1. Общность характеристик планет-гигантов

Любая из планет-гигантов, состоящих преимущественно из водорода и гелия, превосходит по массе все планеты земной группы, вместе взятые. Крупнейшая планета Солнечной сис­темы — Юпитер — в 11 раз по диаметру и в 300 с лишним раз по массе больше, чем Земля. Все планеты-гиганты имеют мощные протяженные атмосферы, состоящие в основном из молекулярного водорода и содержащие также гелий (от 6 до 15% по объему), метан, аммиак, воду и некоторые другие соединения, в том числе более сложные. Сжатие этих планет, которое заметно даже на первый взгляд, вызвано их быстрым вращением вокруг оси. Характерно, что экваториальные об­ласти планет-гигантов вращаются быстрее, чем области, на­ходящиеся ближе к полюсам. На Юпитере различие пери­одов вращения на разных широтах составляет около 6 мин, а на Сатурне превышает 20 мин.

Наиболее изученным среди планет-гигантов является Юпитер, на котором даже в небольшой телескоп видны мно­гочисленные темные и светлые полосы, тянущиеся парал­лельно экватору планеты. Так выглядят облачные образова­ния в его атмосфере, на уровне которых давление примерно такое же, как у поверхности Земли. Красновато-коричневый цвет полос объясняется, видимо, тем, что, помимо кристалли­ков аммиака, составляющих основу облаков, в них содержат­ся различные аэрозольные примеси, в частности соединения серы и фосфора. На снимках, полученных космическими ап­паратами, видны следы интенсивных атмосферных процес­сов. В целом ряде случаев они имеют устойчивый характер. Так, один из атмосферных вихрей, получивший название Большое Красное Пятно, наблюдается на Юпитере уже свы­ше 350 лет (см. рис. 1 на цветной вклейке VII). В земной ат­мосфере циклоны и антициклоны существуют в среднем око­ло недели. Атмосферные течения и облака зафиксированы космическими аппаратами и на других планетах-гигантах, хо­тя развиты они в меньшей степени, чем на Юпитере (см. рис. 1, 2 на цветной вклейке X).

Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, поэтому там очень холодно. Температура в атмосфере Юпитера на уровне облачного слоя составляет всего 134 К (около -140°С), Сатурна — 97 К, а на Уране и Нептуне она не превышает 60 К. Такая температура установилась на пла­нетах не только за счет энергии, приходящей от Солнца, но и благодаря потоку энергии из их недр. Вероятно, источником энергии является гравитационная дифференциация недр — опускание к центру планеты более тяжелого гелия, и также радиоактивный распад некоторых элементов. На Юпитере, Сатурне и Нептуне поток энергии из недр существенно боль­ше потока солнечной энергии, но на Уране он практически отсутствует. Вместе с данными о химическом составе планет эти сведения позволяют рассчитать физические условия в их недрах — построить модели внутреннего строения пла­нет-гигантов. Согласно такой модели для Юпитера темпе­ратура в его центре составляет около 30 000 К, давление достигает 8 · 10¹² Па, а для Нептуна — 7000 К и 6 · 10¹¹ Па. Расчеты показывают, что по мере приближения к центру планеты водород вследствие возрастания давления должен переходить из газообразного в газожидкое состояние — так называют состояние вещества, при котором сосуществуют его газообразная и жидкая фазы. Когда при дальнейшем при­ближении к центру давление в миллионы раз превысит ат­мосферное давление, существующее на Земле, водород при­обретает свойства, характерные для металлов. Металличе­скую фазу водорода удалось получить в лабораторных усло­виях на Земле. В недрах Юпитера металлический водород вместе с силикатами и металлами образует ядро, которое по размерам примерно в 1,5 раза, а по массе в 10 — 15 раз превос­ходит Землю.

Согласно моделям внутреннего строения Урана и Нептуна над ядром такого же состава должна находиться мантия, представляющая собою смесь водяного и аммиачно­метанового льдов. Расчеты показывают, что даже при температуре в несколько тысяч градусов и высоком давлении смесь воды, метана и аммиака может образовывать твердые льды. Поэтому эти две планеты иногда называют «ледяными гигантами» в отличие от «горячих гигантов» — Юпитера и Сатурна.

Все планеты-гиганты обладают магнитным полем. Маг­нитное поле Юпитера значительно сильнее земного, поэтому его радиационные пояса, подобные земным, значительно их превосходят, а магнитосфера, которая по своим размерам в 10 раз превосходит диаметр Солнца, охватывает четыре крупнейших спутника. Движение заряженных частиц в ради­ационных поясах Юпитера порождает его мощное радиоиз­лучение в дециметровом и декаметровом диапазонах. Косми­ческие аппараты зарегистрировали в атмосфере Юпитера очень сильные разряды молний, а также мощные полярные сияния на Юпитере и Сатурне.

2. Спутники и кольца планет — гигантов

Данные о природе и химическом составе спутников планет-гигантов, полученные в последние годы с помощью космических аппаратов, стали еще одним подтверждением справедливости современных представлений о происхождении тел Солнечной системы. В условиях, когда водород и гелий на периферии протопланетного облака почти полностью вошли в состав планет-гигантов, их спутники оказались по­хожими на Луну и планеты земной группы. Все эти спутники состоят из тех же веществ, что и планеты земной группы, — силикатов, оксидов и сульфидов металлов и т.д., а также во­дяного (или водно-аммиачного) льда, Относительное содер­жание каменистых и ледяных пород у отдельных спутников различно.

На поверхности многих спутников помимо многочислен­ных кратеров метеоритного происхождения обнаружены так­же тектонические разломы и трещины их коры (см. цветную вклейку VIII) или ледяного покрова (рис. 4.15). Самым уди­вительным оказалось открытие на ближайшем к Юпитеру спутнике Ио около десятка действующих вулканов (см. цвет­ную вклейку IX), Высота выброса при крупнейшем из этих извержений составила около 300 км. а его источником была вулканическая кальдера размером 24 х 8 км. Продолжи­тельность большинства извержений превысила четыре месяца. Таким образом, первое достоверное наблюдение вулканической деятельности за пределами нашей пла­неты позволяет считать Ио наиболее вулканически ак­тивным объектом среди всех тел планетного типа. На спут­нике Урана — Миранде — видны уникальные структуры поверхности (см. рис. 1 на цветной вклейке XI). Их воз­никновение связано, видимо, с мощными ударными процессами, которые могли привести к разрушению спут­ника, Многие спутники планет-гигантов имеют небольшие размеры и неправильную форму (см. рис. I на цветной вклейке VIII. рис. 4.16).

Атмосфера, состоящая в основном из азота, обнаружена у Титана (диаметр около 5000 км) — самого большого среди спутников Сатурна — и Тритона, который имеет диаметр примерно 2700 км и является наиболее крупным спутником Нептуна. По плотности и давлению у поверхности атмосфера Титана превосходит земную. На Тритоне и крупнейшем сре­ди спутников Юпитера — Ганимеде, диаметр которого пре­вышает 5000 км, замечены ледяные полярные шапки (см. рис. 2, 3 на цветной вклейке XI).

Особенно интересные результаты были получены в ходе продолжавшихся несколько лет исследований Титана автоматической станцией «Гюйгенс», совершившей посадку на его поверхность 14 января 2005 года. Многократные измерения во время спуска на парашюте, который продолжался 2,5 часа, показали, что атмосфера Титана содержит 98,4% азота (N₂) и 1,6% метана (СН₄), другие газы, главным образом углеводороды — этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈) и ацетилен (С₂Н₂) — присутствуют в незначительных количествах. Вблизи поверхности содержание метана возрастает до 5%.

На равнине, где опустился аппарат, оказалось множество округлых камней, похожих на крупную гальку. Поперечник наибольшего из них достигал 15 сантиметров. Выяснилось, что эти камни состоят из водного льда, который при низкой температуре (на поверхности Титана -180 °С) приобретает твердость камня. Жидкостью, насыщающей грунт, оказался метан. Хорошо известный на Земле природный газ из-за низкой температуры перешел в жидкое состояние.

Титан, с одной стороны, силь­но отличается от всех ранее изученных планет и спутников, но, с другой стороны, в его природе можно заметить опреде­ленное сходство с природными процессами на нашей планете. В частности, это практически полное отсутствие метеоритных кратеров, столь характерных для большинства планетных тел. Эта же особенность присуща и Земле, где следы древних столкновений с метеоритами стерты активными геологическими процессами, а также водной и атмосферной эрозией. Интересно также, что основной компонент атмосферы на Земле и Титане одинаков — азот. Такой атмосферы пока не обнаружено больше ни на одном другом объекте в Солнечной системе.

Титан оказался вторым после Земли небесным телом, на поверхности которого обнаружены крупные стабильные резервуары жидкости — озера и моря. Внешне они напоминают водоемы на земном шаре, хотя и заполнены жидким метаном. Чрезвычайная низкая температура полностью исключает возможность существования жидкой воды на поверхности Титана, Вместе с тем происходящий на спутнике Сатурна круговорот метана аналогичен кругово­роту воды на Земле. Из недр газообразный метан попадает в атмосферу при вулканических и тектонических процессах. Затем он частично превращается в другие углеводородные соединения под воздействием солнечных лучей, а частично конденсируется в облака, из которых капельки жидкого метана выпадают мелким дождем на поверхность. Стекая в низменные регионы, метан образует озера и моря. С поверхности этих резервуаров он вновь испаряется, по­ступая в атмосферу и участвуя в дальнейшем круговороте.

Исследования, проведенные с помощью космических аппаратов, показали, что, кроме множества спутников, все планеты-гиганты имеют еще и кольца. С момента своего открытия в XVII в. кольца Сатурна (см. рис. 2, 3 на цветной вклейке VII) долгое время считались уникальным образованием в Солнечной системе, хотя некоторые ученые высказывали предположения о наличии колец у Юпитера и других планет-гигантов. Уже в XIX в. в работах Джеймса Максвелла и Аристарха Аполлоновича Бело­польского было доказано, что кольца не могут быть сплош­ными. «Исчезновения» колец Сатурна, которые случались при­мерно через 15 лет, когда Земля оказывалась в плоскости этих колец, можно было объяснить тем, что толщина колец мала. Постепенно стало очевидно, что кольца Сатурна представляют собой скопления небольших по размеру тел, крупных и мелких кусков, которые обращаются вокруг планеты по почти круговым орбитам. Все они так ма­лы, что по отдельности не видны. Благодаря их обращению вокруг планеты кольца кажутся сплошными, хотя сквозь кольца Сатурна, например, просвечивает и поверхность планеты, и звезды (см. рис. 3 на цветной вклейке X). Даже эти наиболее заметные кольца при общей ширине порядка 60 000 км имеют толщину не более 1 км. Снимки, сделанные с КА «Вояджер», показывают их сложное стро­ение.

Кольца всех остальных планет-гигантов, включая Юпи­тер (рис. 4.17), значительно уступают по размерам и яркости кольцам Сатурна. На снимках заметно, что в кольцах Непту­на вещество распределено неравномерно и образует отдель­ные сгущения — арки (рис. 4.18).

Вероятнее всего, кольца планет-гигантов образовались из вещества существовавших прежде спутников, которые затем разрушились под действием приливных сил и при столкновениях между собой. Таким образом, мы наблюдаем определенный этап эволюционного процесса, который происходит в течение уже нескольких миллиардов лет.

Вопросы.

1. Чем объясняется наличие у Юпитера и Сатурна плотных и протяженных атмосфер?
2. Почему атмосферы пла­нет-гигантов отличаются по химическому составу от атмосфер планет земной группы?
3. Каковы особенности внутреннего строения планет-гигантов?
4. Какие формы рельефа характер­ны для поверхности большинства спутников планет?
5. Како­вы по своему строению кольца планет-гигантов?
6. Какое уни­кальное явление обнаружено на спутнике Юпитера Ио?
7. Ка­кие физические процессы лежат в основе образования обла­ков на различных планетах?

8*. Почему планеты-гиганты по своей массе во много раз больше, чем планеты земной группы?

Упражнение 15.

Используя данные приложения VI, рассчи­тайте линейную и угловую скорости вращения на экваторах Земли и Юпитера.

Задание 14.

Подготовьте доклад о природе одной из планет Солнечной системы.