планета Юпитер

Общие сведения о планете Юпитер. Планета-гигант

Ближайшей к Земле планетой-гигантом и крупнейшим, после Солнца космическим телом Солнечной системы, является Юпитер. Название своё Юпитер получил в честь верховного римского бога. И это справедливо. Фактически планета Юпитер формирует своего рода миниатюрную Солнечную систему: более 60 спутников, 4 из которых превышают по размеру Плутон, а Ганимед — Меркурий, обращаются вокруг гигантской планеты, которая по химическому составу, плотности, походит скорее на звезду, чем планету. И будь Юпитер приблизительно в восемьдесят раз более массивнее, мы относили бы его к звёздам!

В настоящее время планету Юпитер посетили 8 космических аппаратов и запланированы полёты ещё двух. Составлены карты планеты, сделаны многочисленные фотоснимки, проведены исследования атмосферы и магнитосферы. Но вопросов у учёных меньше не становится.

Возьмём к примеру самую заметную деталь юпитерианской атмосферы — Большое Красное Пятно, существующее уже более 350 лет. С чем связана его столь длительный срок жизни не знает никто.

Или возможность существования жизни в подлёдных океанах спутников планеты. Вопрос безусловно чрезвычайно интересный и важный. Ответить на него может уже в ближайшие пятнадцать лет программа Europa Jupiter System Mission.

Ещё одним вопросом является эволюция и формирование самой большой планеты Солнечной системы.

В данной главе описаны практически все известные факторы итере, изучив которые вы сможете сами попытаться ответить на перечисленные вопросы.

Наблюдения планеты Юпитер с Земли

Людям планета Юпитер известна очень давно. Её знали все астрономы древности: в Перу, Египте, Древней Греции и Риме... Ведь на ночном небе Юпитер — один из самых ярких объектов, уступающий в блеске только Солнцу, Луне, Венере, и, иногда, Марсу, во время великого противостояния последнего. Угловой диаметр Юпитера — около 40". Альбедо в обычных условиях составляет 0,52.

Во время противостояний, когда Юпитер подходит к Земле на расстояние всего 588 млн. км. (обычно он лежит на 200 млн. км. дальше), он виден как чуть желтоватая звезда -2,6 звёздной величины, блеск которой достигает почти -3m. В это время Юпитер самая яркая после Луны и Венеры звезда на ночном небосводе. Противостояния происходят раз в 13 месяцев. А раз в 12 лет происходят т.н. великие противостояния, когда Юпитер находится в точке перигелия, а его угловой диаметр составляет 50".

При наблюдениях Юпитера в телескоп или бинокль видны также кольца планеты и галилеевы спутники: Ганимед, Европа, Ио и Каллисто.

История исследования планеты Юпитер

Юпитер является одной из планет видимых невооруженным взглядом. Людям он известен очень давно: на ночном небе его наблюдали ещё жители Древнего Египта, Месопотамии и Китая. У каждого из народов планета называлась по разному: в месопотамской культуре — Мулу-баббар, т.е. «белая звезда», в вавилонской — Мардук (в честь верховного бога и покровителя Вавилона), в китайской — Суй-син или звезда года, в греческой — Фаэтон и позже — Зевс, в римской — Юпитер. В английском языке слово четверг буквально переводится как "день Тора", т.е. день бога грома и молнии в германо-скандинавской мифологии, который был связан с планетой Юпитер.

Уже в то далёкое время жители Вавилона вели целенаправленные наблюдения за движением планеты и пытались это движение объяснить. Китайские астрономы описывали двенадцатилетний цикл движения Юпитера.

Гораздо больше сведений о планете было получено в Средние века с помощью наблюдений в телескопы.

Так в 17 веке итальянский астроном Галилео Галилей с помощью изобретённого им телескопа открыл 4 крупнейших спутника Юпитера, впоследствии названных галилеевыми. Наблюдение послужило подтверждением гелиоцентрической системы Коперника, утверждавшего, что у Вселенной нет центра.

В 60-х годах 17 века Джованни Кассини в телескоп наблюдал на поверхности планеты пятна и полосы, по вращению которых смог вычислить период вращения Юпитера. Выяснилось также, что Юпитер сжат у полюсов. В 1690 году Кассини обнаружил, что разные области атмосферы планеты-гиганта вращаются с разной скоростью.

В 1671 году датский астроном Оле Рёмер, являющийся ещё и коллегой Кассини по Парижской обсерватории, обнаружил при наблюдении затмений спутников Юпитера, что истинное положение спутников отличается от рассчитанного на 22 минуты. Астроном установил, что наибольшей величины отклонение достигает когда Юпитер и Земля находятся по разные стороны от Солнца, на основании чего предположил, что свет проходит диаметр земной орбиты за 22 минуты и в результате вычислил скорость света. Рассчитанная Оле Рёмером величина — 215 тыс.км/с на 85 тыс.км отличается от действительной скорости света.

С 17 века астрономам известен и крупнейший атмосферный вихрь Солнечной системы — Большое Красное Пятно. Первыми его наблюдали английский астроном Роберт Гук в 1664 году и Джованни Кассини в 1665-ом.

В 1831 году наблюдения за красным пятном вёл немецкий астроном Генрих Швабе.

Однако, официальной датой обнаружения Большого Красного Пятна считается 1878 год.

В 1892 году американский астроном Эдвард Эмерсон Барнард обнаружил пятый спутник Юпитера — Амальтею. В течении следующих 87 лет с помощью наблюдений с Земли были открыты ещё 8 спутников планеты: Гималия, Элара, Пасифе, Синопе, Лиситея, Карме, Ананке и Леда.

В 1932 году германский астроном Руперт Вильдт по изображениям планеты Юпитер в инфракрасном диапазоне определил линии поглощения аммиака и метана в спектре планеты, которые в небольших количествах присутствуют в её атмосфере.

В 1938 г. в атмосфере планеты были обнаружены 3 долгоживущих антициклона, известных сегодня под названием "белое пятно". Несмотря на то, что пятна часто приближались друг к другу, лишь в 1998 году они стали сливаться, а затем поглотили третье пятно, став после Большого Красного Пятна самой заметной деталью атмосферы Юпитера.

В 1955 году американцы Бернард Берк и Кеннет Франклин при картографировании неба в диапазоне 22,2 МГц обратили внимание на помехи неизвестной природы, искажавшие сильный радиоисточник в Крабовидной туманности. Как оказалось, сигнал перебивался радиоизлучением Юпитера. Радиоизлучение оказалось состоящим из отдельных всплесков разной продолжительности и мощности: L-всплесков длительностью до нескольких секунд и S-всплесков длительностью в десятые доли секунды.

В 1959 году было обнаружено дециметровое излучение Юпитера, связанное с тороидальным поясом вокруг экватора планеты.

Спустя 5 лет было установлено влияние на радиоизлучение планеты её спутника Ио, многочисленные вулканы которого выбрасывают в космическое пространство проводящее ток вещество. Вещество под воздействием магнитного поля Юпитера излучает радиоволны в дециметровом диапазоне, которые и засекли в 1959 году.

2 марта 1972 года с мыса Кеннеди (сегодня называется мыс Канаверал) носителем «Атлас-Центавр» был запущен космический аппарат «Пионер-10». Спустя 1 год 10 месяцев — 3 декабря 1973 года «Пионер-10» пролетел на расстоянии в 130 тыс.км от Юпитера, сфотографировав планету и установил существование у неё интенсивных радиационных поясов. Мощное магнитное поле позволило учёным сделать вывод о существовании в недрах Юпитера проводящей ток жидкости.

Было также установлено, что количество энергии, излучаемой Юпитером в космическое пространство, в 2,5 раза превосходит количество энергии, получаемой им от Солнца, а также измерена масса спутников планеты.

13 июня 1983 года «Пионер-10» миновал орбиту Плутона, продолжая изучать солнечный ветер и космические лучи. В настоящее время сигналы от аппарата уже не поступают. Последний из сигналов был принят 23 января 2003 года, когда «Пионер-10» преодолел расстояние в 11 световых лет (7,6 млрд.км). Попытки связаться с аппаратом предпринимались 7 февраля 2003 года и 3 марта 2006 года, но они окончились неудачей.

Спустя год после запуска «Пионера-10» аналогичным носителем был запущен космический аппарат «Пионер-11», отличие которого от предыдущего аппарата состояло лишь в наличии индукционного магнитометра для измерения интенсивных магнитных полей вблизи планет. 2 декабря 1974 года аппарат приблизился к Юпитеру на расстояние 43 тыс.км. В результате установленного на борту «Пионера-11» оборудования были сфотографированы Большое Красное Пятно и полярные регионы Юпитера, измерена масса спутника планеты Каллисто. На основании снимков с аппарата учёными впервые были выдвинуты предположения о существовании у Юпитера системы колец.

30 сентября 1995 года, когда «Пионер-11» удалился на расстояние 6,5 млрд.км от Земли, его миссия в связи с исчерпанием энергии была завершена. кратковременные сигналы от аппарата приходили до ноября того же года, однако связаться с ним не удалось.

Сегодня космические аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11» вышли за пределы Солнечной системы: первый из них направляется в сторону Альдебарана (созвездие Тельца), второй — в направлении созвездия Щит.

В 1977 году с разницей в 16 дней к Юпитеру направились космические аппараты программы «Вояджер». Первоначально программа создавалась для изучения планет Юпитера и Сатурна, а также их спутников, но в связи с успехом достижения всех целей миссия была продолжена. На сегодняшний день аппаратами кроме изучения 2-ух представленных выше планет-гигантов сфотографированы Уран, Нептун, 48 их спутников, исследована магнитосфера планет и их кольца.

Первым 20 августа 77 года с космодрома Космического центра Кеннеди носителем «Титан-Центавр» был запущен «Вояджер-2». 9 июля аппарат подошёл к Юпитеру на расстояние в 570 тыс.км. от верхней границы облаков.

С помощью установленного на аппарате оборудования были изучены циклоны в атмосфере Юпитера, сфотографирована поверхность спутников планеты Европы и Ганимеда. В результате выяснилось, что под поверхностью Европы возможно существование жидкого океана (по-видимому водного), а поверхность Ганимеда покрыта грязным водяным льдом.

Вторым был запущен аппарат «Вояджер-1» — 5 сентября 1977 года. К планете Юпитер он подлетел 5 марта 1979 года и сделал серию снимков планеты с расстояния 207 тыс.км. Были сделаны детальные снимки спутников Юпитера, получены данные о температуре верхних атмосферных слоёв Юпитера и химическом составе атмосферы.

В настоящее время «Вояджеры» удаляются от Солнца, изучая солнечный ветер и внешние области Солнечной системы. Скорость «Вояджера-1» составляет 17 км/с, это наивысшая скорость среди всех космических аппаратов , запущенных с Земли, достигнутая за счёт нескольких гравитационных манёвров. Скорость «Вояджера-2» несколько ниже. Как предполагают учёные связь с аппаратами будет ещё по крайней мере в течении одного десятилетия, что позволит получать важные данные о границах Солнечной системы.

18 октября 1989 года с космодрома Космического центра Кеннеди стартовал многоразовый транспортный космический корабль «Атлантис», одной из задач которого был запуск космического аппарата «Галилео». Миссия аппарата «Галилео» заключалась в подробном исследовании Юпитера и его спутников.

Целых 6 лет аппарат путешествовал по ближним областям Солнечной системы: 10 февраля 1990 года прошёл на расстоянии 16 тыс.км от Венеры, затем 8 октября того же года для совершения гравитационного манёвра вернулся к Земле, после чего отправился к астероиду Гаспра, пройдя от него на расстоянии в 1600 км 29 октября 1991 году. На этом путь корабля к Юпитеру не закончился: 8 декабря 1992 года он снова вернулся к Земле, чтобы затем отправится к астероиду Ида, изучив который «Галилео» в июле 1995 года наконец вошёл в пределы системы Юпитера.

Спустя 5 месяцев — 7 декабря 1995 года в атмосферу планеты на скорости сто шесть тысяч километров в час вошёл спускаемый зонд, который проработав 58 минут собрал данные о давлении и температуре юпитерианской атмосферы, которые затем посредством главного аппарата были переданы на Землю. Выяснилось, что внешние облака Юпитера имеют температуру в -80°C и давление в 1,6 атмосфер, тогда как с глубиной температура и давление повышаются: на глубине 130 км температура возросла до +150°C, а давление до 24 атмосфер. Ниже зонд не опустился: расплавился от сильной жары.

Сам аппарат продолжил изучать динамику атмосферы Юпитера и делать высококачественные снимки его поверхности. Для этого «Галилео» с помощью главного двигателя был выведен на орбиту вокруг планеты. За 8 лет нахождения аппарата на орбите он сделал 35 оборотов вокруг Юпитера, передав на Землю свыше 30 гигабайт информации: 14 тысяч изображений планеты и спутников, а также данные о динамике атмосферы, и это несмотря на то, что главная антенна аппарата не раскрылась и поток данных составил лишь 1% от потенциально возможного. Атмосфера, как выяснилось, в разных местах содержит разное количество водяного пара: где-то его содержание в 100 раз ниже чем в среднем в атмосфере, где-то немного выше. Подобные сухие пятна находятся всегда в одних и тех же местах, со временем уменьшаясь или увеличиваясь. В атмосфере были обнаружены грозы и очень мощные электрические разряды, в 1000 раз более мощные чем на Земле.

При исследовании спутников Юпитера было обнаружено, что: у Ио есть собственное магнитное поле, под поверхностью Европы с большой вероятностью имеется водный океан, существование которого было выдвинуто на основании наблюдений «Вояджера-2», наличие жидкой воды в недрах возможно и у спутников Ганимеда и Каллисто.

21 сентября 2003 года миссия аппарата была завершена: «Галилео» со скоростью 50 км/с вошёл в атмосферу Юпитера и сгорел в её верхних слоях.

Кроме рассмотренных выше аппаратов, чьей миссией было всестороннее изучение Юпитера и его спутников, мимо планеты в разные годы пролетали: космический аппарат «Улисс», который 8 февраля 1992 года осуществил в окрестностях планеты гравитационный манёвр перед выходом на околосолнечную полярную орбиту, попутно исследовав магнитосферу; космический аппарат «Кассини-Гюгенс» 30 декабря 2000 года совершавший гравитационный манёвр на расстоянии в 10 млн.км от Юпитера и передавший на Землю снимки высокого разрешения, проведший уникальный эксперимент по измерению магнитного поля планеты сразу с 2-ух точек и обнаруживший ряд интересных явлений; аппарат «Новые горизонты», осуществивший 28 февраля 2007 года в окрестностях Юпитера гравитационный манёвр по пути к Плутону и передавший на Землю качественные фотографии планеты и её спутников, общим объёмом в 33 гигабайт.

Изучение планеты Юпитер идёт и с помощью космического телескопа «Хаббл», который первым сфотографировал полярные сияния на планете, сделал снимки столкновения с планетой обломков кометы Шумейкеров-Леви 9 в июле 1994 года, снимки атмосферных вихрей.

В настоящее время НАСА разрабатывается проект автоматической межпланетной станции «Юнона», запуск которой намечен на август 2011 года. Миссия аппарата очень обширна: после выхода на полярную орбиту «Юнона» займётся изучением магнитного поля планеты и составлением трехмерной карты магнитосферы, исследованием глубоких атмосферных слоёв, структуры и состава атмосферы, построением карты ветров.

На 2020 год запланирован старт программы Europa Jupiter System Mission. Программа, реализуемая при участии NASA, ESA, JAXA и Роскосмоса, предназначена для изучения 4 галилеевых спутников Юпитера и магнитосферы самой планеты, посредством нескольких космических аппаратов: «Jupiter Europa Orbiter» (NASA), предназначенного для исследования Европы и Ио, «Jupiter Ganymede Orbiter» (ESA) для исследования Ганимеда и Каллисто, «Jupiter Magnetospheric Orbiter» (JAXA) с помощью которого будет исследоваться магнитосфера Юпитера, «Jupiter Europa Lander» (Роскосмос), представляющего собой спускаемый зонд для изучения поверхности Европы. В настоящий момент основными являются первые 2 программы: JEO и JGO. Вся программа Europa Jupiter System Mission рассчитана на 9 лет: запуск аппаратов в 2020 году, прилёт к планете в 2026-ом и непосредственно работа аппаратов сроком 3 года.

Орбитальное движение и вращение планеты Юпитер

Вокруг Солнца планета Юпитер движется по близкой к круговой эллиптической орбите, плоскость которой наклонена к плоскости эклиптики под углом 1°304'. Эксцентриситет орбиты составляет 0,0489. Но, несмотря на небольшой эксцентриситет расстояние до Солнца меняется весьма в широких пределах: от 4,95 а.е. в перигелии, до 5,45 а.е. в афелии, в среднем составляя — 5,203 а.е. или 780 млн. км.

Эксцентриситет Юпитера непостоянен, на него действуют 2 рода возмущений Сатурна: вековое и резонансное.

При первом, действующем в масштабе 70 тысяч лет эксцентриситет орбиты планеты меняется в пределах от 0,2 до 0,06, а наклон оси от 1° до 2°.

Второе возмущение связанно с орбитальным резонансом 2-ух крупнейших планет Солнечной системы: период орбитального движения Юпитера составляет 2/5 периода движения по орбите Сатурна.

Двигаясь вокруг Солнца со средней скоростью 13,06 км/с Юпитер совершает один оборот за 11,862 земных года (4332 дня).

Полный оборот планеты вокруг своей оси происходит за гораздо меньший промежуток времени — всего 9 часов 55 минут. По этому показателю Юпитер является быстрейшим в Солнечной системе. В связи с тем, что самая большая планета в Солнечной системе не имеет твёрдой поверхности, фактически представляя собой огромный газовый шар, экваториальные области верхних областей атмосферы вращаются на 5 мин 11 с быстрее полярных и на 4 мин 25 с быстрее вращения всей планеты. Из-за большой скорости вращения Юпитер сильно сжат: коэффициент сжатия больше 6 %. Таким образом планета имеет форму сжатого сфероида.

Ось вращения Юпитера наклонена под углом 3°5' к плоскости орбиты, из-за чего сезонные изменения на планете выражены весьма слабо.

Строение планеты Юпитер. Физические условия на Юпитере

Планета Юпитер не имеет твёрдой поверхности, поэтому, говоря о его размерах, указывают радиус верхней границы облаков, где давление порядка 10 КПа. Исходя из измерений получается, что радиус Юпитера на экваторе равен 71492 км (в 11,2 раза больше земного). Полярный радиус заметно меньше экваториального и равен 66854 км, т.е. сжатие планеты e = 1/16 (Земля у полюсов сжата примерно на 1/298 своего диаметра). Точность, с которой определен радиус Юпитера, невелика.

Масса Юпитера равняется 1,899•10²⁷кг., в 317,8 раз превосходя массу Земли. По этому показателю Юпитер — планета-чемпион, содержащая в себе более 2/3 всех планет Солнечной системы. Несмотря на такую колоссальную массу плотность планеты невелика и составляет всего 1,33 г./см³, т.е. в 4 раза ниже плотности Земли и сравнимо с плотностью воды.

Столь низкая плотность — результат химического состава Юпитера, который отличен от земного. Если на Земле преобладающими химическими элементами являются железо, кислород, кремний и магний, то на Юпитере — водород и гелий, с небольшой примесью метана, молекул воды, аммиака, следами ацетилена, этана, угарного газа, синильной кислоты, гидрида германия, фосфина и пропана. Как видим — это всё газы, поэтому атмосфера как таковая у Юпитера отсутствует, а сама планета представляет собой гигантский газовый шар. По-видимому, элементный состав всей планеты в целом не отличается от солнечного (около 90% водорода, 9% гелия, 1% более тяжёлых элементов).

В толще атмосферы водород и гелий находятся в сверхкритическом состоянии: плотность достигает 0,6-0,7 г/см³ и свойства вещества скорее напоминают жидкость, способную проводить электрический ток (температура этой жидкости -140°C). Слой жидкого молекулярного водорода имеет толщину 10000 км. Что лежит ниже этого слоя — точно неизвестно; на счёт внутреннего строения Юпитера существуют лишь гипотезы, которых на данный момент всего две.

По одной из них под слоем жидкого молекулярного водорода нет твёрдой массы: большая температура и давление в центре Юпитера сжимают небольшое жидкое ядро из расплавленных металлов и силикатов, окружённое водно-аммиачной жидкой оболочкой. Диаметр ядра ~25 000 км, температура — 23 000 К при давлении ~8000 ГПа.

По другой гипотезе на глубине 10000 км. давление достигает 300 ГПа, температура 11000 К, и водород переходит в вырожденное или металлическое состояние (электроны оторваны от протонов), т.е. становится подобным жидкому металлу. Слой жидкого металлического водорода имеет толщину около 42000 км. Внутри него располагается небольшое железно-силикатное твёрдое ядро радиусом 4000 км, с температурой близкой к 30000 К. Масса ядра около 13 масс земного шара.

Слой металлического водорода способен проводить электрический ток и по всей видимости является источником существования обширного магнитного поля планеты.

В отличие от простого газообразного водорода, жидкий металлический водород способен проводить электрический ток. Устойчивый радиошум и сильное магнитное поле Юпитера излучаются как раз этим слоем металлической жидкости.

В атмосфере Юпитера отчётливо просматриваются параллельные экватору плоскости, слои, или зоны, вращающиеся вокруг оси планеты с различными угловыми скоростями. Быстрее всего вращается экваториальная зона — период её обращения 9 ч 50 мин 30 с, что на 5 мин 11 с меньше периода обращения полярных зон. Каждая точка экватора движется со скоростью 45 тысяч километров в час.

В связи с тем, что разные точки планеты вращаются с разной скоростью у Юпитера, в отличии, например, от Земли, 3 системы координат. Первая из них — система долгот для точек, лежащих в пределах от 10° с.ш. до 10° ю.ш. Вторая система долгот применяется для точек всех остальных широт, период обращения которых составляет 9 часов 55 минут 40,6 секунд. В принципе она соответствует скорости вращения самой заметной детали в атмосфере Юпитера — Большого Красного Пятна, однако же вращение последнего непостоянно и испытывает вековые смещения неправильного характера. Система долгот под номером три связана с периодичностью спорадического радиоизлучения Юпитера.

Диск Юпитера имеет полосатую структуру, являющуюся следствием преимущественно зонального (т.е. ориентированного вдоль параллелей) направления ветра в атмосфере Юпитера. Ветры, кстати, здесь очень сильные — до 500 км/ч. Изучение атмосферы позволило сказать, что ветры эти также существуют в более низких ее слоях, вплоть до тысячи километров от внешних облаков. Отсюда сделан вывод, что они управляются не энергией излучения Солнца, а внутренним теплом планеты, в то время как на Земле все происходит наоборот.

Разница в количестве тепла на полюсах и экваторе вызывает возникновение гидродинамических потоков, которые отклоняются в зональном направлении силой Кориолиса. При таком быстром вращении, как у Юпитера, линии тока практически параллельны экватору. Картина усложняется конвективными движениями, которые наиболее интенсивны на границах между гидродинамическими потоками, имеющими разную скорость. Конвективные движения выносят вверх красный фосфор, серу, и, возможно, органику, возникающие благодаря наличию конвективных движений в области, где давление порядка 100 КПа, а температура составляет около 160 К. В области тёмных полос конвективные движения наиболее сильны, и это объясняет их более интенсивную окраску. Тёмные полосы (коричневые и оранжевые) имеют аэрозольную природу и состоят из частиц диаметром 0,2-0,3 мкм. Белые же полосы — это высокие облака, состоящие из ледяных кристаллов, с температурой -130°C. Синеватые области, лежащие только к северу и к югу от экватора, являются зонами с малым покрытием облаками, что позволяет заглянуть в глубь атмосферы. Облака же в пределах синеватых структур самые высокие.

Облачный слой планеты Юпитер имеет сложную структуру. Верхний ярус состоит из кристалликов NН₃ (аммиака), ниже расположены кристаллы сероводорода аммония и метана, облака из кристаллов льда и капелек воды. Некоторые модели допускают наличие четвёртого яруса облаков из жидкого аммиака. Толщина всего облачного слоя Юпитера около 50 км. Кроме того у планеты имеется водородная и гелиевая короны, и ионосфера, протяжённость которой по высоте — порядка 3000 км.

В умеренных южных широтах Юпитера медленно перемещается овальное Большое Красное Пятно, поперечные размеры которого 15 на 25 тыс. км. Большое Красное Пятно, занимавшее по долготе 30°, было обнаружено в 1878 г. на широте -20°. Впоследствии оно уменьшало свою интенсивность, затем несколько увеличивало, но всегда оставалось более слабым, чем в момент открытия. Его можно видеть и сейчас, а просмотр старых зарисовок показал что его наблюдал ещё в 1664 году английский естествоиспытатель Роберт Гук, не обращая на него особого внимания. За сто лет оно совершает примерно 3 оборота, двигаясь в западном направлении. Природа этого феномена до конца неясна. По-видимому, это долгоживущий атмосферный вихрь — антициклон. По наблюдениям космической станции «Galileo» внешние области Большого Красного Пятна вращаются с большой скоростью против часовой стрелки, делая один оборот за 4-6 дней, в то время как внутренние медленно вращаются в противоположном направлении.

По краям Большого Красного Пятна располагаются облака, состоящие из аммиака. Облака эти также вращаются и порой исчезают: тогда вокруг Большого Красного Пятна образуется тёмная область.

Кроме Большого Красного в атмосфере Юпитера также обнаружены: белое пятно, размером более 10 тысяч км., которое образовалось в 30-х годах 20 века к югу от Большого Красного Пятна и множество других меньших атмосферных вихрей, которые по размерам превышают крупнейшие ураганы Земли в десятки раз. Иногда атмосферные вихри сталкиваются: так в 2002 году произошло столкновение Большого Красного и Большого Белого пятен, продолжавшееся целый месяц. Вращение Белого Пятна в результате столкновения замедлилось.

Магнитное поле планеты Юпитер. Магнитосфера Юпитера

На Юпитере имеется магнитное поле. Его магнитный дипольный момент почти в 12000 раз превосходит дипольный момент Земли, но так как напряжённость магнитного поля обратно пропорциональна кубу радиуса, а он у Юпитера на два порядка больше, чем у Земли, то напряжённость 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, причём зона наиболее интенсивной радиации зарегистрирована на расстоянии 177 тысяч километров от поверхности Юпитера, где уровень радиации в 10 тыс. раз выше чем в радиационных поясах Земли.

Далее начинается недипольная магнитосфера, которая больше земной примерно в 100 раз. Простирается она на 750 миллионов километров (за орбиту Сатурна!). В направлении Солнца протяжённость магнитосферы в 200 раз меньше — до 100 радиусов планеты.

Некоторые из ионов в пределах магнитосферы присоединяют электроны, образуя нейтральные атомы, которые, развивая скорости в сотни тысяч километров в час, покидают магнитосферу, и вторгаются в межпланетное пространство.

Генерацию мощного магнитного поля Юпитера связывают с быстрым вращением центральных областей планеты, содержащих металлический водород и проводящих ток. Магнитосфера же связана с действием солнечного ветра, под действием которого образуются радиационные пояса, и с потоками заряженных частиц, выносящихся под действием магнитного поля планеты из плазменного тора (поверхности вращения) спутника Юпитера — Ио. Источником этих частиц являются вулканы Ио, которые поставляют в пределы плазменного тора до 1 тонны материала в секунду.

Радиационные пояса Юпитера состоят из заряженных частиц — электронов, с огромной энергией, составляющей около 20 МэВ. Впервые радиоизлучение у планеты — одно из самых сильных в дециметровом диапазоне (l > 10 м), было обнаружено в 1955 году. Излучение сильно поляризовано, особенно по кругу, а степень поляризации достигает 100 %. Оно имеет спорадический характер, т.е. состоит из отдельных всплесков разной интенсивности.

Всплески происходят в диапазоне частот от 5 до 43 МГц, в среднем — около 18 МГц. Ширина всплесков достигает 1 МГц. Как правило длительность всплесков составляет десятые доли секунды, лишь иногда доходя до 15 секунд.

В появлении кратковременных радиовсплесков наблюдается определённая периодичность. Период вращения, вычисленный из наблюдений спорадического радиоизлучения, равен 9 часов 55 минут 29 секунд. Он близок к периоду системы II (система долгот для средних широт Юпитера), но отличается от него вполне заметно. Для анализа радионаблюдений в связи с этим была предложена система долгот III, соответствующая периодичности спорадического радиоизлучения.

Природа спорадического радиоизлучения Юпитера остаётся пока не раскрытой. Высказывалось предположение, что источником его могут служить мощные грозовые разряды, однако спектр радиоизлучения земных грозовых разрядов не обрывается резко со стороны высоких частот. В качестве механизма генерации предлагаются плазменные колебания в ионосфере Юпитера (аналогично спорадическому радиоизлучению Солнца), но как они возбуждаются и почему источники локализованы на определённых долготах — не ясно.

Кольца Юпитера

Кроме обширной магнитосферы и стабильного радиоизлучения, у Юпитера установлено существование огромного плоского кольца из пыли и некрупных камней.

Кольцо Юпитера впервые было обнаружено американским космическим кораблём «Voyager-1» в марте 1979 года, который был специально запрограммирован на поиск слабых планетных колец. Впоследствии к Юпитеру был направлен «Voyager-2», целью которого было детальное фотографирование кольца с выяснением его строения. И эта цель была достигнута. Выяснилось, что колец у Юпитера три: внутреннее гало, главное и внешнее паутинное.

Внутреннее кольцо Юпитера, лежащее выше 92000 километров от планеты, и имеющее ширину 30500 километров сформировано из мельчайших частиц пыли, которые, падая из внутреннего просвета главного кольца к поверхности планеты, подхватываются магнитными потоками.

Главное кольцо Юпитера, шириной 6400 км, имеет резко выраженную внешнюю границу на высоте 129200 км от планеты. Внутренняя же граница главного кольца постепенно сливается с внутренним кольцом, образуя ореол, шириной 22800 км. Масса главного кольца составляет 10¹³ кг. Состоит главное кольцо из частиц пыли, меньше 10 микронов в диаметре (такой размер имеют частицы сигаретного дыма), что подтверждено наблюдениями прямого рассеяния излучения в оптическом диапазоне. Время существования отдельных пылинок в главном кольце Юпитера из-за сильных негравитационных возмущений, невелико — около одной тысячи лет, поэтому должен быть источник их постоянного пополнения. Им по-видимому являются 2 спутника планеты — Адрастея и Метис, орбиты которых лежат в пределах главного кольца. При столкновении с микрометеоритами с поверхности спутников поднимаются миллиарды микрочастиц, которые затем рассеиваются по орбите вокруг планеты.

Паутинное кольцо Юпитера, шириной более 85 тыс. км., простирается от верхней границы главного кольца и орбиты спутника Адрастеи, до орбиты другого спутника — Фивы. Оно очень слабое и широкое. Паутинное кольцо, как выяснилось после полёта космического корабля «Galileo», двойное, причём одно кольцо вложено в другое.

Внутреннее кольцо — паутинное Амальтея, простирается от орбиты Адрастеи до орбиты Амальтеи, т.е. на 52 тыс. км. Внешнее кольцо — паутинное Фивы, простирается от орбиты Амальтеи приблизительно до орбиты Фивы, лежащей в 221900 километрах от поверхности Юпитера. Источниками пополнения пылевых частиц, размер которых такой же как и для главного кольца, для внутреннего паутинного кольца является Амальтея, для внешнего — Фива.

Кольца Юпитера существуют в пределах интенсивного пояса электронов и ионов, "пойманных" в магнитном поле планеты. Кольца плоские (ширина в районе 10 км) и весьма разряженные. Альбедо колец невелико — 0,015. При наблюдении с Земли их можно заметить только при фазовых углах, близких к 180 градусам, при которых яркость колец возрастает в 100 раз, а тёмная ночная сторона Юпитера не оставляет засветки. Главное и паутинное кольца Юпитера в этом случае имеют красноватый цвет, а кольцо гало — нейтральный или синий.

Спутники Юпитера

Наряду с системой колец в настоящее время известно 63 спутника Юпитера.

Первые из них наблюдал в 1609 году немецкий астроном Симон Марий. Однако астроном не опубликовал результаты своих наблюдений, поэтому датой открытия первых спутников Юпитера считается 1610 г. а открывателем итальянский астроном Галилео Галилей. Направив свой телескоп на планету Юпитер 7 января, Галилей заметил «три слабых источника света», и поначалу принял их за звёзды. Однако же «звёзды» были выстроены на одной прямой линии с Юпитером и тем самым вызвали интерес астронома. Галилей продолжил свои наблюдения, и спустя 4 дня обнаружил ещё одну «звезду». После наблюдения открытых «звёзд» в течении нескольких недель, Галилео сделал вывод, что это вовсе не звёзды, а планеты, вращающиеся вокруг Юпитера. Свои результаты астроном опубликовал в книге «Звёздный вестник» («Siderius Nuncius»), вышедшей в марте того же года. Так были открыты 4 самых больших спутника самой большой планеты — Ио, Ганимед, Каллисто и Европа, которые, в честь своего первооткрывателя, были названы галилеевыми.

Ио — самый вулканически активный космический объект в Солнечной системе. Каждую секунду действующие вулканы спутника выбрасывают более 100 тыс. тонн породы со скоростью до одного километра в секунду, состав которой до конца неизвестен. Порода растекается по поверхности, заполняя все неровности и пустоты: котлованы, некоторые из которых более километра в глубину, трещины, метеоритные кратеры. Т.е. поверхность Ио — очень изменчива, и, вероятно, является самой молодой в Солнечной системе (моложе 1 млн. лет).

Шлейфа от вулканических извержений протягиваются на сотни километров от спутника и являются источником частиц, которые затем заряжаются магнитным полем Юпитера, формируя протяжённые радиационные пояса.

В настоящее время учёные считают, что высокая вулканическая активность спутника Юпитера Ио связана с воздействием 2-ух ближайших спутников Европы и Ганимеда, с которыми Ио находится в орбитальном резонансе — их орбитальные периоды относятся как 1:2:4. Приливное воздействие, формирующее выпуклости на поверхности спутника до 100 метров высотой (данный механизм сходен с земными приливами) разогревает его недра, результат которого в виде сверх интенсивного вулканизма и наблюдают космические аппараты.

Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе, превышающий по размерам Меркурий и Плутон и к тому же единственный спутник планеты у которого установлено наличие собственного магнитного поля. В отличии от только что рассмотренной Ио спутник Юпитера Ганимед в тектоническом отношении спутник спокойный. Хотя в прошлом здесь также извергались вулканы и текли потоки лавы, случались землетрясения. Следами тех далёких катаклизмов являются горные хребты, тянущиеся на тысячи километров и лавовые плато. Установлено на Ганимеде и наличие воды: в виде льда, лежащего на поверхности, и в виде жидкого солёного океана, который, как предполагают специалисты из Калифорнийского университета, существует на глубине 150-200 км., между двумя слоями водяного льда.

В этом отношении на Ганимед похож другой спутник Юпитера — Европа, поверхность которой также покрыта слоем водяного льда, под поверхностью которого предполагается наличие водяного океана с глубинами до 50 км.. На наличие океана указывают трещины в ледяной коре и незначительные — менее сотен метров — перепады высот на Европе. По предположению ряда учёных есть все основания предполагать наличие жизни в этом огромном водном океане, по объёму превосходящем Мировой океан на Земле в 2 раза.

Четвёртый из галилеевых спутников, и самый дальний от Юпитера — Каллисто. Поверхность этого спутника чрезвычайно плотно покрыта ударными кратерами, в то же время вулканические кратеры отсутствуют, как и следы какой-либо тектонической деятельности. Поэтому неудивительно, что именно поверхность Каллисто считается самой древней в пределах Солнечной системы с возрастом 4 млрд. лет..

Галилеевы спутники имеют слоистую структуру, подобную земной; здесь также выделяются ядро, мантия и кора, состав которых, однако, сильно различается. Так ядра Ио, Европы и Ганимеда состоят из железа, ядро Каллисто — из скальных пород, с небольшой примесью водяного льда. Над поверхностью металлических ядер Ио и Европы лежит мантия из силикатных пород, ядер Ганимеда и Каллисто — мантия из водяного льда. Кору же Ио образует смесь серы и её солей, остальных галилеевых спутников — водный лёд с примесью скальных пород на Ганимеде...

Несмотря на то, что по размерам галилеевы спутники примерно такие же, как Луна, вследствие большого расстояния от нас их диски (порядка 1") различаются лишь на пределе, являясь объектами 5-6m.

В очень хороших атмосферных условиях опытные наблюдатели видели отдельные пятна па дисках галилеевых спутников, и им удалось составить карты основных деталей на их поверхности. На основании этих наблюдений было также установлено, что галилеевы спутники вращаются вокруг оси синхронно с движением вокруг Юпитера и обращены к нему всё время одной стороной.

Каждый день они расположены по-разному: то два справа, два слева; то три с одной стороны, а один — с другой; то все четыре станут цепочкой по одну сторону от Юпитера. А бывает и так, что какой- нибудь из них спрячется за шар Юпитера или станет перед ним и исчезнет на его фоне, либо же попадёт в тень от Юпитера. Во всех этих случаях спутник становится невидим.

Галилеевы спутники относятся к так называемым регулярным спутникам Юпитера, вместе с Метисом, Адрастеей, Амальтеей и Тебой. Регулярные спутники имеют маленькие орбиты, близкие к круговым и лежат в экваториальной плоскости Юпитера. Сформировались они, вероятно, в раннем протопланетном диске газа и пыли вокруг Юпитера на ранних этапах его формирования.

Остальные спутники Юпитера называются иррегулярными и их большинство. Они гораздо слабее чем регулярные: от 13m до 18m, имеют небольшие размеры и большие орбиты. Примерно четверть из них обращаются вокруг Юпитера в направлениях, обратных направлению его собственного вращения. Полагают, что это захваченные планетой астероиды.

Однако, непосредственно захватить проходящие астероиды с гелиоцентрической орбиты — не легко. Часть начальной энергии объектов должна быть рассеяна так, чтобы Юпитер «мог держаться за них». В настоящее же время не имеется никакого видимого источника, способного рассеивать энергию для захвата спутников с гелиоцентрических орбит. Однако на ранних этапах своего развития Юпитер, по- видимому, имел обширную атмосферу, которая простиралась гораздо выше чем сегодняшняя. Трение с этой атмосферой могло приводить к захвату астероидов, и превращению их в иррегулярные спутники. В качестве подтверждения этой гипотезы можно привести следующий факт: большинство иррегулярных спутников объединены в динамические группы или «семейства» с похожими полуглавными осями и углами наклона. Возможно эти семейства были сформированы, когда некие массивные небесные тела разбились на захвате из- за давления, проявленного воздействием с расширенной атмосферой.

Семейств иррегулярных спутников пока выделено всего четыре. Первое из них, расположенное ближе всего к планете — семейство Гималии, включающее 5 иррегулярных спутников с орбитальным радиусом в 150 радиусов Юпитера (11 млн. км) и углом наклона 30°.

Второе из семейств — семейство Ананке, образуют сразу 11 спутников с орбитальным радиусом в 300 радиусов Юпитера (20 млн. км.) и углом наклона от 145° до 152°.

Следом за ними — в 23 млн. км. от поверхности Юпитера вращаются спутники семейства Карме, которых известно 12. Они имеют значительный угол наклона — 165°, малые размеры — 2- 5 км. (лишь у Карме, по имени которого названо семейство диаметр достигает 46 км.) и вытянутые орбиты.

Примерно на таком же расстоянии от Юпитера вращаются спутники другого семейства — семейства Пасифе. Орбиты их ещё более вытянутые, хотя углы наклона меньше — до 158,5°.

Следует отметить, что семейств или групп иррегулярных спутников, видимо гораздо больше. Если просмотреть предварительные обзоры, составленные с использованием современных CCD датчиков, оказывается, что вокруг Юпитера вращаются сотни (!) иррегулярных спутников с диаметром более 1 км.. Так, в 2003 году, астрономы обнаружили сразу 23 новых спутника, используя самые современные телескопы, расположенные на вершине вулкана Мауна-Кеа (Гавайи). Техника постоянно совершенствуется, поэтому неудивительно, если в этом году откроют ещё несколько десятков маленьких спутников, расстояние от которых до планеты Юпитер измеряется десятками миллионов километров...