Юпітер (планета)

Юпітер  

Покращене зображення Юпітера, створене на основі знімків «Вояджера-1» у 1979 році
Позначення
Названа на честь	верховного бога Римського пантеону Юпітера
Орбітальні характеристики
Афелій	816 620 000 км (5,457659 а. е.)
Ексцентриситет	0,0484
Орбітальний період	11,862 років
Середня орбітальна швидкість	13,06 км/с
Нахил орбіти	1°18'17
Фізичні характеристики
Екваторіальний радіус	71400км
Сплюснутість	0,0647
Маса	1,899·1027 кг
Середня густина	1330 кг/м3
Тяжіння на поверхні	2.4g
Період обертання	9 год 50 хв 30 с
Нахил осі	3,13°
Альбедо	0,343 (Бонд) 0,52 (геом. альбедо)
Видима зоряна величина	max -2,94m
Атмосфера
Тиск на поверхні	20—220 кПа
Шкала висоти	27 км
Склад	89,8±2,0% Водень (H2) 10,2±2,0% Гелій ~0,3% Метан (CH4) ~0,026% Амоній (NH4+) ~0,003% Дейтерид водню (HD) 0,0006% Етан (CH3—CH3) 0,0004% Вода Льоди: Амоній Вода Гідросульфід амонію (NH4SH)

Юпітер, Європа, Іо, фотографія із «Вояджер 1»

Юпі́тер — п'ята і найбільша планета Сонячної системи: більш ніж у два рази важча, ніж всі інші планети разом узяті і майже в 318 разів важча за Землю. Відстань Юпітера від Сонця змінюється від 4,95 до 5,45 а. о. (740-814 млн. км), середня відстань 5,203 а. о. (778 млн. км). Відстань між Юпітером і Землею коливається від 588 до 967 млн. км (видимі кутові розміри Юпітера при цьому змінюються від 50 до 30).Видима зоряна величина коливається від -2,94m до -1,6m. Поряд з Сатурном, Ураном і Нептуном Юпітер класифікується як газовий гігант.

Планета була відома людям з глибокої давнини, що знайшло своє відображення в міфології і релігійних віруваннях різних культур: месопотамської, вавілонської, грецької та інших. Сучасна назва Юпітера походить від імені давньоримського верховного бога-громовержця.

Ряд атмосферних явищ на Юпітері — такі, як шторми, блискавки, полярні сяйва, — мають масштаби, які на порядки перевершують земні. Примітним утворенням в атмосфері є Велика червона пляма — гігантський шторм, відомий ще з XVII століття. При «сонячному» хімічному складі, найбільша планета Сонячної системи має масу в 70—80 разів меншу за ту, при якій небесне тіло може стати зіркою. Проте, у надрах Юпітера відбуваються процеси з досить потужною енергетикою: теплове випромінювання планети, еквівалентне 4х10¹⁷ Вт, приблизно в два рази перевищує енергію, одержувану цією планетою від Сонця.

Юпітер має щонайменше 64 супутника, найбільші з яких — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто — були відкриті Галілео Галілеєм у 1610 році. Дослідження Юпітера проводяться за допомогою наземних і орбітальних телескопів, з 1970-х років до планети було відправлено 8 міжпланетних апаратів НАСА: «Піонери»,«Вояджери», «Галілео» та інші.

Під час великих протистоянь (одне з яких відбувалося у вересні 2010) Юпітер видно неозброєним оком як один з найяскравіших об'єктів на нічному небі після Місяця і Венери. Диск і супутники Юпітера — популярні об'єкти для спостереження астрономів-аматорів, які зробили ряд відкриттів (наприклад, комети Шумейкер-Леві, яка зіткнулася з Юпітером у 1994, чи зникнення Південного екваторіального поясу Юпітера у 2010).

Спостереження та їх особливості

У інфрачервоній області спектра лежать лінії молекул H₂ і He, а також лінії безлічі інших елементів. Кількість перших двох несе інформацію про походження планети, а кількісний і якісний склад інших — про її внутрішньої еволюції.

Однак молекули водню й гелію не мають дипольного моменту, а значить, абсорбційні лінії цих елементів непомітні до того моменту, поки поглинання за рахунок ударної іонізації не стане домінувати. Це з одного боку, з іншого — ці лінії утворюються в найвищих шарах атмосфери і не несуть інформацію про більш глибокі шари. Тому найнадійніші дані про кількість гелію і водню на Юпітері отримані зі спускового апарата «Галілео».

Що ж до інших елементів, то при їх аналізі та інтерпретації теж виникають труднощі. Поки що не можна з повною упевненістю сказати, які процеси відбуваються в атмосфері Юпітера і наскільки сильно вони впливають на хімічний склад — як у внутрішніх областях, так і в зовнішніх шарах. Це створює певні труднощі при більш детальній інтерпретації спектра. Проте вважається, що всі процеси, здатні так чи інакше чином впливати на велику кількість елементів, локальні і сильно обмежені, так що вони не здатні глобально змінити розподілу речовини.

Також Юпітер випромінює (в основному в інфрачервоній області спектра) на 60% більше енергії, ніж отримує від Сонця. За рахунок процесів, що призводять до вироблення цієї енергії, Юпітер зменшується приблизно на 2 см в рік.

Гамма-діапазон

Випромінювання Юпітера в гамма-діапазоні за даними «Чандра».

Випромінювання Юпітера в гамма-діапазоні пов'язані з полярним сяйвом, а також з випромінюванням диска. Вперше зареєстровано у 1979 році космічної лабораторією імені Ейнштейна.

На Землі області полярних сяйв в рентгені і ультрафіолеті практично збігаються, однак, на Юпітері це не так. Область рентгенівських полярних сяйв розташована набагато ближче до полюса, ніж ультрафіолетових. Ранні спостереження виявили пульсацію випромінювання з періодом у 40 хвилин, однак, у більш пізніх спостереженнях ця залежність проявляється набагато гірше.

Очікувалося, що рентгенівський спектр авроральних сяйв на Юпітері схожий з рентгенівським спектром комет, проте, як показали спостереження на Chandra, це не так. Спектр складається з емісійних ліній з піками у кисневих ліній у районі 650 еВ, у OVIII ліній при 653 еВ та 774 еВ, а також у OVII на 561 еВ і 666 еВ. Існують також лінії випромінювання при більш низьких енергіях в спектральній області від 250 до 350 еВ, можливо, вони належать сірці або вуглецю.

Гамма-випромінювання, не пов'язане з полярним сяйвом, вперше було виявлено при спостереженнях на ROSAT у 1997 році. Спектр схожий зі спектром полярних сяйв, однак в районі 0,7-0,8 кеВ. Особливості спектра добре описуються моделлю корональної плазми з температурою 0,4-0,5 кеВ з сонячною металевістю, з додаванням емісійних ліній Mg 10 + та Si 12 +. Існування останніх, можливо, пов'язано з сонячною активністю в жовтні-листопаді 2003 року.

Спостереження космічної обсерваторії XMM-Newton показали, що випромінювання диска в гамма-спектрі — це відбите сонячне рентгенівське випромінювання. На відміну від полярних сяйв, ніякої періодичності зміни інтенсивності випромінювання на масштабах від 10 до 100 хв виявлено не було.

Радіоспостереження

Радіозображення Юпітера: яскраві області (білі) — радіовипромінювання радіаційних поясів.

Юпітер — найпотужніше (після Сонця) радіоджерело Сонячної системи в дециметровому — метровому діапазонах довжин хвиль. Радіовипромінювання має спорадичний характер і в максимумі сплеску досягає 10⁶ янських.

Сплески відбуваються в діапазоні частот від 5 до 43 МГц (найчастіше близько 18 МГц), в середньому їх ширина складає приблизно 1 МГц. Тривалість сплеску невелика: від 0,1-1 с (іноді до 15 с). Випромінювання сильно поляризоване, особливо по колу, ступінь поляризації досягає 100%. Спостерігається модуляція випромінювання близьким супутником Юпітера Іо, що обертається усередині магнітосфери: ймовірність появи сплеску більше, коли Іо знаходиться поблизу елонгації по відношенню до Юпітера. Монохроматичний характер випромінювання свідчить про виділену частоту, швидше за все гірочастоту. Висока яскрава температура (іноді досягає 10¹⁵ K) вимагає залучення колективних ефектів (типу мазерів).

Радіовипромінювання Юпітера в міліметровому — короткосантиметровому діапазонах має чисто тепловий характер, хоча яскрава температура трохи вища рівноважної, що передбачає потік тепла з надр. Починаючи з хвиль ~ 9 см T b (яскрава температура) зростає — з'являється нетеплова складова, пов'язана з синхротронним випромінюванням релятивістських частинок з середньою енергією ~ 30 МеВ в магнітному полі Юпітера; на хвилі 70 см T b досягає значення ~ 5 × 10 4 K. Джерело випромінювання розташоване по обидва боки планети у вигляді двох протяжних лопатей, що вказує на магнітосферне походження випромінювання.

Обчислення гравітаційного потенціалу

Зі спостережень руху природних супутників, а також з аналізу траєкторій космічних апаратів можна відновити гравітаційне поле планети. У свою чергу, поле залежить від маси планети, її екваторіального радіуса і моменту інерції. У загальному вигляді гравітаційний потенціал представляється у вигляді поліномів Лежандра вищих порядків:

Jn	J2	J4	J6
Значення	1.4697×10−2	−5.84×10−4	0.31×10−4

$V_{ext}(r, \theta)=- \frac{GM}{r}\left(1-\sum_{i=1}^{\infty}\left(\frac{R_{eq}}{r}\right)^iJ_iP_i(cos\theta) \right)$

де G — гравітаційна постійна, M — маса планети, r — відстань поза планетою, R eq — екваторіальний радіус, P i — поліном Лежандра i-го порядку, J i — коефіцієнт розкладання i-го порядку.

При прольоті апаратів Піонер-10, Піонер-11, Вояджер-1, Вояджер-2, Галілео і Кассіні обчислення гравітаційного потенціалу використовувалися: вимірювання ефекту Доплера апаратів (для відстеження їх швидкості), зображення, що передається апаратами для визначення їх місця розташування щодо Юпітера і його супутників, радіоінтерферометрія з наддовгими базами. Для «Вояджера-1» і «Піонера-11» довелося враховувати і гравітаційний вплив Великої червоної плями.

Крім того, при обробці даних доводиться постулювати вірність теорії про рух Галлілеєвих супутників навколо центру Юпітера. Для точних обчислень великою проблемою є також облік прискорення, що має негравітаційний характер.

За характером гравітаційного поля також можна судити про внутрішню будову планети.

Атмосфера

Атмосфера Юпітера воднево-гелієва (за обсягом співвідношення цих газів складають 89% водню і 11% гелію). Уся видима поверхня Юпітера — щільні хмари, розташовані на висоті близько 1000 км над «поверхнею», де газоподібний стан змінюється на рідкий і утворює численні шари жовто-коричневих, червоних і блакитнуватих відтінків. Інфрачервоний радіометр показав, що температура зовнішнього хмарного покриву складає −133° С. Конвективні потоки, що виносять внутрішнє тепло до поверхні, ззовні виявляються у вигляді світлих зон і темних поясів. В області світлих зон відзначається підвищений тиск, що відповідає висхідним потокам. Хмари, що утворюють зони, розташовуються на вищому рівні(приблизно 20 км.), а їхнє світле забарвлення пояснюється підвищеною концентрацією яскраво-білих кристалів аміаку. Темні хмари, що розташовуються нижче поясів складаються в основному з червоно-коричневих кристалів гідросульфіду амонію і мають вищу температуру. Ці структури представляють області спадних потоків. Зони і пояси мають різну швидкість руху в напрямку обертання Юпітера. Період обертання коливається від 9 год. 49 хв. на широті 23 градуси до 9 год. 56 хв. на широті 18 градусів північної ширини. Це призводить до існування стійких зональних чи плинних вітрів, що постійно дмуть рівнобіжно екватору в одному напрямку. Швидкість у цій глобальній системі досягає від 50 до 150 м/с. На кордонах поясів і зон спостерігається сильна турбулентність, що приводить до утворення численних вихрових структур. Найвідомішим таким утворенням є Велика червона пляма, що спостерігається на поверхні Юпітера протягом останніх 300 років.

Велика Червона Пляма.

Велика Червона Пляма

Велика Червона Пляма — овальне утворення зі змінними розмірами, розташоване в південній тропічній зоні. Насправді це довготривалий вільний вихор (антициклон) в атмосфері Юпітера, що робить повний оберт за 6 земних діб і що характеризується, як і світлі зони, що сходять плинами в атмосфері. Хмари в ньому розташовані вище, а температура їх нижче, ніж у сусідніх областях поясів. У наш час^[Коли?] «пляма» має розміри 15х30 тис. км, а сто років тому спостерігачі відзначали в 2 рази більші розміри. Іноді вона буває не дуже чітко видимою.

Кільця

Космічний апарат «Вояджер 1» у березні 1979 м уперше сфотографував систему слабких кілець, шириною близько 1000 км і товщиною не більш 30 км, що обертаються навколо Юпітера на відстані 57000 км від хмарного покриву планети. На відміну від кілець Сатурна, кільця Юпітера темні (альбедо(відбивна здатність) — 0,05). і, імовірно, складаються з дуже невеликих твердих часток метеорної природи. Частки кілець Юпітера, швидше за все, не залишаються в них довго (через перешкоди, створюваних атмосферою і магнітним полем). Отже, раз кільця постійні, то вони повинні безупинно поповнюватися. Невеликі супутники Метис і Адрастея, чиї орбіти лежать у межах кілець, — очевидні джерела таких поповнень. З Землі кільця Юпітера можуть бути помічені при спостереженні тільки в ІЧ-діапазоні.

Магнітне поле

Юпітер має величезне магнітне поле, що складається з двох компонетних полів: дипольного (як поле Землі), що простирається до 1,5 млн. км. від Юпітера, і недипольного, що займає іншу частину магнітосфери. Напруженість магнітного поля в поверхні планети 10-15 ерстед, тобто в 20 разів більше, ніж на Землі. Магнітосфера Юпітера простирається на 650 млн. км (за орбіту Сатурна!). Але в напрямку Сонця воно майже в 40 разів менше. Магнітне поле захоплює заряджені частки, що летять від Сонця (цей потік називають сонячним вітром), утворюючи на відстані 177000 км від планети радіаційний пояс, приблизно в 10 разів потужніший земного, розташований між кільцем Юпітера і самими верхніми атмосферними шарами.

Магнітометричні виміри показали істотні збурювання магнітного поля Юпітера поблизу Європи і Каллісто, що не може бути пояснене існуванням у цих супутників внутрішнього ядра з феромагнітної речовини, оскільки в такому випадку магнітне поле, спадаючи назад пропорційно кубу відстані, було б у вісім разів менше. Одне з можливих пояснень — порушення в оболонках планет вихрових електричних струмів, магнітне поле яких спотворює поле планети-гіганта. Ці струми можуть поширюватися в провідній рідині, наприклад у воді океану, із солоністю (37.5‰), близької до солоності океанів Землі, що лежить під поверхнею небесного тіла; його існування на Європі вже майже доведено. Вже в шарі води товщиною не набагато більше 10 км створювалися б вихрові струми, що забезпечують варіації, що спостерігаються.

Магнітосфера Юпітера утримує навколишню плазму у вузькому шарі, напівтовщина якого біля двох радіусів планети поблизу екватора еквівалентного магнітного диполя. Плазма обертається разом з Юпітером, періодично накриваючи його супутники. У системах відліку, зв'язаних із супутниками, магнітне поле пульсує з амплітудами 220 нтл (Європа) і 40 нтл (Каллісто), наводячи вихрові струми в провідних шарах супутників. Ці струми генерують вихрові магнітні поля також дипольної конфігурації, що накладаються на власні поля цих супутників. Періоди зміни магнітних полів складають 11.1 і 10.1 год. для Європи і Каллісто відповідно.

Внутрішня будова

Внутрішню будову Юпітера можна представити у вигляді оболонок із густиною, що зростає в напрямку до центра планети. На дні дедалі густішої вглибину атмосфери завтовшки 1500 км знаходиться шар газорідкого водню завтовшки близько 7000 км. На рівні 0,88 радіуса планети, де тиск складає 0,69 Мбар, а температура — 6200° С, водень переходить у рідкомолекулярний стан і ще через 8000 км — у рідкий металевий стан. Поряд з воднем і гелієм до складу шарів входить невелика кількість важких елементів. Внутрішнє ядро діаметром 25000 км — металосилікатне, із часткою води, аміаку і метану, оточене гелієм. Температура в центрі складає 23000 градусів, а тиск 50 Мбар.

Супутники

Навколо Юпітера, за даними на травень 2002-го року обертаються 63 супутників, звернених до нього, через дію приливних сил завжди однією стороною. Їх можна розділити на дві групи: внутрішню, що включає супутників, і зовнішню. Супутники внутрішньої групи обертаються майже по кругових орбітах, що практично збігається з площиною екватора планети. Чотири найближчих до планети супутника Адрастея, Метида, Амальтея і Теба діаметром від 40 до 270 км знаходяться в межах 1-3 радіусів Юпітера і різко відрізняються за розмірами від наступних за ними 4х супутників, розташованих на відстані від 6 до 26 радіусів Юпітера. Вони були відкриті на самому початку сімнадцятого століття майже одночасно Симоном Марієм та Галілеєм, але їх прийнято називати галілеєвими супутниками Юпітера, хоча перші таблиці руху цих супутників Іо, Європи, Ганімеду і Каллісто склав Марій.

Зовнішня група складається з маленьких діаметром від 10 до 180 км супутників, що рухаються по витягнутим і сильно нахиленим до екватора Юпітера орбітам, причому чотири більш близьких до Юпітера супутники Леда, Гімалія, Лісітея, Елара рухаються по своїх орбітах у той самий бік, що і Юпітер, а чотири найбільш зовнішніх супутники Ананке, Кармі, Пасифе і Синопе рухаються у зворотному напрямку.

Ще по 11 супутників було відкрито групою астрономів з Астрономічного інституту Гавайського університету наприкінці 2000-го (діаметром 4-12 км) і 2001-го років (діаметром від 2 до 4 км). Оцінки розмірів отримані в припущенні, що їхнє альбедо складає 4%. Блиск супутників складає від 22 до 23m .Усі вони обертаються по помітно витягнутих еліптичних орбітах з ексцентриситетом від 0,16 до 0,48, Напрямок орбітального руху всіх нових супутників зворотний (тобто вони обертаються в напрямку, протилежному руху планет навколо Сонця і великих супутників навколо Юпітера). Орбіти сильно нахилені до площини екліптики — від 15 до 38 градусів. Періоди обертання складають від 534 до 753 доби, великі півосі орбіт — від 19 до 24 млн. км.

За кількістю супутників Юпітер обігнав в 2011 році Сатурн. Останній відкритий супутник — S/2010 J 2. Він був відкритий 8 вересня 2010 року Крістіаном Вейллетом за допомогою 3,6-метрового телескопу Канада-Франція-Гаваї. Повідомлення про відкриття було зроблено 1 червня 2011 року.

Юпітер в культурі

В художній літературі

1. «Мікромегас» Вольтера (1752) — головні герої по дорозі на Землю відвідують Юпітер, де «дізналися безліч прецікавих таємниць, які давно вже були б опубліковані у нас, якби панове інквізитори не повважали деякі положення дещо сумнівними».
2. «Подорожі в інші світи» (англ. A Journey in Other Worlds) Джона Джейкоба Астора IV (1894) — в романі описуються телефонні мережі, отримання сонячної енергії, авіа- та космічні перельоти, в тому числі, до Сатурна і Юпітера.
3. «Джон Картер - марсіанин» Едгара Райса Берроуза (1943) — у другій повісті книги («Люди-скелети Юпітера») описані моргори — аборигени Юпітера, що збираються захопити Марс. Юпітер описаний як гігантська землеподібні планета, на якій, проте, сила тяжіння менше, ніж на Марсі через відцентрової сили. Густа атмосфера перешкоджає проникненню на поверхню сонячного світла, і планета освітлена гігантськими вулканами.

Див. також

• Колонізація Юпітера і Сатурна
• Колонізація супутників Юпітера