Астрономия. Лекция №5. Планеты - гиганты

 

Лекция № 5

Планеты – гиганты

План

1.     Юпитер

2.     Сатурн

3.     Уран

4.    Нептун

Все планеты-гиганты имеют спутники и системы колец — плоских концентрических образований в экваториальной плоскости планеты, образованных из частиц льда и пыли различных размеров.

В отличие от планет земной группы строение планет-гигантов не подразделяется на четкие слои. Внешние слои планет-гигантов представляют собой толстые газовые оболочки, которые постепенно сгущаются к центру.

Планеты быстро вращаются, из-за чего они сильно сплюснуты в области полюсов. К тому же вследствие быстрого вращения возникают горизонтальные ветры, из-за чего атмосферы планет-гигантов кажутся нам полосатыми, а полосы расположены перпендикулярно оси вращения. В верхних слоях атмосферы ветры настолько сильны, что возникают крупномасштабные вихревые структуры, которые связаны со штормовыми явлениями в атмосфере, например, такими, как Большое красное пятно Юпитера или Гексагон Сатурна.

Одна из особенностей планет-гигантов — это наличие у них сильного магнитного поля.

 

Юпитер

Среднее расстояние от Солнца до планеты Юпитер — 5,2 а. е.  Юпитер —самая крупная планета Солнечной системы. Масса Юпитера превышает сумму масс всех остальных планет Солнечной системы, вместе взятых, недаром планета носит имя главного древнеримского бога. Масса Юпитера превышает массу Земли более чем в 300 раз. Юпитер обладает мощной атмосферой, хорошо отражающей солнечный свет.

В атмосфере Юпитера постоянно бушуют ураганы и сияют молнии. Большая часть воздушных масс Юпитера с различной скоростью перемещается параллельно экватору планеты, видны характерные горизонтальные полосы коричневого цвета — экваториальные пояса. В южном полушарии планеты виден ураган, которому насчитывается уже не менее 300 лет, — Большое Красное Пятно. Массы Юпитера и Сатурна и давление вещества на ядро настолько велики, что, несмотря на железокаменный состав, оно не может находиться в твердом состоянии.

Планеты-гиганты для их освоения человеком опасны, но их спутники достаточно интересны для исследования с точки зрения их возможного освоения. У Юпитера всего 69 спутников. Рассмотрим самые известные из них.

Ио — самый близкий к Юпитеру из четырех галилеевых (т.е. открытых Галилео Галилеем) спутников. Он является самым геологически активным телом Солнечной системы, на нем действуют более 400 вулканов. За счет гравитационных воздействий со стороны планеты выбросы серы и диоксида серы из вулканов достаточно сильны и поднимаются на высоту до 500 км. Одним из важных открытий на Ио является наличие озера жидкой серы, и «черных курильщиков» — гидротермальных источников (данное явление подобно земному).

Европа — шестой спутник Юпитера, обнаружен в 1610 г. Галилеем. Данный спутник состоит из силикатных пород и имеет железное ядро, а также магнитное поле. Его поверхность покрыта льдом, с крайне малым числом кратеров, но множеством трещин. У Европы есть разряженная атмосфера из кислорода. У данного спутника есть признаки существования соленого океана. А в совокупности многие факторы позволяют построить гипотезу существования жизни на Европе.

Ганимед — самый крупный спутник во всей Солнечной системе (открыт также в 1610 г. Галилеем), состоит примерно в равной степени из силикатных пород и водяного льда. Ганимед имеет жидкое ядро. Есть предположение, что на глубине около 200 км между слоями льда есть океан жидкой воды. Анализ поверхности спутника показал наличие тектонической активности.

Каллисто — это синхронный спутник с периодом вращения вокруг своей оси равным орбитальному, он всегда обращен к Юпитеру одной стороной. Каллисто состоит из примерно равного количества камня и льдов, а спектроскопия поверхности выявила водяной лед, углекислый газ, силикаты и органику. На поверхности спутника обнаружено достаточно много кратеров.

            Кольца Юпитера — третья после колец Сатурна и Урана система колец, обнаруженная в Солнечной системе. Система колец Юпитера достаточно слабо выражена и разрежена. Она была открыта в 1979 г. во время прохождения «Вояджера-1» мимо Юпитера. В состав системы входит четыре кольца, самое яркое образовалось в результате столкновения астероидов с четырьмя спутниками Юпитера: Фивой, Метидой, Адрастеей и Альматеей. Самое близкое к планете кольцо носит название Гало.

 

Сатурн

            Сатурн представляет собой планету-гигант, вторую по величине после Юпитера. Он удален от Солнца на 9,58 а. е. Его ось вращения наклонена к плоскости орбиты планеты на 27 градусов, что влечет за собой смену времен года, а орбита, в свою очередь, наклонена к плоскости эклиптики на 2,5 градуса. Год на Сатурне длится 29,5 земных лет. Любопытно, что в отличие от эллиптических орбит других планет Солнечной системы Сатурн вращается вокруг Солнца практически по круговой орбите, а значит, с примерно равной скоростью. Диаметр планеты составляет 120 тыс. км.

• По объему Сатурн больше Земли в 9,4 раза и мог бы вместить в себя почти 800 Земель.

• Плотность планеты меньше, чем у воды (0,7 г/см3 против 1), потому что большую часть всего этого огромного шара составляют легкий водород и гелий. Если Сатурн поместить в огромный бассейн, то он не утонет, а будет плавать!

• Несмотря на огромные размеры, гравитация на Сатурне составляет всего 91 % земной, хотя общая масса у него больше, чем у Земли, в 95 раз. Окажись мы там, особой разницы в силе притяжения не увидели бы, конечно, если отбросить другие факторы, которые нас просто убили бы.

• Сатурн, несмотря на гигантские размеры, вращается вокруг оси гораздо быстрее Земли — сутки там длятся от 10 часов 39 минут до 10 часов 46 минут. Такая разница объясняется тем, что верхние слои Сатурна преимущественно газообразные, поэтому вращается он в разных широтах с разной скоростью.

 Внешние слои Сатурна, как и Юпитера, состоят по большей части из газообразного водорода и гелия. По мере погружения вглубь водородно-гелиевая атмосфера сгущается и плавно переходит в океан. Небольшие примеси более тяжелых химических элементов под действием гравитации опустились в центр планеты и сформировали железокаменное ядро. Излучаемая Сатурном в космос энергия в 2,5 раза выше, чем та, которую планета получает от Солнца. Ветры в атмосфере планеты достигают 500 м/с, грозы в тысячи раз более сильные, чем на Земле, выпадают гелиевые дожди. На южном полюсе зафиксированы полярные сияния, что свидетельствует о высокой магнитной активности планеты.

В атмосфере Сатурна в районе северного полюса можно увидеть пятно в форме шестиугольника — так называемый Гексагон. На сегодняшний день это явление не имеет четкого научного объяснения. Скорее всего, это устойчивое вихревое образование.

Планета активно изучается, так, в 1979 г. космический аппарат «Пионер-11» обнаружил у Сатурна магнитосферу, которая уступает по мощности и размерам разве что Солнцу и Юпитеру. Первые снимки с близкого расстояния были сделаны аппаратами «Вояджер-1» и «Вояджер-2» в 1980-е гг.

Сатурн выглядит как яркая светло-желтая звезда в южной части неба. Его можно наблюдать как в небольшой любительский телескоп, так и в бинокль. Наилучшая видимость достигается раз в год при противостояниях. Благодаря наличию колец в этот день планета выглядит как звезда нулевой величины, т. е. ярче Юпитера, хотя Сатурн расположен гораздо дальше.

Сатурн широко известен в первую очередь благодаря своей мощной системе колец, хорошо обозримой даже в небольшой бинокль. Кольца названы буквами латинского алфавита в порядке обнаружения: D, С, В, A, F, G, Е.

Титан — пока единственный спутник, у которого была обнаружена собственная атмосфера из азота (98 %), плотность которой в 1,5 раза выше земной. К тому же на Титане были обнаружены целые метановые озера и реки. Температура на поверхности спутника достаточно низкая (-180°), однако под поверхностью теплее, а следовательно, может присутствовать жидкая вода. По мнению ученых, условия на Титане сходны с теми, которые были присущи ранней Земле, так что есть надежда, что, может быть, когда-нибудь нам удастся обнаружить примитивные формы жизни.

Спутник Энцелад хоть и небольшой (диаметр чуть более 500 км), тем не менее он представляет особый интерес для изучения. Рельеф спутника очень разнообразен: и «старые» области с множеством кратеров, и «молодые» области, в которых активны ледяные фонтаны. На Энцеладе видны трещины, что подтверждает геологическую активность. На основе данных, полученных с межпланетного зонда «Кассини», в 2014 г. было объявлено, что предполагается существование океана под поверхностью спутника.

Спутник Феба — один из самых удаленных от Сатурна, он не похож ни на один другой спутник. Он сильно отличается по своему составу, к тому же он вращается в обратном направлении — по часовой стрелке, в то время как другие тела вращаются в противоположную сторону. Скорее всего, это объясняется тем, что Феба образовался не в протопланетном диске вместе с Сатурном и другими его спутниками, а в Поясе Койпера и позже был захвачен гравитационным влиянием Сатурна.

Уран

На данный момент Уран плохо изучен, удален от Солнца примерно на 19,23 а. е. Уран — это седьмая по удаленности от Солнца (2,9—5 млрд км, в 19 раз дальше Земли), третья по диаметру и четвертая по массе планета Солнечной системы (в 73 раза больше Земли). Экваториальный радиус планеты составляет 24 300 км.

Уран в сравнении с Землей

Уран — первая планета, открытая в Новое время. Был случайно открыт в 1781 г. при наблюдении в телескоп английским астрономом Уильямом Гершелем, который поначалу принял Уран за комету. Позже выяснилось, что Уран наблюдали и раньше, но полагали, что это звезда. Гершель назвал его «Планета Георга» в честь короля Англии Георга III. За свое открытие он был удостоен королевской премии. Остальные астрономы называли Уран «Планетой Гершеля». Официально современное имя планете было присвоено в 1850 г. Назван Уран в честь древнегреческого бога неба Урана, отца Кроноса (в римской мифологии Сатурна) и, соответственно, деда Зевса/Юпитера.

Уран виден на ночном небе невооруженным глазом как яркая точка, а при наблюдении в телескоп — как голубоватый диск, но без четких деталей. Даты, благоприятные для наблюдения Урана, необходимо проверять по Школьному астрономическому календарю или по электронному планетарию.

Уран совершает полный годичный оборот по орбите вокруг Солнца (сидерический период) за 84 земных года, а сутки на Уране длятся 17 ч 24 мин.

Ось вращения Урана как бы лежит «на боку» относительно плоскости эклиптики (угол наклона составляет 98°, отсюда создается впечатление, что он «катится» по орбите. Вращение — с востока на запад.

 

 Оси вращения Нептуна и Урана

  Считается, что в центре Урана расположено небольшое твердое ядро. Мантия планеты содержит льды различного состава, которые существуют не в твердом виде, а как очень плотный газ или жидкость (по большей части это вода Н20, аммиак NH3, метан СН4 и углекислый газ С02, образованные из углерода, кислорода и азота, вступивших в реакцию с обильным водородом), поэтому планету и причисляют к ледяным гигантам.

Атмосфера Урана состоит в первую очередь из водорода (83 %), гелия (15 %) и метана (2 %) . Именно метановая дымка хорошо поглощает красные лучи, поэтому Уран кажется голубым. В атмосфере Урана были обнаружены вихри (скорость ветров достигает 240 м/с), струйные течения, пятна, а в глубине зарегистрированы метановые облака, что роднит его с другими планетами-гигантами. Гелия оказалось в три раза меньше, чем предполагалось: всего 15 %. Циркуляция атмосферы происходит в высоких широтах с большей скоростью, чем у экватора. Температура поверхности опускается ниже -220°С, что делает Уран самой холодной планетой в Солнечной системе. Уран обладает собственной магнитосферой.

Вокруг Урана вращается 27 спутников, в числе которых наиболее крупными являются Миранда (диаметр 486 км), Ариэль (1158 км), Умбриэль (1169 км), Татания (1580 км), Оберон (1522 км), а также такие менее массивные тела, как Пак, Купидон, Белинда, Розалинда, Дездемона, Джульетта, Крессида, Бьянка, Порция, Офелия, Корделия и др. Два последних расположены по обе стороны от кольца эпсилон и являются его «спутниками-пастухами».

Нептун

Это восьмая планета в Солнечной системе, удаленная от Солнца в среднем на 4,5 млрд км (30,1 а. е.). Как и в случае с Ураном, глубокий и насыщенный синий цвет планете придает высокая концентрация метана в составе атмосферы. Водород составляет 15 % атмосферы, все остальное — это льды и газы плюс небольшая доля гелия.

Нептун был обнаружен в 1846 г. не благодаря визуальным наблюдениям, а с помощью математических расчетов Урбена Леверье на основании отклонений в движении Урана. Вот почему французскому физику Франсуа Агаро приписывают авторство фразы о том, что Нептун был открыт «на кончике пера». В том же году Нептун впервые увидел Иоганн Галле. Год на Нептуне равен 165 земным годам, т. е. с момента открытия планеты она совершила единственный оборот вокруг Солнца.

Нептун тяжелее Урана. Вероятно, этим можно объяснить тот факт, что в центре планеты расположено жидкое ядро. Ядро по своему химическому составу хоть и является железокаменным, но под действием экстремально высокого давления оно поддерживается в жидком состоянии и не застывает, несмотря на холод.

Разглядеть Нептун невооруженным глазом невозможно. В спутниковую систему Нептуна входит 13 тел.