Солнечная система

Глава VII ЮПИТЕР

Большая полуось орбиты 5,204 а.е.=779 млн. км.

Сидерический период обращения («год») 11,86 лет=4332 сут.

Синодический период (средний) 1,09 лет=399 сут.

Сидерический период вращения («звездные сутки») 0,413 сут.=9 ч. 55 мин.

Наклонение орбиты к эклиптике 1,3°.

Эксцентриситет орбиты 0,049.

Средняя орбитальная скорость 13 км/с.

Наклон экватора к орбите 3,1°.

Масса 1,90×10²⁷ кг.=318М_⊕.

Средняя плотность 1.27 г/см³.

Экваториальный радиус R_e (на уровне давления 1 бар) 71490 км.=11,2R_⊕.

Полярный радиус R_p (на уровне 1 бар) 66770 км.=10,5R_⊕.

Сжатие, (R_e—R_p)/R_e 1/15,2.

Ускорение силы притяжения на экваторе 24,79 м/с² (ур. 1 бар).

Ускорение свободного падения на экваторе 23,12 м/с² (ур. 1 бар).

Скорость ускользания (2-я космическая) 59.5 км/с.

Безразмерный момент инерции (в единицах MR²) 0,254.

Сферическое альбедо (по Бонду) 0,343.

Геометрическое альбедо (визуальное) 0,52.

Поток солнечного излучения 50.5 Вт/м² .

Полное поглощаемое излучение 2,4×10¹¹ МВт.

Эффективная температура 110 К.

Состав атмосферы (в долях объема) Н₂(90%), Не(10%).

Магнитный момент диполя 4.28 Гс. R_e³.

Наклон оси дипольного компонента к оси вращения 9,6°.

Количество спутников 63.

Результаты исследований Юпитера, приводимые ниже, получены как с помощью средств наземной астрономии, так и в ходе весьма удачных космических экспедиций американских пролетных зондов «Пионер-10» (1973), «Пионер-11» (1974), «Вояджер-1 и -2» (1979), «Улисс» (1992), «Кассини» (2000), «Новые горизонты» (2007) и, в наибольшей степени, «Галилео» (1995—2003), ставшего первым искусственным спутником Юпитера и впервые сбросившего спускаемый аппарат в атмосферу этой планеты.

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).

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.

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.

Наблюдения с космических аппаратов подтвердили, что БКП — это гигантский долгоживущий вихрь в атмосфере планеты. Снимки, сделанные «Вояджерами» за дни пролета мимо Юпитера, были смонтированы в кадры кинофильма, где все движения ускорены в полмиллиона раз. Перед зрителем возникла шевелящаяся, ползущая масса поясов, зон и «плюмажей», подобных тем, что можно видеть на рис. Плюмажи, окантовки БКП и другие пятна огибают этот вихрь, срываются с него и уходят к западу. Светлые, расширяющиеся к западу полосы вдоль экваториального пояса напоминают полосы дыма, относимые ветром от источника. Темный экваториальный пояс в своем относительном движении к западу обгоняет южный умеренный пояс, а зажатое между ними Большое Красное Пятно вращается против хода часовой стрелки с периодом чуть более 6 сут.

На периферии БКП движение облаков имеет хаотический, турбулентный характер, но в центре движение спокойное. С периферией БКП связаны характерные голубые пятна; некоторые из них возникли сравнительно недавно, в 1939—40 гг. Возможно, это дочерние вихри, отделившиеся от Большого Пятна. Такие же небольшие пятна видны на поясах и зонах, расположенных южнее БКП, т.е. ближе к полюсу.

Юпитер почти целиком состоит из водорода и гелия — как внутри (на это указывают расчеты), так и снаружи (по прямым измерениям). В атмосфере Юпитера по данным «Вояджеров» 89% водорода и 11% гелия (по объему). Отношение 89:11 по объему для водородно-гелиевой смеси — это то же, что 80:20 по массе, так как масса атома гелия 4 а.е., а молекулы водорода 2 а.е. Измерения со спускаемого аппарата «Галилео» (1995 г.) дали немного большее содержание гелия, 24% по массе.

Водородно-гелиевая атмосфера Юпитера имеет огромную протяженность. Облачный покров расположен на высоте не менее 1000 км. над условной «поверхностью», где огромное давление вызывает постепенный переход вещества от газообразного состояния к жидкому. Облачный слой и, по крайней мере, верхняя часть атмосферы охвачены интенсивными вертикальными движениями, которые проявляются в характерной картине темных поясов и светлых зон Юпитера.

В атмосфере Юпитера практически нет меридиональных течений. Зоны и пояса — это области восходящих и нисходящих потоков в атмосфере, которые в долготном направлении имеют глобальную протяженность. Эти атмосферные течения, параллельные экватору, имеют некоторое сходство с пассатами Земли. Движущие силы в этой природной тепловой машине — потоки тепла, идущие из глубины планеты, энергия, получаемая от Солнца, а также быстрое вращение планеты. Видимые поверхности зон и поясов в таком случае должны находиться на разных высотах. Это было подтверждено тепловыми измерениями: зоны оказались холоднее поясов. Разница в температурах показывает, что видимая поверхность зон расположена примерно на 20 км. выше. БКП оказалось выше и на несколько градусов холоднее поясов. И, наоборот, голубые пятна оказались источниками тепловой радиации, восходящей из глубоких слоев атмосферы. Интересно, что не обнаружено существенной разности температур между полярными и экваториальными областями планеты. Косвенно это позволяет сделать такой вывод: внутреннее тепло планеты играет более важную роль в динамике ее атмосферы, чем энергия, получаемая от Солнца. Средняя температура на уровне видимых облаков близка к 130 К.

Еще по наземным наблюдениям астрономы разделили пояса и зоны в атмосфере Юпитера на экваториальные, тропические, умеренные и полярные. Например, БКП лежит в Южной тропической зоне. Поднимающиеся из глубин атмосферы нагретые массы газов в зонах под действием значительных на Юпитере кориолисовых сил вытягиваются в долготном направлении, причем противоположные края зон движутся навстречу друг другу, вдоль параллелей. На границах зон и поясов (области нисходящих потоков) видна сильная турбулентность; скорости движения здесь достигают наибольших значений, до 100 м/с, а в районе экватора даже 150 м/с. Севернее экватора потоки в зонах, направленные к северу, отклоняются кориолисовыми силами к востоку, а направленные к югу — к западу. В южном полушарии направление отклонений обратное. Именно такую структуру движений на Земле образуют пассаты. «Крыша» облаков в поясах и зонах находится на разных высотах. Различия в их окраске определяются температурой и давлением фазовых переходов малых газообразных составляющих. Светлые зоны — это восходящие колонны газа с повышенным содержанием аммиака, пояса — обедненные аммиаком нисходящие потоки. Яркая окраска поясов связана, вероятно, с аммонийными полисульфидами и некоторыми другими окрашивающими компонентами, например, фосфином.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что динамика облачного слоя Юпитера — лишь внешнее проявление могучих сил, действующих в подоблачной атмосфере планеты. Удавалось наблюдать, как в облаках возникает мощное вихревое образование, местный ураган, диаметром в 1000 км. и более. Такие образования живут долго, по нескольку лет, а наиболее крупные из них — даже несколько сотен лет. Подобные вихри образуются, например, в результате движения больших масс поднимающегося нагретого газа в атмосфере. На рис. БКП видно большое число вихревых образований. Во многих случаях пятна имеют темную окантовку. Маленькие пятна живут менее 24 ч.

Возникший вихрь выносит на поверхность облаков нагретые массы газа с парами малых компонентов, чем замыкается цепь их кругооборота в атмосфере. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиака в виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере и достигают такого уровня температуры, где испаряются. В газовой фазе вещество снова возвращается в облачный слой.

Как правило, в центре вихря давление оказывается более высоким, чем в окружающем районе, а сами ураганы были с запада окантованы возмущениями с низким давлением. В земных ураганах такого типа часто наблюдаются молнии. Снимки с «Вояджеров» показали, что на ночной стороне Юпитера наблюдаются световые вспышки колоссальной протяженности — до 1000 км. и более. Это сверхмолнии, энергия в которых намного больше, чем в земных. Выяснилось, однако, что юпитерианские молнии малочисленнее земных. Интересно, что молнии Юпитера были обнаружены через 3 месяца после открытия гроз на Венере.

Вихревые образования вроде пятен голубого и коричневого оттенков наблюдались не только в устойчивых поясах и зонах, но и в полярных районах Юпитера. Здесь характерный вид облачного слоя представляет светло-коричневое поле с темными и светлыми коричневыми и голубоватыми пятнами. Здесь, в области тех широт, где зональная циркуляция становится неустойчивой, пояса и зоны уступают место метеорологическим образованиям типа «кружевных воротников» и «плюмажей». Районы вблизи полюса планеты увидеть можно только с космических аппаратов. Кажущийся хаос пятен все же подчиняется общей закономерности циркуляции, причем определяющую роль играют движения в глубине атмосферы.

Принимая ряд допущений, теоретики сумели в некоторых моделях получить явления, напоминающие то, что видно на Юпитере (и Сатурне). Одна из теоретических моделей структуры планеты представляет собой систему из вложенных друг в друга цилиндров, осью которых служит полярная ось. Цилиндры проходят сквозь всю планету и выходят на поверхность, скажем, у 40°с.ш. и у 40°ю.ш. То, что мы видим, — срезы этих цилиндров, вращающихся с различными скоростями. Если считать от экватора, то цилиндры проникают вглубь на половину радиуса планеты. Пятна или овалы также представляют собой сквозные колонны, зажатые между цилиндрами. Кстати, некоторые наблюдатели указывают, что симметрично БКП на той же широте в северном полушарии иногда видно такое же по размерам, но слабее выраженное пятно.

Дочерние голубые пятна, возможно, наблюдаются сквозь разрывы облачного слоя. Однако часто разрывы бывают не связаны с пятнами и сквозь них видны более низкие облачные слои. Серия подобных разрывов наблюдалась вдоль границы Северного экваториального пояса. Разрывы существуют довольно долго, по нескольку лет. О том, что это именно разрывы, свидетельствует повышенный поток тепла от этих мест. С глубиной температура быстро возрастает. Уже на уровне давления 2 бар она составляет примерно 210 К. А радиоизлучение, приходящее с больших глубин, свидетельствует о более высокой температуре. По расчетам, на глубине 300 км. атмосфера Юпитера так же горяча, как и атмосфера Венеры у ее поверхности (около 730 К).

Измерение тепловых потоков, исходящих от Юпитера, показало, что практически нет различий между полярными и экваториальными районами, его дневной и ночной сторонами. Значительную роль в этом играет подвод тепла благодаря адвекции — переносу газа в горизонтальных движениях атмосферы. На фоне упорядоченной структуры поясов и зон, вихрей и плюмажей наблюдаются быстрые течения газа — ветры со скоростью до 120 м/с. Если учесть большую теплоемкость водорода, то не будет удивлять постоянство температуры в разных районах планеты.

Причиной мощной циркуляции, доставляющей тепло к облачному слою, несомненно служит тепловой поток, исходящий из недр планеты. Измерения показали, что собственные источники энергии Юпитера дают не меньше тепла, чем планета получает от Солнца. Во многих научных работах можно прочесть, что дополнительная энергия в недрах Юпитера и других планет-гигантов освобождается в результате очень медленного их сжатия; причем расчеты показывают, что для этого достаточно сжатия планеты на миллиметры в год. Однако сведения о строении Юпитера не подтверждают эту гипотезу.

Анализ движения космических аппаратов в гравитационном поле планеты позволяет судить о строении ее недр и состоянии вещества. Движение аппаратов показывает, что это газо-жидкая планета, состоящая из смеси водорода и гелия, и что твердой поверхности она не имеет. Фигура Юпитера математически идеальна, какой может быть только жидкая планета. Безразмерный момент инерции имеет очень низкое значение: 0,254. Это говорит о высокой концентрации массы в центре планеты. Значительная часть его ядра находится в жидком состоянии. А жидкое ядро практически несжимаемо. Источником теплового потока может быть выделившееся еще при формировании планеты (4,5 млрд. лет назад) тепло, запасенное в ядре и оболочках Юпитера.

Есть свидетельства тому, что на ранних стадиях эволюции Юпитер излучал в космос огромные потоки энергии. Галилеевы спутники Юпитера, расположенные несравненно ближе к своей планете, чем к Солнцу, получали на единицу площади больше энергии, чем Меркурий от Солнца. Следы этих событий сохранились на поверхности Ганимеда. Расчеты показывают, что пиковая светимость Юпитера могла доходить до 1/10 светимости Солнца. В лучах Юпитера плавились льды на поверхности всех спутников, частично включая Ганимед. Реликтовое тепло планеты сохраняется с той далекой эпохи. А в настоящее время важным источником тепла может быть медленное погружение к центру планеты более плотного, чем водород, гелия.

Результаты измерений яркостной температуры Юпитера зависят от длины волны: в некоторых спектральных интервалах атмосфера более прозрачна; в этих «окнах» удается наблюдать излучение относительно глубоких и теплых слоев тропосферы. В других диапазонах поглощение очень велико и тепловое излучение приходит от более высоких и холодных слоев стратосферы. В среднем на том уровне, где расположена видимая поверхность облаков, температура составляет 150 К, а давление немного ниже, чем у поверхности Земли, — 0,5 бар. На уровне 0,1 бар, где расположена тропопауза, температура падает до 100—120 К, это минимальная температура на Юпитере. Выше температура снова растет и на высоте около 90 км. над облаками достигает 140—160 К. Еще выше, до уровня давления 10^—6 мбар, температура остается почти постоянной, около 180 К. Благодаря поглощению коротковолнового излучения Солнца средняя температура протонов и электронов на высотах 600—3000 км. составляет 850—1000 К. Здесь находится обширная ионосфера планеты, которая простирается в высоту на 3 тыс. км. Наибольшая концентрация электронов, примерно 10⁵ в 1 см³, приходится на высоту 1000 км.

В отличие от облаков Земли, состоящих только из воды, облака Юпитера содержат различные соединения по меньшей мере шести элементов — водорода, углерода, азота, кислорода, серы и фосфора. Их состав определяется давлением, температурой, освещенностью и движениями атмосферы. Давно известно, что в атмосфере Юпитера присутствуют аммиак (NH₃) и метан (CH₄), молекулы которых содержат много водорода. Но аммиак, метан, водяной пар, гидросульфид аммония (NH₃H₂S) — все это малые составляющие доступной изучению части атмосферы Юпитера. Отметим, что присущие Юпитеру сильные полосы паров аммиака едва заметны у Сатурна, а Уран и Нептун не имеют их вовсе, так как весь аммиак замораживается глубоко под их облачными слоями. Зато полосы метана у этих планет становятся весьма широкими и занимают значительную часть спектра в красно-голубой его части, что и придает этим планетам сине-зеленую окраску.

На уровне облаков Юпитера содержание водяного пара составляет 1,5×10^—3, метана 8,3×10^—3, гидросульфида аммония в газовой фазе 2,8×10^—5, аммиака 1,7×10^—4. При этом содержание аммиака переменно и зависит от высоты. Именно он образует видимый облачный покров; температура его конденсации зависит от давления и составляет 130—200 К, что в среднем совпадает с тем, что наблюдается на уровне облаков. При температуре 165 К давление аммиака над кристалликами аммиачного льда составляет 1,9 мбар, и возрастает вдвое при 170 К. Для конденсации метана при тех же давлениях нужна значительно более низкая температура, 79 К. Поэтому метан в атмосфере Юпитера в твердую фазу, по-видимому, не конденсируется.

В облаках наряду с кристаллами должны присутствовать капли жидкого аммиака. Цвет облаков с такой смесью белый с легким желтоватым оттенком, характерным для зон. Однако для объяснения красно-коричневых оттенков поясов необходим какой-то другой окрашивающий агент. По-видимому, некоторые цветные оттенки поясам придает фосфин (РН₃) — газообразное соединение фосфора с водородом, содержание которого около 6×10^—7. При температурах от 290 до 600 К оно распадается с выделением красного фосфора. И наоборот, при низкой температуре фосфор снова соединяется с водородом. Окраска облаков может быть связана также с водородными и аммонийными полисульфидами и серой. В списке газов, присутствующих в атмосфере Юпитера, значатся также этан, ацетилен, незначительное количество синильной кислоты (HCN), окись углерода и углекислый газ. Присутствие последнего в атмосфере Юпитера объяснить трудно, так как двуокись углерода разрушается в водородной атмосфере.

Следует помнить, что видимая поверхность облаков представляет тонкий слой, всего несколько десятков километров. Под облаками из кристаллического аммония находятся другие слои: из сернистокислого аммония, водного раствора аммиака, из кристалликов водного льда, наконец — из капель воды.

7 декабря 1995 г. сброшенный с «Галилео» зонд впервые в истории вошел в атмосферу Юпитера. Его начальная скорость 60 км/с за 3 мин. упала до 500 м/с. Действующая на аппарат перегрузка достигала 228g. Кинетическая энергия рассеивалась на лобовом коническом щите, температура покрытия которого поднялась до 14000°С! Затем щит отделился, и дальнейший спуск проходил на парашюте, в районе 6,5°с.ш., 4,5°з.д.

Пока аппарат был в работоспособном состоянии, он углубился в атмосферу на 146 км. ниже уровня условной поверхности Юпитера (верхняя кромка плотных облачных слоев, где давление равно 1 бар, а температура —107°С). Все это время — около 60 минут — зонд передавал результаты научных измерений на орбитальный отсек. Предполагалось, что при этом он пройдет все облачные слои, о которых говорилось выше. Радиосигналы с аппарата перестали поступать, когда давление достигло 22 бар, а температура 153°С. По-видимому, водородно-гелиевая атмосфера каким-то образом проникла в аппарат, иначе измерения продолжались бы и дальше. Из-за технических проблем не всю программу удалось выполнить. Непосредственные измерения показали, что физика атмосферы Юпитера еще сложнее, чем предполагалось.

Район входа находится на границе экваториальной зоны и северного экваториального пояса, где на некоторых участках наблюдается повышенная яркость в инфракрасном (5 мкм.) диапазоне. Характер полученных данных не полностью соответствует изложенным выше представлениям, что, в принципе, можно отнести за счет локальных особенностей района. По постепенному ослаблению солнечного света зонд обнаружил над верхним ярусом облаков диффузный слой, состоящий из ледяных частиц аммиака. Фактически зарегистрирован только один слой облаков, состоящий, по-видимому, из ледяных частиц гидросульфида, причем метеорологическая «дальность видности» в нем превышает 1,5 км. Из распределения яркости неба был сделан вывод, что вдали были видны какие-то облака. Но никакого слоя водяного пара или снега, вопреки ожиданиям, не обнаружено. Более того, атмосфера Юпитера оказалась очень сухой.

Массовое соотношение водорода к гелию в атмосфере (75:24) оказалось большим, чем по результатам «Вояджеров». На долю остальных элементов приходится всего 1%, причем углерода и серы в 2—3 раза больше, чем на Солнце. Количество органических молекул ничтожно мало. Теоретические модели с содержанием гелия 24% указывают, что температура ядра у Юпитера очень высокая, около 20000 К.

Зональные (восток-запад) скорости ветра на всем протяжении спуска были очень велики и достигали 640 км/ч, или 180 м/с. Измерения с «Вояджеров» тоже указывали на высокие скорости ветра, но трудно было предположить, что такие же скорости сохраняются глубоко под облачным слоем. Если на Земле динамика атмосферы и океана определяется притоком энергии от Солнца, то на Юпитере роль Солнца в метео-явлениях невелика. Ветры, превосходящие в несколько раз самые ураганные ветры Земли, порождаются мощными источниками тепла в горячих глубинах планеты, причем это относится почти ко всем планетам-гигантам.

Мы говорили уже о «сверхмолниях» на Юпитере. На зонде, сброшенном с «Галилео», был установлен прибор для регистрации молний как оптическим, так и радиометодом. Вспышки зарегистрированы не были, но радиоизлучение удаленных молний принималось постоянно. Молнии примерно в 10 раз превосходят по мощности земные, но на единицу площади их меньше тоже в 10 раз. Таким образом, грозовые явления теперь известны на Венере, Земле и Юпитере. Возможно, они существуют и на других планетах-гигантах.

По составу водородо-гелиевый Юпитер очень напоминает звезды. Его даже называют иногда «несостоявшейся звездой». Однако масса Юпитера в 13 раз меньше минимальной массы самых легких звезд — коричневых карликов, способных перерабатывать в своих недрах «легкогорящие» в термоядерных реакциях элементы — дейтерий и литий. Масса Юпитера в 70 раз меньше того минимума (предел Кумара), который необходим для протекания водородо-гелиевых термоядерных реакций, служащих источником энергии Солнца. В процессе термоядерного синтеза водорода в Солнце становится все меньше, а гелия — все больше. Атмосфера же Юпитера, напротив, должна иметь реликтовый, исходный состав протосолнечной туманности. Поэтому соотношение между водородом и гелием должно было сохраниться в ней таким же, каким оно было у молодого Солнца. На основании измерений Юпитера мы можем теперь считать (с известной осторожностью), что Солнце с самого начала содержало довольно много гелия.

Протяженность атмосферы Юпитера по разным оценкам составляет от 1 до 6 тыс. км. При первом из этих значений — 1000 км. — давление на «дне» водородо-гелиевой атмосферы будет достигать 150 тыс. бар. Там должна начинаться зона плавного перехода газообразной, жидкой и твердой фаз в «поверхность» Юпитера, по некоторым расчетам раскаленную до 2000 К.

Толстый слой «жидкого водорода» действительно ведет себя как жидкость, хотя правильнее называть это состояние газожидким. Из-за высокой температуры водород Юпитера и других гигантов находится в сверхкритическом состоянии: водород не может быть жидкостью при температуре более 33 К. Здесь необходимо сделать оговорку.

Увеличение давления выше некоторого предельного приводит к разрушению электронных оболочек атомов. Вещество резко изменяет свои свойства. Так, при давлении около 1 млн. бар. (для Юпитера это глубина, по разным оценкам, от 12 до 20 тыс. км.) возникает жидкий молекулярный водород. Его слой, вероятно, с примесью гелия, образует внешнее ядро планеты. Далее водород переходит в металлическое состояние с выделением теплоты фазового перехода. Это один из источников энергии в недрах планеты. При металлизации водорода могут возникнуть своеобразные растворы, например раствор гелия в металлическом водороде. Наконец, сам металлический водород тоже может быть твердым или жидким. Учет всех этих подробностей делает расчеты внутреннего строения планет-гигантов крайне сложными.

Схемы внутреннего строения планет-гигантов представлены на рис. в виде объемных секторов. Там же для сравнения показано строение Земли.

Плотность оболочек возрастает по направлению к центру планеты. Атмосфера Юпитера, толщина которой принята 1500 км., уплотняется в глубину. На дне атмосферы находится слой газо-жидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,88 радиуса водород переходит в жидкомолекулярное состояние с резким увеличением плотности от 0,56 до 0,66 г/см³. Здесь давление и температура составляют 0,69 Мбар и 6500 К. Ниже, на уровне 0,77 радиуса (3 Мбар, 10000 К) водород переходит в жидкое металлическое состояние. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входит небольшое количество тяжелых элементов. Общее количество водорода и гелия у Юпитера соответствует 225 и 70 массам Земли. Еще 20 масс Земли приходится на тяжелые элементы в центре планеты и отчасти в оболочках.

На внутреннее ядро Юпитера приходится не менее 5 масс Земли, а по диаметру оно примерно вдвое больше Земли. По составу ядро металло-силикатное и, возможно, включает воду, аммиак и метан. Предполагают, что внутреннее ядро окружено слоем гелия или растворов гелия. Температура в центре планеты близка к 20000 К, а давление около 50 Мбар. Похожее строение имеет и Сатурн, однако уровень внешней границы металлического водорода у него находится у 0,49 радиуса, а граница внутреннего ядра — у 0,15 радиуса. Температура и давление в центре Сатурна, согласно расчетам, 17000 К и 23 Мбар.

Значительно ниже температура и давление в центре Урана и Нептуна: около 7200 К и 8 Мбар. Водорода в их составе намного меньше. Над большим металло-силикатным ядром у них расположены мантии из смеси водяного и аммиачно-метанового льдов. Не следует понимать слово «льды» в привычном смысле: это вещества, образующие льды при физических условиях облачного покрова Юпитера.

На уровне 0,91 радиуса Юпитера, ниже его «океанической» поверхности, давление и температура достигают значений, достаточных для появления в веществе свободных электронов, обеспечивающих электрическую проводимость. По-видимому, начиная с этого уровня формируется сильное магнитное поле, обусловленное быстрым вращением Юпитера и движениями проводящей среды в его недрах. Поле несколько напоминает земное, но намного сильнее его. Дипольная составляющая создает на уровне облачного слоя напряженность 4—5 Гс (на Земле 0,35 Гс), а в районах магнитных полюсов Юпитера — 11 и 14 Гс. Ось диполя на 11° наклонена к оси вращения планеты (почти как у Земли!). Направление полюсов обратно земному. Значительную напряженность поля имеют компоненты более сложного характера с числом полюсов 4 и 8 — квадрупольная и октупольная, магнитные моменты которых составляет 22 и 18% от дипольного. Все это создает сложную картину магнитного поля планеты:

множество магнитных полюсов, из которых два (северный и южный) примерно в 5 раз сильнее остальных.

Радиационные пояса Юпитера превышают земные во много раз по напряженности поля и размерам, а с ночной стороны магнитный шлейф Юпитера тянется на многие сотни миллионов километров и достигает орбиты Сатурна.

В 1960-х гг. было обнаружено дециметровое радиоизлучение Юпитера. Оно имеет в значительной мере нетепловой характер (т.е. не связано с тепловым излучением планеты). Как известно, движение электронов в магнитных полях сопровождается электромагнитным излучением. Его называют циклотронным, если кинетическая энергия электронов меньше 0,5 МэВ, т.е. меньше энергии покоя электрона (m_eс²). В случае, если электроны релятивистские, т.е. их энергия намного больше 0,5 МэВ, излучение называют синхротронным. Долго оставалось неясным, к какому из этих типов относится дециметровое радиоизлучение Юпитера. В 1964 г. было показано, что оно исходит из пространства, намного превышающего диаметр Юпитера, причем наиболее интенсивно излучают две области: с востока и с запада от планеты.

С помощью космических аппаратов удалось установить, что магнитосфера и радиационные пояса Юпитера — это гигантский «природный ускоритель» заряженных частиц, в действии которого принимают участие природные спутники планеты. Этот ускоритель представляет собой тороидальный пояс, наклоненный, к экваториальной плоскости планеты в соответствии с наклоном оси магнитного диполя и вращающийся вместе с магнитосферой. Наиболее близкая к планете часть магнитосферы, в пределах 20 радиусов планеты, вращается вместе с дипольной составляющей магнитного поля (период 9ч. 55мин. 29,7с.). Радиационный пояс охватывает пространство от 1,5 до 6 радиусов планеты. Энергия электронов, захваченных в радиационных поясах и ускоренных в них, лежит в пределах от 3 до 30 МэВ. Дециметровое радиоизлучение, имеющее непрерывный, спокойный характер, генерируется именно в этих поясах электронами с энергией около 17 МэВ. Таким образом, дециметровое излучение Юпитера относится к синхротронному типу.

Вместе с тем, от планеты исходит и более длинноволновое излучение. В 1954 г., когда в США вводили в действие новый радиотелескоп, на выходе тщательно проверенной аппаратуры время от времени появлялись сильнейшие периодические помехи. Всплески повторялись с более или менее правильными интервалами на длине волны 13,5 м. Вскоре удалось установить, что искать этот источник на Земле бесполезно. Мощные помехи шли от Юпитера.

Экспериментаторы даже утверждали, что излучение Юпитера можно принимать на вполне определенных длинах волн: 29,7; 20; 18,2; 16,7; 15,5; 13,5 и 11,4 метров, и что даже через несколько месяцев таинственные радиосигналы появляются на тех же частотах. Подобно сигналам наших радиопередатчиков, «сигналы Юпитера» занимают узкую полосу частот: от 5 до 50 кГц.

Когда была применена радиоаппаратура с высоким временным разрешением, удалось установить, что в ряде случаев сигналы имеют сложную внутреннюю структуру: импульсы длительностью в тысячные доли секунды разделены паузами в сотые доли, причем амплитуда меняется от импульса к импульсу, но остается постоянной в пределах одного импульса. Очень похожую структуру имеют сигналы некоторых специальных радиостанций Земли, использующих особую кодово-импульсную модуляцию.

Долгое время кольцо считалось привилегией Сатурна. Когда у всех планет-гигантов открыли кольца разной степени сохранности, появилась новая гипотеза об относительной недолговечности планетных колец, которые рождаются в разрушительных столкновениях их спутников с кометами. Однако критики этой гипотезы неизменно приводили такое возражение: почему же мы не видим самих столкновений и прочих катастроф? В 1994 г. положение изменилось радикально.

В начале 1993 г. была открыта странная комета, названная по фамилиям первооткрывателей «кометой Шумейкеров-Леви-9». Она представляла собой около 20 отдельных кометных тел, вытянувшихся цепочкой.

Судьба кометы была предсказана незамедлительно: в 1994 г. произойдет небесная катастрофа примерно таких же масштабов, как та, что случилась 65 млн. лет назад на Земле, когда погибло около 80% всех видов животных. Раньше вероятность такого события представлялась ученым настолько малой, что его обычно воспринимали как исторический факт, не более. Но расчеты подтвердились. В июле 1994 г. обломки кометы, размерами, по разным оценкам, от 1 до 10 км., врезались в Юпитер со скоростью 60 км/с. Их огромная кинетическая энергия при внезапной остановке выделилась в виде теплового взрыва.

Для земных наблюдателей положение осложнялось тем, что столкновение произошло на не видимой с Земли стороне планеты. Но быстрое вращение Юпитера позволило увидеть свежие следы столкновения, которые сохранились в атмосфере планеты надолго. Обломки кометы врезались в нее с 16 по 22 июля 1994 г. Энергия взрыва фрагмента G была оценена как эквивалент 6 млн. водородных бомб по одной мегатонне каждая. На рис. можно видеть, как выглядел след этого взрыва через 45 мин. Следы взрыва более темные, чем окружающий фон облаков, но в полосе метана они светлее. Тонкое кольцо вокруг центра лишь на 1/5 меньше диаметра земного шара. Фрагмент G входил с юга, под углом 45°.

Широкая темная дуга справа образована, по-видимому, продуктами выбросов, направленных в сторону удара. На снимках виден также след, оставленный фрагментом D. Это точка слева от кольца, темная на рис. Фрагменты кометы оставили цепь подобных следов меньших размеров на облачной поверхности Юпитера. Взрывы происходили достаточно глубоко в атмосфере; на это указывают радиальные лучи на снимке. Продукты взрыва поднялись над лимбом планеты в виде полусферы и примерно через 20 мин. превратились в полоску над горизонтом.

В то время как в обычных наблюдениях сера на Юпитере не обнаруживается, в продуктах взрыва установлено присутствие большого количества серосодержащих соединений, например, дисульфида углерода, аллотропа S₂ и других. Научные данные о столкновении кометы Шумейкеров-Леви-9 с Юпитером останутся уникальным материалом надолго, возможно даже, на тысячелетия.

Орбиты двух ближайших к Юпитеру спутников, небольших тел Метис и Адрастея, проходят по внешнему краю удивительного образования — кольца Юпитера, совершенно не похожего на кольцо Сатурна. Его внешняя граница проходит на расстоянии 128 тыс. км. от центра планеты, а толщина не более нескольких километров. Обнаружили это кольцо в 1979 г. с помощью зондов «Вояджер», хотя его существование предполагалось и раньше.

Кольцо состоит из частиц микронных размеров, об этом говорит сильное рассеяние ими света вперед, в направлении его падения (крупные частицы отражают свет назад). Именно поэтому кольцо лучше всего видно на снимках, сделанных, когда аппарат находился за Юпитером, а кольцо наблюдалось в контражуре. Плотность кольца так мала, что оно в тысячи раз прозрачнее хорошего стекла. Ширина наиболее плотной его части около 5200 км., но эта оценка условна, так как пылевая материя присутствует глубоко внутри кольца и доходит, видимо, до верхних этажей атмосферы Юпитера.

Слабый свет, рассеиваемый кольцом в направлении к Солнцу и Земле, удаленность Юпитера и положение экватора, близкое к плоскости эклиптики, делают его наблюдение с Земли практически невозможным — наблюдатель фактически находится в плоскости кольца. Предполагают, что именно Метис и Адрастея поставляют кольцу микропылинки. Эти же спутники своим гравитационным воздействием формируют резкую внешнюю границу кольца.