Путешествие по недрам планет

Зигель Феликс Юрьевич

По расчетам этих ученых, если принять, что внутри Юпитера отношение массы гелия к водороду такое же, как у Солнца, т. е. 20 % гелия и около 80 % водорода, то давление в центре Юпитера достигает 5 млн. МПа, а температура 25 000 °C. Самый внешний слой Юпитера — газовый, состоящий почти полностью из водорода и гелия. Его толщина составляет 0,02 радиуса Юпитера. Глубже идет очень толстый слой жидкого молекулярного водорода, своеобразный водородный океан толщиной 0,22 радиуса Юпитера (его экваториальный радиус 71 400 км). Поэтому надежды К. Фламмариона увидеть, как он писал, твердую «почву» сквозь прорывы в облачном покрове Юпитера — выглядят сегодня совсем несбыточными. Тем не менее твердая поверхность у Юпитера все-таки есть, только гораздо глубже.

Водородный океан, глобально омывающий Юпитер, имеет своеобразное дно. Это слой так называемого «металлического

водорода», простирающегося в глубину на 0,16 радиуса Юпитера. Дно это очень «вязкое», так как резкого перехода от жидкого водорода к металлическому, по-видимому, не существует. Сам термин «металлический водород» сильно напоминает пресловутое «деревянное железо». Между тем металлический водород — вполне реальное состояние вещества. Уже на глубине около 10 000 км в жидком водородном океане Юпитера давление вышележащих слоев достигает такой величины (250 тыс. МПа), что молекулярный водород переходит в металлическую фазу. Он превращается в одновалентный металл, в котором протоны и электроны существуют раздельно. По свойствам он вполне напоминает обычный жидкий металл с высокой проводимостью. При быстром вращении планеты в нем возникают кольцевые электрические токи, которые и создают необычайно мощное магнитное поле Юпитера.

Центральные области Юпитера заняты твердым железо-силикатным ядром, радиус которого составляет 0,15 радиуса Юпитера. Не исключено, что оно покрыто сплошной коркой льда или даже обычным жидким океаном, масса которого в 30 раз больше массы Земли. При весьма высокой температуре (25 000 °C) в центре Юпитера излучение тепла наружу неизбежно. И действительно, Юпитер получает от Солнца в 27 раз меньше тепла, чем Земля. Легко подсчитать, что, если бы это был единственный источник энергии, верхние слои атмосферы Юпитера при этом имели бы температуру -160 °C. На самом же деле она теплее на 30 °C. Значит, их согревает тепло, идущее из недр Юпитера. Возможно, что оно служит причиной и весьма бурных процессов в его атмосфере.

В других теоретических моделях фигурируют иные числа, характеризующие толщину оболочек, но общая картина остается прежней. Некоторые исследователи полагают, что ядро Юпитера находится в сверхплотной фазе и состоит из водорода и гелия с примесями силикатов, железа и никеля, причем его поперечник не превышает 9 000 км. Если это так, то у Юпитера вообще нет твердой поверхности в земном смысле слова и эта планета может считаться «несостоявшейся звездой».

Мир Юпитера — удивительный, сказочный и вместе с тем реальный. Снаружи — быстроменяющаяся облачная оболочка, окраска деталей в которой создается небольшими примесями каких-то веществ, возможно фосфина РН₃. Она скрывает огромный океан из жидкого водорода глубиной много тысяч километров. Ниже идет еще более удивительная оболочка из металлического водорода, прикрывающая какое-то очень плотное и, возможно, твердое ядро. В нашем земном опыте ничего похожего не встречалось, хотя в 1975 г. в одном из институтов АН СССР был получен металлический водород. Вероятно, уже на глубине 200–300 км в атмосфере Юпитера наступает полная тьма, господствующая, конечно, и ниже. Юпитер, крупнейшая из планет Солнечной системы, по своей природе есть нечто среднее между карликовой звездой и планетами земного типа.

 Легче воды

В популярных книгах по астрономии иногда приводится забавный рисунок: в колоссальном воображаемом водном бассейне с легкостью пробки плавает Сатурн. Эта фантастическая ситуация отражает реальный факт — из всех главных планет Солнечной системы только Сатурн имеет среднюю плотность меньше единицы. Это, впрочем, не мешает ему, благодаря своему знаменитому кольцу, быть самой эффектной из планет.

По размерам Сатурн уступает только Юпитеру. Его масса в 95 раз, а поперечник в 9,4 раза превосходит земные, а сжатие (1/10) даже больше, чем у Юпитера. Сутки на Сатурне близки к 10,5 ч, а вращение атмосферы имеет такой же зональный характер, как у Юпитера. Вокруг Сатурна обращается 17 спутников.

Долгое время считалось, что кольцо, или, точнее, кольца [5] Сатурна, — его уникальная особенность (рис. 3). За последние десятилетия выяснилось, что и другие планеты-гиганты обладают кольцами, правда, гораздо менее яркими, чем кольца Сатурна. Например, в 1979 г. с пролетных автоматических космических станций «Вояджер» вокруг Юпитера были обнаружены два кольца, состоящие из мелких камней и пыли. Оба они лежат в экваториальной плоскости Юпитера, причем внешний край большего кольца имеет радиус 126 000 км, внутренний — 113 000 км. Кольцо очень тонкое — его толщина не превышает 1 км. Второе — внутреннее кольцо имеет аналогичную природу и почти примыкает к внешним слоям атмосферы Юпитера. Замечательно, что существование этого кольца было предсказано еще в 1960 г. киевским астрономом С.К. Всехсвятским. Оправдались и его предсказания о существовании колец Урана и Нептуна.

5

Кольца Сатурна имеют множество делений (темных промежутков), главные из которых названы именами Дж. Кассини и И. Энке.

Что касается ярких колец Сатурна, то они были открыты еще в XVII веке, но лишь в последнее время средствами космонавтики было доказано, что кажущиеся с Земли сплошными кольца Сатурна на самом деле распадаются на великое множество узких и тонких «колечек». Как и у Юпитера, кольца Сатурна состоят из покрытых льдом камней, поперечник которых не превышает 10 м. Толщина всех колец Сатурна не превышает 2 км.

Спектральный анализ показал, что в атмосфере Сатурна присутствуют водород, метан, ацетилен и этан. Что касается содержания химических элементов, то возможно Сатурн на 90 % состоит из водорода и гелия. Спектр гелия таков, что его линии находятся за пределами видимой нам части спектра.

Рис. 3. Схема расположения колец и спутников Сатурна (R — расстояние в радиусах Сатурна)

Вокруг Сатурна существует магнитное поле, но гораздо слабее, чем у Юпитера. Его напряженность на экваторе планеты не превосходит 15,9 А/м. Магнитосфера Сатурна простирается на 35 его радиусов и по структуре схожа с магнитосферой Земли. Хотя и слабо, но Сатурн излучает радиоволны, что свидетельствует о наличии вокруг него радиационного пояса. Для Сатурна безразмерный момент инерции k= 0,26, что почти совпадает с его значением для Юпитера. Неудивительно, что сходны и модели обеих планет.

По одной из наиболее достоверных моделей толщина газовой атмосферы Сатурна близка к 1000 км. Ниже расположен глобальный океан из смеси водорода с гелием. На глубине примерно в половину радиуса планеты (60 000 км) температура повышается до 10 000 °C, а давление до 3 тыс. МПа. Как и у Юпитера, еще ниже идет слой металлического водорода. Именно здесь при вращении планеты возбуждаются электрические токи, которые и порождают магнитосферу Сатурна. В центре Сатурна под огромным давлением и при температуре 20 000 °C находится расплавленное силикатно-металлическое ядро. Его масса в 9 раз превосходит массу Земли, а поперечник близок к 0,5 радиуса планеты. В модели, рассчитанной группой В.Н. Жаркова, металлический водород образуется с уровня 0,46 радиуса Сатурна и простирается до его ядра, радиус которого составляет 0,27 радиуса планеты. Это ядро подогревает всю планету и, в частности, ее атмосферу, где, как и на Юпитере, наблюдаются, правда, менее заметные, полосы и пятна.

Небольшие различия в моделях при большом общем сходстве доказывают, что по своей природе Сатурн — несколько уменьшенное подобие Юпитера.

 Гиганты-близнецы

На окраине планетной системы медленно обращаются вокруг Солнца еще две гигантские планеты — Уран и Нептун. Их размеры и свойства настолько схожи, что не будет большим преувеличением считать обе планеты близнецами. Радиус Урана составляет 26 200 км, что более чем в 4 раза превышает радиус Земли. Нептун чуть поменьше — его радиус 24 300 км (3,18 радиуса Земли). Близки и массы этих планет — Уран «тяжелее» Земли в 14,6 раз, Нептун — в 17,2 раз. Любопытно, что при этом различии средние плотности планет почти одинаковы — 1,71 г/см³ для Урана и 1,72 г/см³ для Нептуна.