§ 15.  ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ

1. Общая характеристика планет-гигантов. Продолжая работу с данными, вы сумеете выяснить отличие планет-гигантов от планет земной груп­пы и найти черты сходства и различия у планет, относящихся к гигантам (Юпитер (рис. 48), Сатурн (рис. 49), Уран, Нептун). Все эти планеты (и особенно Юпитер!) имеют боль­шие размеры и массы. Например, по объему Юпитер превос­ходит Землю почти в 1320 раз, а по массе — в 318 раз. Обратите внимание на низкую среднюю плотность (наимень­шая она у Сатурна — 0,7·103 кг/м3).

Рис. 48. Юпитер.

Рис. 49. Сатурн.

Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своих осей; менее 10 ч требуется огромному Юпитеру, чтобы со­вершить один оборот. Причем, как выяснилось в результате наземных оптических наблюдений, экваториальные зоны планет-гигантов вращаются быстрее, чем полярные, т. е. там, где максимальны линейные скорости точек в их дви­жении вокруг оси, максимальны и угловые скорости. Результат быстрого вращения — большое сжатие планет-гиган­тов (заметное при визуальных наблюдениях). Вы знаете, что разность экваториального и полярного радиусов Земли со­ставляет ≈21 км, а у Юпитера она равна4400 км.

Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господ­ствуют низкие температуры. На Юпитере вообще нет смены времен года, поскольку ось этой планеты почти перпендику­лярна к плоскости ее орбиты. Своеобразно происходит смена времен года и на планете Уран, так как ось этой планеты наклонена к плоскости орбиты под углом 8˚ .

Планеты-гиганты отличаются большим числом спутни­ков; у Юпитера их обнаружено к настоящему времени 39, Сатурна — 30, Урана — 21 и только у Нептуна — 8. Заме­чательная особенность планет-гигантов — кольца, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Нептуна. Из планет-гигантов лучше других исследованы Юпитер и Сатурн.

2. Особенности строения. Важнейшая особенность строе­ния планет-гигантов заключается в том, что эти планеты не имеют твердых поверхностей. Такое представление хорошо согласуется с малыми средними плотностями планет-гиган­тов, их химическим составом (они состоят в основном из легких элементов — водорода и гелия), быстрым зональным вращением и некоторыми другими данными. Следовательно, все, что удается рассмотреть на Юпитере и Сатурне (на бо­лее далеких планетах детали вообще не видны), происходит в протяженных атмосферах этих планет (рис. 50). На Юпи­тере даже в небольшие телескопы заметны полосы, вытяну­тые вдоль экватора. В верхних слоях водородно-гелиевой ат­мосферы Юпитера в виде примесей встречаются химические соединения (например, метан и аммиак), углеводороды (этан, ацетилен), а также различные соединения (в том числе содержащие фосфор и серу), окрашивающие детали атмосферы в красно-коричневые и желтые цвета. Таким образом, по своему химическому составу планеты-гиганты резко отличаются от планет земной группы. Это отличие связано с процессом образования планетной системы (§ 32).

Рис. 50. Атмосферные явления на Сатурне.

Рис. 51. Большое красное пятно на Юпитере.

Нафотографиях, переданных с борта американских АМС «Пионер» и «Вояджер», отчетливо видно, что газ в атмос­фере Юпитера участвует в сложном движении, которое со­провождается образованием и распадом вихрей. Предполага­ется, что наблюдаемое на Юпитере около 300 лет Большое Красное Пятно (овал с полуосями 15 и 5 тыс. км) тоже представляет собой огромный и очень устойчивый вихрь (рис. 51).

Потоки движущегося газа и устойчивые пятна видны и на снимках Сатурна, переданных автоматическими межпланетными станциями.

«Вояджер-2» дал возможность рассмотреть и детали ат­мосферы Нептуна.

Вещество, находящееся под облачным слоем планет-гигантов, недоступно непосредственному наблюдению. О его свойствах можно судить по некоторым дополнительным дан­ным. Например, предполагают, что в недрах планет-гиган­тов вещество должно иметь высокую температуру. Как же такой вывод был сделан? Во-первых, зная расстояние Юпи­тера от Солнца, вычислили количество теплоты, которое Юпитер от него получает. Во-вторых, определили отража­тельную способность атмосферы, что позволило узнать, сколько солнечной энергии планета отражает в космическое пространство. Наконец, вычислили температуру, которую должна иметь  планета,  находящаяся  на известном  расстоя­нии от Солнца. Она оказалась близкой к -160° С. Но темпе­ратуру планеты можно определить и непосредственно, иссле­дуя ее инфракрасное излучение с помощью наземной аппа­ратуры или приборов,   установленных   на   борту   АМС.   Та­кие  измерения  показали,  что  температура Юпитера  близка к ‑130° С, т. е. выше расчетной. Следовательно, Юпитер из­лучает энергии почти в 2 раза  больше,   чем получает от Солнца. Это и позволило сделать вывод о том, что планета обладает собственным источником энергии.

Совокупность всех имеющихся сведений о планетах-ги­гантах дает возможность построить модели внутреннего строения этих небесных тел, т. е. рассчитать, каковы плот­ность, давление и температура в их недрах. Например, температура вблизи центра Юпитера достигает нескольких десятков тысяч Кельвинов.

В отличие от планет земной группы, обладающих корой, мантией и ядром, на Юпитере газообразный водород, входя­щий в состав атмосферы, переходит в жидкую, а затем и в твердую (металлическую) фазу. Появление таких необычных агрегатных состояний водорода (в последнем случае он ста­новится проводником электричества), связано с резким уве­личением давления по мере погружения в глубину. Так, на глубине, несколько большей 0,9 радиуса планеты, давление достигает 40 млн. атм. (4·1012 Па).

Возможно, что с быстрым вращением проводящего ток вещества, находящегося в центральных областях планет-ги­гантов, связано существование значительных магнитных по­лей этих планет. Особенно велико магнитное поле Юпитера. Оно во много раз превосходит магнитное поле Земли, при­чем полярность его обратна земной (как вы знаете, у Земли вблизи северного географического полюса расположен южный магнитный). Магнитное поле планеты улавливает летя­щие от Солнца заряженные частицы (ионы, протоны, элек­троны и др.), которые образуют вокруг планеты пояса ча­стиц высоких энергий, называемые радиационными поясами. Такие пояса из всех планет земной группы есть только у нашей планеты. Радиационный пояс Юпитера простирается на расстояние до 2,5 млн. км. Он в десятки тысяч раз интенсивнее земного. Электрически заряженные частицы, движущиеся в радиационном поясе Юпитера, излу­чают радиоволны в диапазоне дециметровых и декаметровых волн. Как и на Земле, на Юпитере наблюдаются полярные сияния, связанные с прорывом заряженных частиц из ради­ационных поясов в атмосферу, а также грозы.

3. Спутники. Система спутников Юпитера напоминает Солнечную систему в миниатюре. Четыре спутника, откры­тые Галилеем, называют галилеевыми спутниками. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Самый большой из них — Ганимед — превосходит по размерам Меркурий (но вдвое уступает этой планете по массе). Пролетая вблизи спут­ников Юпитера (а потом Сатурна), американские автомати­ческие межпланетныестанции «Пионер», «Вояджер» и «Галилей» передали на Землю фотографии сизображением их поверхностей, которые

Рис. 52. Ганимед — спутник Юпитера.

Рис. 53. Ио — спутник Юпитера.

Рис. 54. Каллисто — спутник Юпитера.

напоминают поверхности Луны и планетземной группы. Особенно похож на Луну Ганимед (рис. 52). Кроме кратеров, наГанимеде много длинных хреб­тов и полос, образующих своеобразные ветвящиеся пучки. Уникальна поверхность Ио, на которой открыты дей­ствующие вулканы, и она буквально вся залита продукта­ми их извержения (рис. 53). Очень много кратеров на Каллисто. На фотографиях этого спутника видна многоколь­цевая структура («Бычий глаз») диаметром600 км с систе­мой концентрических колец (до2600 км в диаметре), вероят­но, порожденная ударом метеорита (рис.  54).  Поверхность Европы испещрена тянущимися на несколько тысяч киломе­тров темными и светлыми трещинами (шириной 20—40 км). Совсем недавно было сообщено об открытии обширного под­ледного океана воды на этом спутнике Юпитера. Самый близкий к Юпитеру спутник Амальтея, а также все далекие спутники, находящиеся за пределами орбит галилеевых спутни­ков, имеют неправильную форму и этим напоминают малые планеты Солнечной системы (астероиды).

Рис. 55. Энцеллад — спутник Сатурна.

Рис. 56. Мимас — спутник Сатурна.

Рис. 57. Миранда — спутник Урана.

Сфотографированы с близкого расстояния и некоторые спутники Сатурна(рис. 55). На поверхности этих небесных тел тоже обнаружено много кратеров. Некоторые из них очень велики (диаметр кратера на  спутнике Тефия около400 км, а на спутнике Мимас (рис. 56) около130 км). Из спутников Сатурна особый интерес представляет Титан, который обладает атмосферой. Она почти целиком состоит из азота, причем плотность и давление атмосферы у поверхно­сти Титана превосходят соответствующие параметры атмо­сферы Земли. Масса Титана почти в 2 раза, а радиус (около2580 км) в 1,5 раза больше соответственно массы и радиуса Луны. Следовательно, Титан, как и Ганимед, радиус которого около2640 км, — самый крупный спутник. Один из ин­тереснейших спутников Урана — Миранда (рис. 57). Замеча­телен и Тритон — самый большой спутник Нептуна (рис. 58). Диаметр Тритона2705 км. На Тритоне тоже есть атмосфера, в основном состоящая из азота. Как и многие другие спутни­ки планет-гигантов, Тритон — силикатно-ледяное небесное тело. На нем обнаружены кратеры, полярные шапки и даже газовые гейзеры.

4. Кольца. Первыми были открыты кольца Сатурна (XVII в., Галилей, Гюйгенс). Еще в XIX в. английский фи­зик Дж. Максвелл (1831—1879), изучавший устойчивость движения колец Сатурна, а также русский астрофизик А.А. Белопольский (1854—1934) доказали, что кольца Сатурна не могут бытьсплошными. С Земли в лучшие теле­скопы видно несколько колец,

Рис. 58. Крупнейший спутник Нептуна — Тритон. («Вояджер-2»).

Рис. 59. Тонкая структура колец Сатурна.

разделенныхпромежутками. Но на фотографиях, переданных с АМС, видно множество колец (рис. 59). Кольца очень широкие: они простираются над облачным слоем планеты на60 000 км. Каждое состоит из частиц и глыб, движущихся по своим орбитам вокруг Сатурна. Толщина же колец не более1 км. Поэтому, когда Земля   при   своем   движении   вокруг   Солнца   оказывается  в плоскости колец Сатурна (это случается через 1415 лет, так было в1994 г.), кольца перестают быть видимыми: нам кажется, что они исчезают. Не исключено, что вещество, из которого состоят кольца, не вошло в состав планет и их больших спутников во время формирования этих небесных тел.

В1977 г. были открыты кольца у Урана, в1979 г. — у Юпитера, в1989 г. — у Нептуна. На возможность суще­ствования колец у всех планет-гигантов еще в 1960 г. ука­зывал известный астроном С. К. Всехсвятский (1905—1984).