Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Сурдин Владимир Георгиевич

Почти столь же детально был исследован и Сатурн: вблизи него прошли «Пионер-11» (1979), «Вояджер-1» (1980) и «Вояджер-2» (1981), а в 2004 г. его первым искусственным спутником стал «Кассини», который должен работать, по крайней мере, до 2008 г. Остальные планеты-гиганты пока исследованы не так детально, поскольку к ним была осуществлена лишь одна пролетная экспедиция: «Вояджер-2» сблизился с Ураном (1986) и Нептуном (1989). Все упомянутые экспедиции были организованы NASA, и только в подготовке «Кассини» принимали участие Европейское космическое агентство (ESA) и Итальянское космическое агентство (ISA).

Основные свойства планет-гигантов

Юпитер возглавляет семейство планет-гигантов, включающее также Сатурн, Уран и Нептун. Эта

группа занимает внешнюю часть нашей планетной системы, в которой располагается также орбита Плутона. Но по своей природе Плутон ближе к крупным спутникам планет-гигантов. Однако, приняв во внимание, что Плутон движется вокруг Солнца самостоятельно и имеет собственные спутники, в 2006 г. решением Международного астрономического союза (MAC) он был утвержден прототипом нового класса объектов Солнечной системы, названных «планетами-карликами» (dwarf planet). Поэтому теперь все семейство классических планет можно четко делить на две группы: планеты земного типа располагаются во внутренней части нашей планетной системы, а планеты-гиганты, начиная с Юпитера, вместе с их спутниками занимают внешнюю часть системы.

Группа планет-гигантов характеризуется низкой средней плотностью: от 0,70 г/см³ у Сатурна до 1,64 г/см³ у Нептуна. Это значительно меньше средней плотности Земли (5,52 г/см³) и других планет земной группы. Тем не менее, размеры гигантов так велики, что на их долю приходится 99,5% всей массы планетной системы, или 445 масс Земли (М). Наиболее велика масса Юпитера: 318 М, или 1/1047 массы Солнца. Практически вся кинетическая энергия вращения планет (как суточного, так и орбитального), а также весь момент импульса планетной системы приходится на планеты-гиганты. Более того, орбитальный момент импульса одного только Юпитера существенно превосходит собственный момент импульса Солнца, так что практически весь момент вращения Солнечной системы заключен в планетах-гигантах. (Правда, кинетическая энергия вращения все же сосредоточена в Солнце).

Низкая средняя плотность крупнейших из гигантов указывает на малую молекулярную массу основных составляющих, которыми могут быть только легкие водород и гелий. Именно из этих газов состоят атмосферы Юпитера и Сатурна. Вероятно, эти же элементы в основном заполняют их недра. Более высокая средняя плотность Урана и Нептуна означает, что наряду с водородом и гелием в их состав в немалом количестве входят и более тяжелые элементы.

Несмотря на свои огромные размеры, планеты-гиганты получают от Солнца сравнительно мало тепла. Причина — их удаленность от Солнца и довольно высокое альбедо (около 0,5). Даже Юпитер поглощает солнечной энергии всего в 2,2 раза больше, чем Земля; а остальные гиганты — в десятки раз меньше. Поэтому у всех планет-гигантов поток внутреннего тепла сопоставим с потоком поглощаемой солнечной энергии (а у некоторых — даже превосходит его).

Состав, строение, низкая средняя плотность и быстрое вращение Юпитера типичны и для других гигантов. А вот особенностью Юпитера является малый наклон экватора к орбите, всего 3°. Вместе с малым эксцентриситетом орбиты это приводит почти к полному отсутствию смены времен года.

Юпитер — удобный объект астрономических наблюдений. Его противостояния повторяются каждые 399 сут. Размер Юпитера велик: он в 11,2 раза больше Земли по диаметру, в 1320 раз по объему и в 318 раз по массе. Сила тяжести на экваторе планеты в 2,36 раза больше, чем у Земли. У полюсов она еще больше на 16%. Благодаря огромной массе Юпитера значения первой и второй космических скоростей на высоте 1000 км. от верхней границы облаков составляют, соответственно, 42 и 59 км/с. Период обращения спутника на такой круговой орбите составит всего 3 ч., несмотря на очень большую удаленность от центра планеты (72400 км.). Но поскольку ближе к планете спутник обращаться не может, это минимальный орбитальный период в окрестности Юпитера, тогда как вокруг Земли можно облететь всего за 1,5 ч. Огромное значение второй космической скорости делают чрезвычайно сложной задачей создание спускаемого аппарата для Юпитера.

При огромном экваториальном радиусе (71400 км.) Юпитер совершает оборот вокруг оси всего за 9ч. 55,5мин. Точки экватора движутся со скоростью 12,6 км/с. Центробежная сила заметно деформирует Юпитер:

его полярный диаметр на 7% меньше экваториального. Еще в XVII в. стало известно, что Юпитер вращается не как твердое тело: его экваториальная зона совершает оборот быстрее остальных зон. Поэтому для отождествления деталей на диске Юпитера ранее использовали две системы координат: «систему I» с суточным периодом 9ч. 50мин. 30,003с. используют для экваториальной зоны до широты ±(10—15)°, а на более высоких широтах используют «систему II» с суточным периодом 9ч. 55мин. 40,632с. Разумеется, это лишь средние периоды вращения указанных областей; внутри каждой из них угловая скорость немного изменяется вдоль широты, причем весьма замысловато. В последнее время предпочтительной считается «система III», связанная с вращением магнитного поля планеты, имеющим период 9ч. 55мин. 30с.

Вся видимая поверхность Юпитера и детали, по которым определены периоды вращения, — это довольно плотные облака. Они образуют многочисленные полосы желто-коричневых, белых, красных и голубоватых оттенков. Полосы, охватывающие планету, как параллели, образуют системы темных поясов и светлых зон, сравнительно симметрично расположенных к северу и к югу от экватора.

Хотя пояса и зоны — постоянные образования на Юпитере, вид их довольно изменчив. Изменяется и общий оттенок Юпитера. Полосатая структура облачного покрова охватывает экваториальную часть планеты и доходит до широт ±40°. Севернее и южнее облака образуют поле с коричневыми и голубоватыми пятнами, по-видимому, циклонического характера, диаметром до 1 тыс. км.

Большое Красное Пятно

На рис. слева внизу можно видеть и самую известную деталь Юпитера — Большое Красное Пятно (БКП). Это овальное образование изменяющихся размеров, расположенное в южной тропической зоне. Сейчас его размер в долготном направлении около 25 тыс. км., т.е. вдвое больше Земли, а в конце XIX в. оно было еще почти в два раза больше. БКП привлекает внимание яркой окраской, но ее контрастность изменчива. Впервые БКП как яркая деталь описано в 1878 г. Позже выяснилось, что наблюдатели рисовали его в своих журналах еще 300 лет назад. Периоды, когда Пятно становилось особенно заметным, отмечались в 1878—1882, 1893—1894, 1903—1907, 1911, 1914, 1919—1920 и в другие годы. Поиски какой-то периодичности не принесли результатов. Между периодами видимости БКП бледнеет и становится малозаметным. В красных лучах БКП вообще мало отличается от фона.

Особый интерес вызывает движение БКП. Почему-то период его обращения несколько больше периода светлой Южной тропической зоны, на которой оно находится, поэтому в своем движении Пятно несколько отстает от нее, запаздывая на один полный оборот примерно за 30 лет. Иногда там появляются другие детали, которые постепенно догоняют БКП, а через несколько недель появляются впереди Пятна.

Было высказано множество догадок о том, что такое БКП. Поскольку температура внешних слоев атмосферы (облачного слоя) очень низка, в одной из гипотез предполагалось, что БКП — это гигантский остров из льда, который плавает в атмосфере. Другие гипотезы связывали БКП с так называемой конвективной колонной, срез которой извне представляется Пятном. Но у Юпитера вообще нет поверхности в земном смысле. К тому же «шатания» Пятна по широте и долготе указывают, что оно вообще никак не связано с какой-либо поверхностью.

Плодотворной оказалась идея о том, что БКП — это долгоживущий свободный вихрь в атмосфере Юпитера. Вихрь такого размера и соответствующей массы с верхушкой в виде Красного Пятна может прожить тысячи лет. Согласно наблюдениям, движение деталей по поверхности Пятна действительно носит характер вихря. Появилось большое число гипотез в развитие идеи вихря. Образования, подобные БКП, связывают с существованием устойчивой одиночной волны в атмосфере — солитона. В этом случае БКП может быть очень долгоживущей деталью на облачной поверхности Юпитера.