Тема № 7: «Планети-гіганти та їх супутники»

1)    Загальна характеристика планет-гігантів.

Планети-гіганти на відміну від планет земної групи не мають твер­дої поверхні, бо за хімічним складом (99 % Гідрогену і Гелію) і густиною ( 1 г/см3) вони нагадують зорі, а їх велика маса спричиняє нагрівання ядер до температури більшої ніж +10 000 °С . Крім того, планети-гіганти досить швидко обертаються навколо осі й мають велику кількість супутників.

Найбільшою загадкою усіх планет-гігантів (крім Урана), і насамперед Юпітера, є джерело внутрішньої енергії, яку випромінюють ці планети в інфрачервоній частині спектра. Джерелом енергії не можуть бути тер­моядерні реакції, що протікають у надрах зір, бо маса планет-гігантів недостатня для перетворення їх у зорі. Не виключена можливість, що гіганти випромінюють зараз ту енергію, яка була накопичена під час утворення Сонячної системи кілька мільярдів років тому. Можливо, що у минулому Юпітер мав досить високу температуру на поверхні й світився на небі молодої Землі у 100 ра­зів яскравіше від Місяця.

Планети-гіганти за хімічним складом нагадують зорі, вони не мають твердої  поверхні, й тому на них ніколи не зроблять посадку пілотовані космічні кораблі. Під холодними хмарами гіганти мають гарячі надра, температура яких сягає десятків тисяч градусів. Однією з таємниць залишається джерело внутріш­ньої енергії планет-гігантів, бо всі вони, за винятком Урана, випромінюють у космос більше енергії, ніж отримують від Сонця.

Плутон відрізняється і від планет-гігантів, і від планет земної групи — він більше нагадує великі супутники планет-гігантів. За Плутоном можуть обертатися ще тисячі подібних холодних тіл.

Основна відмінність планет-гігантів від планет земної групи — їхні істотно більші маси і розміри. Водночас густини планет цієї групи значно менші, ніж у планет земної групи, що свідчить про різницю хімічного складу. Всі планети-гіганти мають потужні воднево-гелієві атмосфери з домішками аміаку і метану (до 0,1%), а також великі сис­теми супутників і кілець. Планети цієї групи обертаються навколо осі набагато швидше, ніж планети земної групи. При цьому кожна з них має помітно менший період обертання екваторіальних зон у порівнянні з приполюсними.

Такий закон обертання, типовий для всіх газоподібних тіл, спос­терігається і в Сонця. При цьому Юпітер і Сатурн та Уран і Нептун та­кож досить чітко поділяються між собою на дві пари. Юпітер і Сатурн мають більші розміри, менші густини і менші періоди обертання, ніж Уран і Нептун.

Чіткий поділ планет-гігантів на дві групи — це дуже важливий екс­периментальний факт, який вимагає обов’язкового пояснення сучас­ною теорією походження і еволюції Сонячної системи.

 

2)    Юпітер.

Юпітер, який був названий на честь наймогутнішого бога римської міфології, виявився найбільшою плане­тою Сонячної системи. Основними компонентами атмо­сфери Юпітера є водень — 86,1 % та гелій — 13,8 %, а у хмарах помічена присутність метану, аміаку та па­ри води. Верхній шар світлих хмар, де атмосферний тиск сягає 1 атм, має температуру -107 °С і складається з кристаликів аміаку. Шар хмар з домішками сірки, що розташований нижче, має червоний колір. Найнижче знаходяться хмари з пари води, які утворю­ються на глибині 80 км від верхніх світлих хмар. Тем­пература і атмосферний тиск з глибиною поступово зростають.

Недавно з’явилися гіпотези про можливість існування життя у хмарах Юпітера, адже його атмосфера має всі компоненти, які були необхідні для появи життя на Землі. Деякі шари хмар є теплими та відносно комфортними для існування навіть земних мікроорганізмів.

На глибині 20 000 км водень перетворюється у металічний стан, і його фізичні властивості нагадують розплавлений метал, який добре проводить електричний струм. Такий агрегатний стан водню (густина 4 г/см3 при тискові 106 атм) на Землі не існує. Завдяки електричному струмові, що генерується у цій металевій оболонці, виникає сильне магнітне поле, тому навколо Юпітера утворюються радіаційні пояси, які в 10 разів інтенсивніші від земних. Юпітер є потужним джерелом радіовипромінювання. У центрі Юпітера існує тверде ядро, подібне за хімічним складом до планет земної групи, яке може складатися зі скельних порід.

Юпітер — найбільша планета Сонячної системи, яка з періодом 11,86 земного року обертається навколо Сонця на відстані близько 5,2 а. о. Юпітер швидше за всі інші планети обертається навколо своєї осі — зоряна доба на Юпітері триває 9 год 50 хв. Через швидке обертання його екваторіальний радіус (71 400 км) значно перевищує полярний (66 900 км) — планета помітно сплюснута біля полюсів. Маса Юпітера і сила тяжіння на його по­верхні відповідно у 318 і 2,5 рази більші за земні показники. Середня густина становить 1,3 г/см3.

Навіть у невеликий телескоп на Юпітері добре помітні світлі та темні смуги, що простягаються паралельно екватору. Вони порівняно стійкі про­тягом днів та тижнів, але поступово змінюються впродовж років. Це вка­зує на їхню хмарову природу та на відносно стійкий тип атмосферної циркуляції. Смуги мають різноманітне забарвлення, що змінюється з часом. Період обертання Юпітера, визначений за рухом деталей, роз­ташованих на різних широтах, виявляється різним: він збільшується з ростом широти. Отже, смуги в середніх широтах рухаються повільніше, ніж на екваторі.

У 1831 р. в південній півкулі Юпітера було виявлено слав­нозвісну Велику Червону Пляму (ВЧП). Велика Червона Пляма, яка знахо­диться в південній півкулі Юпітера і за розмі­рами майже вдвічі більша від Землі, є веле­тенським вихорем в атмосфері, у якому вітер дме з ураганною швидкістю до 100 м/с. Загадкою залишається те, що цей вихор, який помітили ще 300 років то­му, існує до нашого часу.

Про неї було відомо й раніше,  бо є свідчення спостережень Гука, на малюнках якого, виконаних ще 1664-1672 рр.,  теж є пляма. ВЧП орієнтова­на вздовж паралелі й має розміри 15000×30 000 км, а сто років тому вони були удвічі більшими. Ця пляма — це потужний антициклон, що обертається проти годиннико­вої стрілки. Обертання всередині плями відбувається за 6 земних діб. Виникнення та існування ВЧП пов’язане з різною швидкістю руху атмосферних мас, між якими вона знаходиться:   маси,   розташовані вище, рухаються проти годинникової стрілки повільніше, ніж, ті, що нижче. Через тертя верхня частина ВЧП трохи гальмується, а нижня — прискорюється, що і призводить до утворення цього на ди­во стійкого вихра.

В атмосфері Юпітера міститься близько 86 % водню, 14 % гелію, 0,07 % метану, 0,06 % аміаку, а також вода, ацетилен, фосфін. Хмари складаються в основному з аміаку.

В розрахунку на одиницю площі Юпітер отримує у 27 разів менше тепла від Сонця, ніж Земля. Його верхні шари, відбиваючи 50 % соняч­ної енергії, повинні були б мати температуру близько 210 К, проте прямі вимірювання як наземними засобами, так і за допомогою космічних апаратів вказують на більшу температуру: вона на 17 К ви­ща. Тобто надра планети дають свій власний потік енергії, в середньому удвічі більший, ніж вона отримує від Сонця. Цей додатковий потік теп­ла приводить до появи в атмосфері Юпітера бурхливих вертикальних течій з виносом догори гарячих мас газу, які після охолодження пори­нають назад.

Причиною переважання випромінюваної енергії над отриманою від Сонця можуть бути процеси гравітаційного стискування первинної ре­човини, з якої сформувався Юпітер. За своїми характеристиками Юпітер займає проміжне положення між планетними і зоряними утво­реннями, і його остаточне формування ще й досі не завершилось.

Юпітер не має твердої поверхні. За підра­хунками вже на глибині кількох тисяч кіло­метрів речовина атмосфери плавно переходить у газорідкий стан, ще глибше під ним залягає зона рідкого водню з гелієм, а ще глибше рідкий водень переходить у металічну фазу — перетворюється на метал, у якому протони і елек­трони існують окремо. Останній перехід відбувається стрибком; речовина, змінюючи свою фазу, стискається, при цьому і виділяється до­даткова енергія.

У 1955 р. виявлено, що Юпітер є потужним джерелом радіовипромінювання. Планета має магнітне поле, напруженість якого у 50 разів більша, ніж у земного. Це поле формує навколо планети протяжну магнітосферу з декількома радіаційними поясами. Електрони, прискорені в магнітосфері планети, тут же гальмуються її магнітним полем, випромінюючи головним чином у радіодіапазоні.

Чотири із 63 супутників Юпітера — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто — ще у 1610 р. були відкриті Галілеєм, він же дав їм назви, а тому їх час­то називають галілеєвими. В 1979 р. поблизу планети пройшли АМС «Вояджер-1» і «Вояджер-2» (США). Вони передали на Землю зображення планети і супутників з близьких відстаней. Особливо вра­жають поверхні галілеєвих супутників.

Поверхня Іо має жовтувато-червоний колір. На супут­нику зареєстровано 7 діючих вулканів. Вулканічні процеси на Іо проходять досить бурхливо: продукти викиду (в основному це спо­луки сірки) піднімаються на висоту до 300 км.

Практично вся поверхня Європи вкрита мережею тріщин, довжина яких в окремих випадках сягає 1 500 км. Напевно, зовнішня оболонка Європи до глибин від 10 до 100 км складається з во­дяного льоду. Вона відбиває до 70% сонячного світла, а тому середня температура поверхні Європи нижча, ніж у Іо, і становить 120 К.

Ганімед — найбільший серед супутників Юпітера і взагалі у Со­нячній системі. Існує припущення, що він значною мірою складається з води або льоду. Його поверхня відбиває до 40% сонячно­го світла і має температуру 140 К.

Каллісто — четвертий галілеєвий супутник, цікавий тим, що йо­го відвернена від Юпітера сторона вкрита кратерами. Вважають, що їхній вік становить 4 млрд років, і виникли вони внаслідок потужного метеоритного бомбардування на ран­ній стадії існування Сонячної системи. Каллісто — темний супутник, бо його поверхня — лід, забруднений пилом відбиває лише 20% світла. Через це і температура на його поверхні найвища серед галілеєвих супутників — 150К.

Всі галілеєві супутники за своїми розмірами наближаються до пла­нет, їхні середні густини більші, ніж у Юпітера, а періоди їхнього осьо­вого обертання і обертання навколо Юпітера майже збігаються.

У березні 1979 р. «Вояджер-2» відкрив навколо Юпітера кільце. Воно подібне до кілець Сатурна, але значно менше за розмірами і дуже тонке. Доречно згадати, що думку про існування у Юпітера кільця, а та­кож існування на супутниках великих планет інтенсивних вул­канічних процесів ще 1955 р. сміливо висловив київський астроном Сергій Костянтинович Всехсвятський (1905-1984).

 

3)    Сатурн.

Сатурн — найвіддаленішу планету, яку знали астрономи в стародавні часи, — назвали на честь батька головного бога Юпітера. Після винайдення телескопа виявили, що Сатурн є найкрасивішою планетою Сонячної системи, бо його казкове кільце зачаровує як дітей, так і дорослих. Сатурн не має того розмаїття кольорів, який ми спостерігаємо в атмосфері Юпітера, але структура атмосфери цих планет дуже схожа. Жовтувато­го кольору верхнім шарам атмосфери Сатурна надають снігові хмари з аміаку. На глибині 300 км від верхніх шарів хмар знаходяться хмари води, де при підви­щенні температури сніг перетворюється у дощ.

Середня густина Сатурна менша, ніж води, що свід­чить про невелику кількість важких хімічних елементів у ядрі планети.

Сатурн, як і Юпітер, має магнітне поле, радіаційні пояси, та є джерелом радіовипромінювання.

Верхні шари хмар отримують енергію як від Сонця, так і з гли­бини Сатурна. У резуль­таті взаємодії цих потоків енергії виникають сильні вітри, що спрямовані чо­мусь переважно із заходу на схід і швидкість яких досягає 400 м/с. Через вітри утворюються темні смуги хмар, які розташо­вані паралельно екватору Сатурн теж випромінює у космос більше енергії, ніж отримує від Сонця.

Астрономи недавно виявили дефіцит гелію в атмосфері Сатурна в порівнянні з атмосферою Юпітера і запропонували цікаву гіпотезу про можливе джерело його енергії. На Сатурні гелій не пов­ністю розчиняється у водні, як це спостерігається на Юпітері, де вищі тиск і температура. У вод­невій атмосфері Сатурна гелій утворює краплі, які конденсуються в атмосфері як своєрідний туман і потім випадають у вигляді дощу. Такі гелієві опади у верхніх шарах атмосфери можуть бути джерелом внутрішньої енергії, бо більш густий гелій (в порівнянні з воднем) опускається ближче до центра. Таким чином, потенційна енергія крапель гелію перетворюється в кінетичну енергію, що призводить до підвищення температури в надрах. З часом гелієві дощі припиняться, тому температура на Сатурні знизиться.

Сатурн — друга планета-велетень і шоста числом планета в Сонячній системі. Майже у всьому подібна до Юпітера Сонця з періодом 29,5 земних років на відстані близько 9,5 а. о. Зоряна доба на Сатурні триває 10 год 14 хв. Через швидке обер­тання він також сплюснутий біля полюсів: полярний радіус плане­ти менший від екваторіального.

Як і в Юпітера, періоди обертання у різних широтах не однакові. Маса Сатурна в 95 разів більша за масу Землі, а сила тяжіння в 1,12 рази більша за земну.

Сатурн має на диво низьку густину, нижчу за густину води — лише 0,7 г/см3. І якби знайшовся такий велетенський океан з води, куди мож­на було б занурити Сатурн, він би не потонув. Така маленька густина свідчить про те, що. як і решта планет-гігантів, Сатурн переважно скла­дається з водню і гелію.

Оскільки Сатурн знаходиться в 9,5 разів далі від Сонця, ніж Земля, то на одиницю площі він отримує в 90 разів менше тепла, ніж вона. Згідно з розрахунками температура зовнішнього шару хмарового по­криву повинна становити 80 К, насправді ж температура атмосфери планети дорівнює 90 К. Отже, Сатурн, як і Юпітер, перебуває у стані повільного стискання.

На диску жовтуватого кольору окремі деталі верхніх шарів атмо­сфери Сатурна проявляються значно слабкіше, ніж на Юпітері.

Та все ж при екваторіальні смуги видно досить добре. Помітно та­кож, що приполярні зони здаються злегка зеленуватими. Окрім того, час від часу з’являються світлі й темні плями, завдяки яким і було визначено період обертання Сатурна. У верхніх шарах хмарового покриву спостеріга­ються сильні вітри, швидкість яких в екваторіальній зоні досягає 110 м/с.

Як і Юпітер, Сатурн має магнітне поле, радіаційні пояси, і є джерелом радіовипромінювання.

Серед планет-гігантів Сатурн найбільше вражає уяву величною системою кілець,  які добре  видно  в простіший телескоп. Вони були відкриті X. Гюйгенсом ще у XVII ст. їхня площина лежить точно у площині екватора планети, нахиленій до площини екліптики під кутом 28,5°. Тому залежно від того, як зорієнто­ваний Сатурн по відношенню до Землі, кільця видно максимально роз­критими під тим же кутом, або, коли Земля знаходиться в площині кілець, їх взагалі не видно.

Кільця Сатурна мають складну структуру. «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які пролетіли повз Сатурн у 1980-1981 рр., передали на Землю зображення кілець з близької відстані. На фотографії видно, що кільця Са­турна складаються з сотень окремих вузьких кілець, розділених такими ж вузькими проміжками. Самі ж кільця складаються з окремих часток водяного крихкого снігу розмірами від дрібних пи­линок до брил у 10-15 м завбільшки, які добре відбивають сонячне світло. Шири­на кілець разом із найвіддаленішим дуже слабким кільцем, відкритим «Вояджером», становить 65 000 км, а товщина не перевищує 1 км.

Окрім кілець, Сатурн має 30 відомих на сьогодні супутників. «Вояджери» передали на Землю зображення деяких із них. Як і всі інші тіла в Сонячній системі, що не мають атмосфери, вони вкриті безліччю кратерів. Найбільший супутник Сатурна, Титан, має потужну не­прозору атмосферу товщиною до 200 км. Вона складається з азоту з домішками метану і водню.

 

4)    Уран.

Названий на честь бога неба Уран є по-справжньо­му блакитною планетою. Існує одна особливість, яка ви­діляє Уран з усіх планет Сонячної системи: його екватор нахилений до площини орбіти під кутом 98°. Такий вели­кий кут нахилу призводить до унікальної у Сонячній системі зміни пір року — полярні кола знаходяться майже на екваторі, а тропіки — біля полюсів. Це означає, що Сонце освітлює один з полюсів планети майже 42 зем­ні роки, в той час як на іншому полюсі стільки ж триває полярна ніч. Правда, спеки там не буває, бо Уран отримує від Сонця набагато менше енергії, ніж Земля, і температура верхніх шарів атмосфери не підніма­ється вище -215 °С.

Астрономи довгий час спостерігали за Ураном, але не виявили суттєвих змін кольорів або утворень в атмосфері. Можливо, що смуги з’являються тільки весною або восени, коли освітлені дві півкулі планети. Вісь обертання Урана лежить майже у площині орбіти, тому там тропіки збігаються з полярним колом. Три­валість сезонів на Урані 21 земний рік. Осьове обертання Урана, як і Венери, відбувається у на­прямку, протилежному на­прямку обертання інших планет Сонячної системи.    Уран   був    відкритий англійським астрономом В. Гершелем 1781 р., Так було відомо, що Уран — це планета, майже у- 4 рази більша за Землю. Вона рухається навколо Сонця з періодом 84 зем­них роки на відстані 19,2 а. о. і має екваторіальний період обер­тання навколо осі 17 год 14 хв. Нахил її осі обертання до площи­ни орбіти становить 98°, тобто Уран рухається навколо Сонця «лежачи на боці» та ще й обертається, як і Венера, у зворотному на­прямку. Маса Урана у 14,6 рази більша за земну, а екваторіальний радіус становить 25 600 км. Середня густина Урана — 1,19 г/см3. Виходячи з останніх даних, робляться припущення, що Уран на 50 % складається з водяного льоду, на 40 % — з різних кам’янистих порід і на 10 % — з водню та інших газів.

У 1977 р. при покритті Ураном зорі у нього було відкрито 5 вузьких кілець. Згодом з’ясувалося, що їх 9. А при прольоті АМС «Вояджер-2» було виявлено слабке десяте кільце. Кільця Урана дуже вузькі, 1-10 км завширшки, і тільки зовнішнє кільце в найширшій частині досягає 96 км. Мабуть, вони складаються з дрібного темного пилового матеріалу, бо погано відбивають сонячне світло. Товщина кілець — кілька десятків метрів. Після прольоту АМС стала відомою геологічна будова п’яти вели­ких супутників Урана: Аріеля, Умбріеля, Титанії, Оберона і Міранди. Було відкрито ще 12 супутників, які мають вигляд безформ­них брил невеликих розмірів від 10 до 100 км.

 

5)    Нептун.

Чи існує океан на планеті Нептун, яку назвали на честь бога підводного світу? Нептун знаходиться на околиці Сонячної системи і має період обертання 164,8 земного року. Він випромінює у космос у три рази більше енер­гії, ніж отримує від Сонця. Від часу свого відкриття у 1846 р. Нептун зробить повний оберт навколо Сонця тільки у 2011 р.

Під хмарами температура атмосфери поступово підви­щується до +700 °С, тому вода не може знаходитись у рід­кому стані. Більш реальною є гіпотеза про водяні хмари з розчином аміаку, густина яких може перевершувати густину води у кілька разів. Швидкість вітрів у хмарах сягає фантастичної величини 500 м/с. Чому виникають сильні вітри на такій холодній планеті — це ще одна нерозгадана таємниця Нептуна.

Нептун  — був відкритий німецьким астрономом Галле 1846 р. після теоретичних розра­хунків француза Левер’є і англій­ця Адамса.

Нептун у 4 рази більший за Землю. Він рухається навколо Сон­ця з періодом 164,8 земних років на відстані 30 а. о. і має екваторіальний період обертання 17 год 42 хв. Нахил його осі обертання до площини орбіти становить 290, маса у 17 разів більша за земну, а еква­торіальний радіус становить 24 800 км. Середня густина Неп­туна найбільша серед усіх планет-велетнів — 1,66 г/см3.

Виміряні температури зов­нішнього хмарового покриву для обох планет на 10-20 К переви­щують розрахункові. Отже, у обох планет є додаткове джерело тепла із надр. Можливо, це тепло має та­ку ж природу, як і в Юпітера чи Сатурна. В атмосфері пла­нети є молекули водню,  метану, ацетилену.

Щодо планети Нептун, то у неї виявлено досить динамічну блакит­ного кольору атмосферу, на тлі якої видно білі метанові хмари і дві темні плями — велику і малу. їхня природа, мабуть, така ж, як і приро­да Великої Червоної Плями на Юпітері.

У Нептуна, окрім двох відомих раніше, відкрито ще 6 супутників. Найбільший із них, Тритон, має дуже розріджену азотну атмосферу і поверхню, яка нагадує Місяць. Рухається Тритон навколо Нептуна у зворотному напрямку.

АМС «Вояджер-2» відкрила навколо Нептуна кільця, що склада­ються з дрібних пилових частинок.

 

6)    Плутон

Відстані у космічному просторі такі великі, що ви­мірювати їх у мільйонах кілометрів незручно. Тому астрономи вибрали одиницями вимірювання світловий рік та астрономічну одиницю.

 

ПРАГА, 24 серпня. Міжнародний астрономічний союз (МАС) офіційно позбавив Плутон статусу планети, передає РБК. Після тижня обговорень астрономи, що представляють 75 країн світу, затвердили шляхом голосування критерії, яким повинна відповідати небесне тіло для отримання статусу планети. На конференції в Празі були присутні 2,5 тис. астрономів, які представляють 75 країн світу.

Згідно схваленим МАС нормативами, Плутон не відповідає критеріям планети і тому позбавляється цього статусу. Згідно з новим визначенням, статус планети присвоюється «небесного тіла, що рухається по орбіті навколо Сонця, що належить виключно цього небесного тіла, має достатню масу для освіти гравітаційного поля, внаслідок чого дане небесне тіло отримує кулястих форму».

Орбіта ж Плутона, який був відкритий в 1930 р. і вважався дев’ятої планетою Сонячної системи, у багатьох відношеннях не схожа на сусідні з нею орбіти більш близьких до Сонця планет. До того ж еліптична орбіта Плутона перетинається з орбітою восьмою планети Сонячної системи — Нептуна. Відстань Плутона до Сонця змінюється від 29 до 49 астрономічних одиниць. Розміри Плутона можна порівняти з розмірами Місяця, але в нього є власний супутник — Харон. Плутон робить оборот навколо Сонця за 250,6 року, період обертання Харон навколо Плутона — 6,4 доби.

Після виключення Плутона з числа планет це назва закріплене лише за вісьмома небесними тілами: Меркурій, Венера, Землею, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. Відповідно до нової класифікації, Плутон тепер відноситься до категорії малих планет, або планетоїдів. За заявами астрономів, у найближчі кілька років ця категорія поповниться новими небесними тілами, виявлених на околицях Сонячної системи.

Плутон вважався 9-й планетою Сонячної системи. Він менший, ніж всі інші планети, і навіть менше деяких супутників. Швидше за все, це небесне тіло складається із льоду и вморожених в нього каміння. Лід на поверхні Плутона складається з замерзлі метану і азоту з домішками вуглеводню. Шар атмосфери на Плутоні дуже тонкий.

Поки Плутон не відвідав жоден космічний апарат. Політ до нього заплановано на наступне десятиріччя. Плутон в грецькій міфології — бог підземного світу.

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s