Реферат: Юпитер
В юпитерианской тропосфере, по-видимому, имеются слой голубоватых облаков из капелек воды и кристалликов льда, слой тёмно-оранжевых облаков из гидросульфата аммония и слой белых облаков из кристалликов аммиака. Выше расположена стратосфера [Вселенная, 1999].
Для понимания химии высоких слоёв атмосферы важен ион H3+, инициирующий ионмолекулярные реакции в разреженных газах [Василенко, Сурдин, 1997]. Он обнаружен в атмосферах планет-гигантов, выбросах сверхновой звезды 1987А и в межзвёздных облаках. С его участием возможны следующие реакции:
H2 + H2+ -> H3+ + H
H3+ + X -> H2 + XH+, где X - любая молекула с большим сродством к электрону, чем у водорода.
Полярные области Юпитера относительно тихи, хотя близ южного полюса бывают короткоживущие штормы (вихри). В умеренных областях иногда наблюдаются вихри в половину Земного шара. Тропические зоны ярки и светлы (есть высокие облака с кристалликами замёрзшего аммиака). Экваториальный пояс - самый бурный. Южное полушарие беспокойнее северного. Там на границе экваториального и тропического поясов - Красное пятно.
Красное пятно - это ураган, существующий много столетий. На высоте более 50 км над обычными облаками есть грозовые тучи длиной около 100 км. Скорость ветра - 300 км/час [Юпитер и его спутники: взгляд с "Галилео", 1997]. По другим источникам [Купер, Хенбест, 1998], столб красных облаков на 8 км превышает остальной облачный покров, а красный цвет обусловлен выделением фосфора при химических реакциях.
60 лет назад на Юпитере открыты также три белых пятна, образующих цепочку. Самое большое из них имеет диаметр 9000 км (3/4 земного диаметра). Между пятнами по 70 000 км. С 1994 по 1996 годы расстояние в одном случае сократилось до 20 000 км, так как первое пятно замедлило своё движение вокруг Юпитера. Впрочем, слипнуться эти два вихря не могут, так как вращаются в одну и ту же сторону и при дальнейшем сближении должны оттолкнуться [Что нового на Юпитере? 1998]. В общем, Юпитер бурлит.
Магнитное поле Юпитера мощнее земного и создаётся не вращением жидкого железа, а вращением слоя с металлическим водородом. Магнитосфера Юпитера в 1200 раз больше земной магнитосферы (огромные радиационные пояса). Интенсивность радиации в 10 000 раз больше, чем в земных радиационных поясах. Солнечный ветер выдувает из магнитосферы Юпитера "хвост", аналогичный земному, но размером до орбиты Сатурна.
В январе 1979 г. "Вояджером-1" обнаружено очень тонкое кольцо вокруг Юпитера (остатки небольшого распавшегося спутника).
18 - 24 июля 1994 г. (в течение 6 земных суток) Юпитер бомбила распавшаяся на части комета Шумейкеров-Леви-9 (см. главу о кометах).
В атмосфере Юпитера в январе 1998 г. открыты полярные сияния [Полярные сияния в атмосфере планет, 1999].
Спутники и кольца Юпитера
Первые 4 спутника Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто) были открыты в 1610 г. Галилеем, за что их называют Галилеевыми спутниками. Два из них больше Луны, два - чуть меньше. Изучение Галилеевых спутников помогло определить скорость света - по запаздыванию их затмений Юпитером [Гетманцев, 1955].
К середине XX века были известны 12 спутников, сейчас (в 1989 г.) - 16. Все они гораздо меньше галилеевых. Рассмотрим данные по ним, начиная с ближайших к планете. Многие сведения получены благодаря американскому аппарату "Галилео"
МЕТИДА и АДРАСТЕЯ. Оба ближайших спутника находятся примерно в 1,8 радиусах от центра планеты и своими орбитами снаружи оконтуривают тонкое и прозрачное кольцо Юпитера (в 128 и 129 тысячах км от центра планеты). От кольца ближе к Юпитеру тянется ещё более разреженное гало из мелких частиц. Видимо, спутники находятся на той грани приближения к Юпитеру, когда они могут быть разорваны его приливными силами и образовать кольца (на границе зоны Роша). Они как бы "пасут" частицы кольца, не давая им выходить за пределы их орбит. Диаметры этих тел составляют соответственно 40 и 25 - 15 км, но это весьма приближённые данные. Оборот вокруг Юпитера совершается менее, чем за треть земных суток. Открыты в 1979 г.
АМАЛЬТЕЯ. В 2,5 радиусах от центра планеты (в 131 200 км от поверхности планеты). Открыта в 1892 г. Барнардом, но сведений о ней до сих пор мало. Диаметр - 270 км (по другим данным - 270 - 150). Оборот вокруг Юпитера совершает за половину суток.
ФЕБА (или ТЕБА?). В 3,1 радиуса от планеты. Открыта в 1979 г. Диаметр порядка 100 км, но точных данных нет.
ИО. В 5,9 радиусах от центра планеты (в 422 000 км от её поверхности), оборот за 1,8 земных суток, в 3 градусах к орбите планеты, диаметром 3460 км (по последним данным - 3630 км), массой 1/83 Земли. Приливные силы Юпитера разогревают ближайший крупный спутник, в результате чего на нём непрерывно действуют вулканы, извергая сернистый газ и лаву из серной кислоты (лава вырывается вверх до 30 км фонтанами, а газы, по некоторым данным, - до 300 км) [Базилевский, 1996]. "Вояджер-1" открыл 8 одновременно действующих вулканов, а "Вояджер-2" через несколько месяцев сообщил, что шесть из них продолжают извергать лаву. Всего, как сообщалось, открыто 12 действующих вулканов. Но уже к 1998 г., в результате наблюдений станции "Галилео", были известны 32 действующих вулкана [На Ио бушуют вулканы, 1999]. Метеоритные кратеры практически отсутствуют, так как залиты лавой. Лавы выделяется столько, что за год она может покрыть всё небесное тело слоем в 1,5 см [На Ио..., 1999]. Поверхность разноцветна, это свежая или уже успевшая потемнеть лава (данные "Вояджеров"). За 17 лет после полёта "Вояджеров" отдельные районы Ио сменили цвет с ярко-красного на бледно-жёлтый (пятна величиной с Бельгию). Из глубин во время извержений выносится сера разного цвета [Юпитер и его спутники: взгляд с "Галилео", 1997]. Крупнейшее лавовое море - возле вулкана Локи - имеет поперечник 200 км. Орбита Ио находится в водородном торе (выбросы вулканов). Вулканически активные области нагреты, как указывалось ранее, не менее, чем до 300 градусов Цельсия. Измерения "Галилео" показали, что в районе кратеров температура поверхности достигает 1800 градусов Кельвина, а, значит, в недрах должна доходить до 2000 градусов Кельвина [Космический вулкан "переехал", 1998]. На Земле соответствующая температура составляет только 1600 градусов Кельвина. Ио обращена к Юпитеру одной стороной и образует два приливных горба, но, так как орбита спутника вытянутая, горбы слегка перемещаются по Ио, как бы покачиваются и разогревают недра (см. о таком "покачивании" для Луны). Как указано в заметке 1999-го года [Что нового в семействе Юпитера], вулканы и вулканические расщелины приурочены именно к этим горбам, то есть имеются в ближайшей к Юпитеру точке, а также в самой удалённой от него точке (обе точки около экватора). Потом начались извержения в районе северного полюса (вулкан Тваштар, последнее извержение в январе 2001 г.). 6 августа 2001 г. совершенно внезапно началось извержение в 600 км от Тваштара, произошёл выброс на 500 км, и "Галилео" даже пролетел через это облако. [Ещё один вулкан на Ио, 2002]. По недавним сведениям [Разнородное семейство Юпитера, 1998], Ио обладает своим собственным магнитным полем; вещество в недрах нагрето, а потому металлы стекли в центр, образовав ядро. Над ядром расположена каменная (силикатная) мантия, а поверхностного ледяного слоя нет [Уточняется внутренняя структура..., 1999]. Интересно, но за 17 лет один из вулканов (Прометей) переместился на 80 км [Космический вулкан "переехал", 1998]. При этом очертания вулкана не изменились, и отложилась полоса изверженного материала ["Бродячий" вулкан на Ио, 2001]. От Ио к Юпитеру тянутся две яркие полосы, в пределах которых происходит электрический разряд между атмосферами Ио и Юпитера с силой тока до 1 миллиона амперов [Полярные сияния в атмосфере планет, 1999]. Полярные сияния Ио имеют интенсивный синий цвет [На Ио..., 1999]. Светлые или голубоватые электрические дуги видны также над некоторыми вулканами. Они генерируются напряжением более 400 кВ. Свечение вызывается взаимодействием электрических полей с сернистым газом. Есть также области красного и зелёного свечения: возбуждение соответственно кислорода и водорода заряженными частицами магнитного поля Юпитера [На Ио..., 1999]. Атмосфера Ио сравнительно разреженная и состоит, как уже говорилось, из сернистого газа. Кроме того, есть продукты его диссоциации - SO, O, S, а также нейтральные облака O, S, Na, K, которые покидают планету [Атмосфера и полярные сияния на Ио, 2000].
ЕВРОПА. В 9,4 радиусах от центра планеты (в 671 000 км от её поверхности), оборот за 3,6 земных суток, в 3 градусах к орбите планеты, диаметром 3050 км (по последним данным - 3140 км), массой 1/125 Земли. Приливные силы Юпитера разогревают близкий спутник, в результате чего на нём не так холодно, как на большинстве маленьких небесных тел Солнечной системы. Кратеры не видны, и поэтому предполагается, что вся Европа покрыта океаном со слоем незамёрзшей воды глубиной порядка 100 км, а сверху плавает лёд толщиной порядка 30 км (по данным "Вояджеров") [Океан..., 1987; Базилевский, 1996]. По более поздним и уточнённым данным в результате пролёта "Галилео" в 205 км [Уточняется внутренняя структура..., 1999] считается, что вся водно-ледяная оболочка имеет толщину 80 - 170 км и с наибольшей вероятностью - 100 км, а металлическое ядро больше, чем думали, и занимает до 50% радиуса Европы. Открыто также возмущение магнитного поля Юпитера вблизи Европы, что тоже косвенно говорит о наличии океана с солёной водой: поле искажается вихревыми токами, а они могут распространяться лишь в проводящей жидкости [Внутренние океаны спутников Юпитера, 1999]. Подо льдом теоретически возможна жизнь хемосинтетиков. Ведь и на Земле жизнь когда-то была возможна только в океане. На снимках с "Галилео" обнаружено гораздо больше кратеров [Юпитер и его спутники: взгляд с "Галилео", 1997]. Но всё равно кратеров мало. Обнаружен, например, только один трёхкилометровый кратер. Кратеров диаметрами от 10 до 30 км имеется пять. Зато вся поверхность изрезана длинными, ветвящимися и пересекающимися бороздами - проявлениями своеобразного ледяного вулканизма, то есть вода периодически изливается на поверхность из трещин и т.п. образований [Подо льдами юпитерианской Европы скрывается океан? 1998]. У нас такое явление называют наледью. Недавно при помощи "Галилео" на Европе найден сульфат магния, как в земных солончаках, а рядом - разломы, трещины [Солончаки космической Европы, 1999]. Вероятно, вода выливается из трещин на поверхность, а потом испаряется, оставляя соль. Установлено, что Европа обладает собственным магнитным полем; вещество в недрах дифференцировано, и имеется металлическое ядро [Разнородное семейство Юпитера, 1998]. В декабре 1996 г. и в феврале 1997 г. станция "Галилео" 6 раз оказывалась за Европой, но радиосигналы, хоть с помехами, всё-таки доходили до Земли [Что нового в семействе Юпитера, 1999]. По характеру этих помех поняли, что у Европы есть ионосфера плотностью не выше 10 000 электронов в 1 см объёма. Образовалась она в результате того, что заряженные частицы из магнитосферы Юпитера выбивают изо льда отдельные ядра и атомы. Таким образом, у Европы имеется разреженная атмосфера. В 2003 г. американцы планируют послать на Европу аппарат "Europa Observer" с таким же радаром, каким нашли подлёдные озёра в Антарктиде. Аппарат должен будет найти место с самым тонким льдом. Следующий аппарат будет проплавлять лёд и брать пробы воды с целью обнаружить жизнь [Планы полёта к Европе, 1998].
ГАНИМЕД. В 15,0 радиусах от центра планеты (в 1 071 000 км от её поверхности), оборот за 7,2 земных суток, в 3 градусах к орбите планеты, диаметром 5070 км (по последним данным - 5260 км), массой 1/40 Земли (в 2 раза массивнее Луны, самый массивный спутник в Солнечной системе). Приливные силы Юпитера не столь ощутимы. Обычный лунный облик: "моря" и "материки", метеоритные кратеры, хребты и расщелины катастрофического происхождения. Покрыт льдом, т.е. имеется вода, но она в твёрдом состоянии и принципиально не отличается от других твёрдых горных пород. Есть тектонические разломы, через которые когда-то из недр в виде лавы выливалась вода [Базилевский, 1996]. Позднее появились предположения, что на Ганимеде и сейчас есть подлёдные моря, так как в спектре нашли линии, говорящие о наличии рассолов сульфата магния [На Ганимеде - тоже океан! 2002]. Недавно аппаратом "Галилео" были открыты довольно мощное магнитное поле и магнитосфера [Разнородное семейство Юпитера, 1998]. Это говорит о том, что имеется металлическое ядро (или океан?!), и вещество имело возможность дифференцироваться благодаря приливным силам. Согласно заметке 1999 г. [Уточняется внутренняя структура...], имеются также чётко разграниченные силикатная мантия и богатая льдом внешняя оболочка. Магнитосфера Ганимеда полностью погружена в магнитосферу Юпитера. Она не очень мощна, но вблизи Ганимеда мощнее, чем юпитерианская. 27 июня 1998 г. "Галилео" прошёл всего в 845 км от Ганимеда, пополнив наши представления об этом огромном небесном теле [Открытие на Ганимеде, 1999; Что нового в семействе Юпитера, 1999]. Изучались область Галилея и рытвина Урук. Наблюдались древние усеянные метеоритными кратерами ледяные поля, примыкающие к молодым вулканическим равнинам, а то и перекрытые ими. Имеются хребты ледяных гор, глубокие борозды и гладкие широкие пространства (бассейны). Они имеют тектоническое происхождение. Сначала весь Ганимед бомбился кометами и астероидами, а потом на половину покрылся тектоническими "морщинами". Атмосфера Ганимеда разреженная и состоит, в основном, из водорода.
КАЛЛИСТО. В 26,5 радиусах от центра планеты (в 1 884 000 км от её поверхности), оборот за 16,7 земных суток, в 3 градусах к орбите планеты, диаметром 4750 км (по последним данным - 4800 км), массой 1/67 Земли (массивнее Луны). Приливные силы Юпитера не столь ощутимы. Обычный лунный облик, но "морей" с застывшей лавой нет (единый материк, метеоритные кратеры, хребты и расщелины катастрофического происхождения) [Базилевский, 1996]. Кратеры ледяные. Самая большая кольцевая структура - Валгалла, или Вальхалла. В её центре находится одноимённый кратер диаметром 350 км, а в радиусе 2000 км концентрическими кругами расположены полтора десятка горных хребтов и трещин. Это всё данные, в основном, "Вояджеров", а "Галилео" в недавнее время сделал новые фотографии, и оказалось, что больших метеоритных кратеров действительно много, но почему-то почти нет кратеров диаметром менее 100 м, которые при данной технике съёмки должны были быть видны. Найдены также переместившиеся блоки вещества, что трудно понять, так как на Каллисто не должна быть тектоника плит. В связи с этим решено, что "Галилео", который должен был прекратить работу в декабре 1997 г., продолжит её ещё на два года [Загадки Каллисто, 1997; Сурдин, 1998в]. Переместившиеся блоки вещества признаны следами лавин и оползней [Что нового в семействе Юпитера, 1999]. Кратеры на Каллисто имеют относительно плоское дно, и поэтому решено, что верхние 10 км в теле спутника ледяные, так как лёд может течь [Каллисто: новый взгляд, 2000]. Согласно последним данным, полученным "Галилео" в сентябре 1997 г. во время наибольшего сближения с Ганимедом, собственного магнитного поля у Каллисто нет, но имеется разреженная атмосфера, которая ионизируется солнечным ветром и магнитным полем Юпитера [Разнородное семейство Юпитера, 1998]. Атмосфера состоит из водорода и углекислого газа [Что нового в семействе Юпитера, 1999]. Раз нет магнитного поля, то, вероятнее всего, нет и железного ядра, то есть вещество не дифференцировано и представляет собой камни со льдом, покрытые слоем льда. Это связано с тем, что Каллисто вращается на большом удалении от Юпитера, и он не смог расплавить её недра приливами и разделить их на фракции в зависимости от плотности. Впрочем, через какое-то время последовало частичное опровержение или, по крайней мере, уточнение и этих данных. Собственное магнитное поле всё-таки есть. Значит, существует внутренний электропроводный слой. Таким слоем мог бы быть солёный океан глубиной 10 км. Для его существования нужен антифриз, и лучшим кандидатом на эту роль является аммиак, снижающий температуру замерзания воды на 100 градусов Кельвина [Каллисто: новый взгляд, 2000]. Из факта существования магнитного поля следует также, что вещество всё-таки частично дифференцировано. Возможно, есть ядро, но очень маленькое (не более четверти радиуса), причём оно не железное, а железо-каменное, над ним - смесь льда и камней, а ещё выше, как уже говорилось, залегает лёд, причём его слой имеет толщину не более 350 км [Внутреннее строение Каллисто, 1998; Уточняется внутренняя структура Каллисто и Европы, 1999]. Средняя плотность вещества составляет 1,839 г/см3, и можно предполагать, что массы льда и камня примерно равны [Каллисто: новый взгляд, 2000].
ЛЕДА. В 155 радиусах планеты. Ледяная глыба, сохранившаяся со времён образования Юпитера? Диаметр - примерно 16 км. Открыта в 1974 г.
ГИМАЛИЯ. В 161 радиусе планеты (в 11 452 000 км от планеты). Самый крупный из внешних малых (не галилеевых) спутников Юпитера. Диаметр - не менее 100 км. Период обращения - 250 земных суток. Открыт в 1905 г. Перрайном. Ледяная глыба, сохранившаяся со времён образования Юпитера?
ЛИСИТЕЯ. В 164 радиусах планеты (в 11 700 000 км от планеты). Открыта в 1938 г. Период обращения - 260 земных суток. Диаметр порядка 40 км. Ледяная глыба, сохранившаяся со времён образования Юпитера?
ЭЛАРА. В 165 радиусах планеты (в 11 700 000 км от планеты). Открыта в 1905 г. Перрайном. Период обращения - 260 земных суток. Диаметр порядка 80 км. Ледяная глыба, сохранившаяся со времён образования Юпитера?
АНАНКЕ. В 297 радиусах планеты (в 21 000 000 км от планеты). Вращается по орбите в обратном направлении в сравнении с галилеевыми и другими внутренними спутниками и делает оборот за 620 земных суток. Диаметр порядка 30 км. Захваченный астероид. Открыт Никольсоном в 1951 г.
КАРМЕ. В 317 радиусах планеты (в 22 560 000 км). Вращается по орбите в обратном направлении в сравнении с галилеевыми спутниками и делает оборот за 692,5 земных суток. Диаметр порядка 45 км. Захваченный астероид. Открыт Никольсоном в 1938 г.
ПАСИФЕ. В 329 радиусах планеты (примерно в 23 000 000 км от планеты). Вращается по орбите в обратном направлении в сравнении с галилеевыми спутниками и делает оборот за 738,9 земных суток. Диаметр порядка 70 км. Захваченный астероид. Открыт Мелоттом в 1908 г.
СИНОПЕ. В 333 радиусах планеты (в 23 700 000 км). Вращается по орбите в обратном направлении в сравнении с галилеевыми спутниками и делает оборот за 745 земных суток. Диаметр порядка 40 км. Захваченный астероид. Самый далёкий от планеты спутник во всей Солнечной системе. Открыт Никольсоном в 1914 г.
На сторонах крупных спутников, повёрнутых к Юпитеру, имеются катены - цепочки метеоритных кратеров (см. главу о кометах).