заметно расплющилась, и её полярный радиус стал на 4400 км меньше экваториального, равного 71400 км. Магнитное поле Юпитера в 12 раз сильнее земного.
Строение Юпитера
Атмосфера планеты простирается от верхнего уровня облачного слоя до глубины 1000 километров. На ее нижней границе давление составляет около 150 тысяч атмосфер, а температура 2000 К. Ниже расположен слой водорода, пребывающего в газо-жидком состоянии. В этом слое с ростом глубины происходит постепенный переход состояния вещества от газообразного к жидкому. Физическое состояние такой системы не полностью описано наукой. Дело в том, что при температурах выше 330 К и любых давлениях водород может существовать только в газообразном состоянии. Однако происходящая при существующих в недрах планеты давлениях и температурах потеря атомами электронов резко меняет свойства веществ. В лабораториях такие условия пока не достигнуты. Это можно представить себе как бурю, когда водородный ветер с плотностью, в сотни тысяч раз превосходящей плотность земной атмосферы, со скоростью 100 м/с несет капли водородного дождя. Заметим, что скорость ветра при урагане на Земле достигает только 35 м/с. Количество этих «капель», а может быть, и их размер, увеличивается с глубиной. Солнечное излучение уже не доходит до этого уровня, а собственное тепловое излучение газа и жидкости все увеличивается и достигает в самой нижней части газо-жидкого слоя яркости солнечной фотосферы. На нижней границе этого слоя давление составляет около 700 тысяч атмосфер, а температура 65000 К. Под ним находится океан из жидкого молекулярного водорода без каких-либо вкраплений его газообразной фазы. Он простирается до глубины, где давление составляет около 3 миллионов атмосфер, а температура 100000 К. Ниже расположен слой распавшегося на атомы и ионизированного водорода. Эта электропроводящая смесь протонов и электронов называется металлическим водородом. Именно она является источником мощного магнитного поля Юпитера. Это поле рождается в сложнейших динамических процессах, протекающих во всей толще этого слоя вплоть до его нижней границы, где давление оценивается в 30-40 миллионов атмосфер, а температура в 300000 К.
В центральной области Юпитера находится расплавленное металло-силикатное ядро. Возможно, оно окружено слоем осевшего в более легкой водородной среде гелия. Величина его массы оценивается от 5 до 15 земных масс.
В самом центре планеты давление составляет 50-70 миллионов атмосфер, а температура 25-30 тысяч градусов.
Исходящий от планеты поток электромагнитного излучения составляет 1.9 от приходящего от Солнца потока, то есть Юпитер обладает внутренними источниками энергии. Ими могут быть:
гравитационная дифференциация - более тяжелые гелий и другие химические элементы опускаются вниз в легком водороде и высвобождают свою потенциальную энергию;
процесс общего сжатия планеты, начавшийся при ее формировании;
фазовые переходы вещества, сопутствующие дифференциации и сжатию, например, переход водорода в его металлическое состояние; радиоактивный распад.
Начало же термоядерных реакций в недрах планеты было бы возможно, только если бы ее масса была в сто раз большей.
Атмосфера Юпитера
Так же как и в земной атмосфере, на Юпитере могут формироваться циклоны. Оценки показывают, что крупные циклоны, если они образуются в атмосфере Юпитера, могут быть очень устойчивы (время жизни до 100 тысяч лет). Вероятно, Большое Красное пятно является примером такого циклона.
Изображения Юпитера, полученные при помощи аппаратуры, установленной на американских аппаратах «Пионер-10» и «Пионер-11», показали, что Красное пятно не является единственным образованием подобного типа: имеется несколько устойчивых красных пятен меньшего размера.
Спектроскопическими наблюдениями было установлено присутствие в атмосфере Юпитера молекулярного водорода, гелия, метана, аммиака, этана, ацетилена и водяного пара. По-видимому, элементный состав атмосферы (и всей планеты в целом) не отличается от солнечного (90% водорода, 9% гелия, 1% более тяжелых элементов).
Полное давление у верхней границы облачного слоя составляет около 1 атм. Облачный слой имеет сложную структуру. Верхний ярус состоит из кристаллов аммиака ниже, должны быть расположен облака из кристаллов льда и капелек воды.
Инфракрасная яркостная температура Юпитера, измеренная в интервале 8 – 14 мк, равна в центре диска 128 – 130 К. Если рассмотреть температурные разрезы по центральному меридиану и экватору, можно увидеть, что температура, измеренная на краю диска, ниже, чем в центре.
Это можно объяснить следующим образом: На краю диска луч зрения идет наклонно, и эффективный излучающий уровень (то есть уровень, на котором достигается оптическая толщина ?=1) расположен в атмосфере на большей высоте, чем в центре диска. Если температура в атмосфере падает с увеличением высоты, то яркость и температура на краю будут несколько меньше. Слой аммиака толщиной в несколько сантиметров (при нормальном давлении) уже практически непрозрачен для инфракрасного излучения в интервале 8 – 14 мк. Отсюда следует, что инфракрасная яркостная температура Юпитера относится к довольно высоким слоям его атмосферы. Распределение интенсивности в полосах СН показывает, что температура облаков значительно больше (160-170К) При температуре ниже 170К аммиак (если его количество соответствует спектроскопическим наблюдениям) должен конденсироваться; поэтому предполагается, что облачный покров Юпитера, по крайней мере частично, состоит из аммиака. Метан конденсируется при более низких температурах и в образовании облаков на Юпитере принимать участие не может.
Яркостная температура 130К заметно выше, чем равновесная, то есть такая, которую должно иметь тело, светящееся только за счет переизлучения солнечной радиации. Расчеты, учитывающие измерение отражательной способности планеты приводят к равновесной температуре около 100К.
Существенно, что величина яркостной температуры около 130К была получена не только в узком диапазоне 8-14 мк, но и далеко за его пределами. Таким образом, полное излучение Юпитера 2,9 раз превосходит энергию, получаемую от Солнца, и большая часть излучаемой им энергии обусловлена внутренним источником тепла. В этом смысле Юпитер ближе к звездам, чем к планетам земного типа.
Однако источником внутренней энергии Юпитера не являются, конечно, ядерные реакции. По-видимому, излучается запас энергии, накопленный при гравитационном сжатии планеты (в процессе формирования планеты из протопланетной туманности гравитационная, когда гравитационная энергия пыли и газа, образующих планету, должна переходить в кинетическую и затем в тепловую).
Наличие большого потока внутреннего тепла означает, что температура довольно быстро растет с глубиной. Согласно наиболее вероятным теоретическим моделям она достигает 400К на глубине 100 км ниже уровня верхней границы облаков, а на глубине 500 км – около 1200К. А расчеты внутреннего строения показывают, что атмосфера Юпитера очень глубокая – 10000 км, но надо отметить, что основная масса планеты (ниже этой границы) находится в жидком состоянии. Водород при этом находится в вырожденном, что то же самое, в металлическом состоянии (электроны оторваны от протонов).
При этом в самой атмосфере водород и гелий, строго говоря, находятся в сверхкритическом состоянии: плотность в нижних слоях достигает 0,6-0,7 г/см, и свойства скорее напоминают жидкость, чем газ.
В самом центре планеты (по расчетам на глубине 30000 км), возможно, находится твердое ядро из тяжелых элементов, образовавшееся в результате слипания частиц металлов и каменных образований.
Кольцо Юпитера
Его главная часть имеет радиус 123-129 тыс. км. Это плоское кольцо около 30 км толщиной и очень разреженное – оно отражает лишь несколько тысячных долей процента падающего света. Более слабые пылевые структуры тянутся от главного кольца к поверхности Юпитера и образуют над кольцом толстое гало, простирающееся до ближайших спутников. Увидеть кольцо Юпитера с Земли практически невозможно: оно очень тонкое и постоянно повернуто к наблюдателю ребром из-за малого наклона оси вращения Юпитера к плоскости его орбиты.
Большое красное Пятно на Юпитере
В целом же химический состав атмосферы всей планеты существенно не отличается от солнечного и имеет сходство с небольшой звездой.
Большое Красное Пятно - овал размером 12 000 х 25 000 км (то есть два земных диска). Вещество в Большом Красном Пятне перемещается против часовой стрелки, делая полный оборот за 7 земных суток. Пятно смещается относительно среднего положения то в одну, то в другую сторону. Исследования показывают, что 100 лет назад его размеры были вдвое больше. В 1938 году было зафиксировано формирование и развитие трех больших белых овалов вблизи 30° южной широты. Наблюдатели также отмечали серию маленьких белых овалов, которые также представляют собой вихри. Поэтому можно полагать, что Красное Пятно является не уникальным образованием, но самым мощным членом из семейства штормов. Исторические записи не обнаруживают подобных долго существующих систем в средних северных широтах. Имеются большие темные овалы вблизи 15° северной широты, но почему-то условия, необходимые для возникновения вихрей и последующего их превращения в устойчивые системы, подобные Красному Пятну, существуют только в Южном полушарии.
Иногда на Юпитере происходят столкновения таких больших циклонических систем. Одно из них имело место в 1975 году, в результате чего красный цвет Пятна поблек на несколько лет. в 2002 произошло аналогичное столкновение Большого Красного Пятна и Большого Белого Овала. Белый Овал является частью пояса облаков, с периодом обращения меньшим, чем у Большого Красного Пятна. Овал начал тормозиться Большим Красным Пятном в конце февраля 2002 года, и столкновение продолжалось целый месяц. Красный цвет Большого Красного Пятна - загадка для ученых, возможной причиной его могут служить химикалии, включающие фосфор. Фактически цвета и механизмы, создающие вид всей юпитерианской атмосферы, до сих пор еще плохо поняты и могут быть объяснены только при прямых измерениях ее параметров.
Магнитосфера Юпитера
Радиоизлучение Юпитера, обнаруженное в 1955 году, послужило первым признаком наличия у него сильного магнитного поля, которое в 4000 раз сильнее земного. Его магнитный дипольный момент почти в 12000 раз превосходит дипольный момент Земли, но так как напряженность магнитного поля обратно пропорциональна кубу радиуса, а он у Юпитера на два порядка больше, чем у Земли, то напряженность у поверхности Юпитера выше, по сравнению с Землей, только в 5-6 раз. Магнитная ось наклонена к оси вращения на (10,2 ± 0,6)°. Дипольная структура магнитного поля доминирует до расстояний порядка 15 радиусов планеты. Юпитер обладает обширной магнитосферой, которая подобна земной, но увеличена примерно в 100 раз. Закручивание электронов вокруг силовых линий порождает радиоизлучение, причем задержанные около планеты электроны дают синхротронное излучение в диапазоне дециметровых волн. Декаметровое излучение, наблюдаемое только от некоторых областей планеты, связано с взаимодействием ионосферы Юпитера со спутником Ио, орбита которого проходит внутри огромного плазменного тора. Это взаимодействие порождает также полярные сияния. Обнаруженное "Вояджерами" излучение в километровых длинах волн возникает в высоких широтах планеты и в плазменном торе. Наблюдая 18 декабря 2000 года в течение 10 часов, удалось обнаружить пульсирующий источник рентгеновского излучения в полярных районах верхних слоев атмосферы Юпитера с помощью оборудования орбитального телескопа "Chandra". Вспыхивает наподобие маяка каждый 45 минут. Никакие из существующих ныне теорий не могут объяснить ни природу возникновения излучения, ни его пульсирующий характер.
Комета Шумейкер-Леви 9
Юпитер – будущая звезда Солнечной системы?
Между тем науке известно, что таких источников у планет не должно быть. Хотя мы видим их на ночном небосводе, они отличаются от звезд не только меньшими размерами и массой, но и природой светимости. У звезд излучение – результат энергии внутренней, возникающей в ходе идущих в их недрах процессов. А планеты лишь отражают несущие энергию солнечные лучи. Конечно, они возвращают в пространство лишь часть полученной энергии: стопроцентного КПД нет и во Вселенной. Но Юпитер, судя по последним данным, излучает энергию, заметно превышающую посланную ему Солнцем!
Что это, нарушение закона сохранения энергии? Для планеты – да. Но не для звезды: мощность ее излучения в основном определяют внутренние источники энергии. Значит у Юпитера такие источники есть? Какова же их природа? Где они - в атмосфере, на поверхности? Исключено. Состав атмосферы Юпитера известен – там подобных источников нет. Не выдерживает анализа и вариант с поверхностью: слишком долеко Юпитер расположен от Солнца, чтобы можно было говорить о его чрезмерно разогретой твердой оболочке. Остается сделать вывод, что источники избыточного излучения – в его недрах.
Предпологается, что энергия, питающее избыточное излучение, возникает в ходе термоядерной реакции, которая сопровождается выделением огромного количества тепла. Начинается эта реакция близко к центру Юпитера. Но пока частицы-носители энергии – гамма-кванты – движутся к внешней оболочке, сама энергия переходит из одного вида в другой. И на поверхности мы уже наблюдаем обычное излучение. Обычное – для звезды.
В пользу «звездной» гипотезы говорит не только колоссальная – 280 тысяч градусов по Кельвину – температура в центре Юпитера, но и скорость выделения энергии. По этим данным и вычисляется общее время, в течение которого, начиная с момента зарождения Юпитера, идет термоядерная реакция. Оказалось, что она должна бы идти уже тысячи миллиардов лет! Или, иными словами, в сто раз больше, чем возраст Юпитера и других планет Солнечной системы. А это означает, что Юпитер разогревается.
Известно, что Солнце ежесекундно посылает в пространство огромное количество не только энергии, но и вещества в виде потока электронов и протонов – так называемого солнечного ветра, - оно рассеивается по Солнечной системе. Куда же идут эти частицы-энергоносители? Значительную часть их захватывает гигант Юпитер. При этом, во-первых, увеличивается его масса – необходимое условие, чтобы стать «полноценной» звездой. А во-вторых, захватывая эти частицы, Юпитер…увеличивает свою энергию. Вот и получается, что Солнце само помогает своему «конкуренту» превращаться в молодую звезду.
Через три миллиарда лет масса Юпитера сравняется с массой Солнца. И тогда произойдет очередной космический катаклизм: Солнечная система, где доминирующее положение на протяжении миллиардов лет занимало наше сегодняшнее светило, превратится в двойную систему «Солнце-Юпитер».
Сейчас трудно предположить, к каким последствиям приведет возникновение второй звезды. Но в том, что в строение Солнечной системы произойдут значительные изменения, сомневаться не приходится. Прежде всего нарушатся траектории движения планет. Вполне возможно, что Венера и Земля в разные периоды времени будут тяготеть то к Солнцу, своему прежнему «покровителю», то к Юпитеру, новоявленному светилу. А Марс – ближайшая соседка Юпитера? Останется ли он хотя бы частично под влиянием Солнца? Или полностью перейдет во власть молодой звезды?
Может быть и так, что новая система будет двойной: встречаются же во Вселенной так называемые двойные звезды, вращающиеся вокруг общего (условного) ценра масс. А космические частицы, тяготеющие к ним, имеют два полюса притяжения. Наконец, не исключен вариант, что вместо существующей образуются две самостоятельные звездные системы? Как тогда перераспределятся между ними планеты и другие небесные тела Солнечной системы? На эти вопросы нет пока ясного ответа, как нет ответа и на вопрос: действительно ли Юпитер – будущая звезда?
Использованы материалы: журнал «Калейдоскоп НЛО» № 3 (270) Николай Гречаник.
║ На главную ║ Назад Астрономия ║