Состав планеты юпитер: Атмосфера Юпитера: химический состав и факты

Содержание

Учёные обнаружили в Юпитере поглощённые газовым гигантом планеты / Хабр

Исследователи обнаружили под верхними слоями атмосферы Юпитера останки малых планет, которые газовый гигант поглотил при расширении. Учёные провели анализ химического состава Юпитера, сделав тысячи его фотографий при помощи телескопов.

Астрофизик Лейденского университета в Нидерландах Ямила Мигель говорит, что Юпитер сформировался в течение первых нескольких миллионов лет во время образования Солнечной системы, которая возникла около 4,5 млрд лет назад. Она подчёркивает, что исследователям доподлинно неизвестно, как образовалась планета.

Научная группа использовала гравитационные данные, собранные космическим зондом НАСА «Юнона»‎. Эти сведения исследователи использовали для составления карты каменистого материала в ядре Юпитера. Они показали высокое содержание в нём тяжёлых элементов. Химический состав планеты предполагает, что газовый гигант поглотил малые объекты на своей орбите, которые также называют планетезимали, подпитывая свой рост.

В настоящий момент Юпитер — шар вращающегося газа, однако он начал существование с приращивания каменистого материала, как и любая другая планета Солнечной системы. По мере притяжения большего количества каменистой основы ядро планеты стало настолько плотным, что позволило ему приближать значительное количество газа с дальних расстояний, преимущественно водород и гелий, которые остались после рождения Солнца. Это позволило Юпитеру сформироваться в огромную наполненную газом планету.

Существуют две конкурирующие теории о том, как Юпитеру удалось собрать свой первоначальный каменистый материал. Первая гласит, что планета накопила миллиарды мелких космических камней, её астрономы называют гальковой, хотя речь идёт скорее о валунах. Вторую подтверждают результаты текущего исследования, в ней сообщают о формировании Юпитера за счёт поглощения множества планетезималей. Они представляют из себя космические камни размером в несколько километров. Если данные объекты не подвергаются влиянию более крупных тел, то они имеют возможность превратиться в планеты земной группы, такие как Земля или Марс.

Ни одну из теорий пока нельзя назвать однозначно верной. Мигель отмечает, что астрономы не могут напрямую проследить, как формировался Юпитер. Для этого необходимо собрать воедино информацию, которой располагают учёные, что является непростой задачей, говорит ведущий автор исследования.

Мигель рассказывает, что учёные не могут использовать сейсмографы на Юпитере, поскольку планета лишена твёрдой поверхности. Она говорит, что ядро газового гиганта вряд ли имеет тектоническую активность. Исследователи разработали компьютерные модели внутренностей Юпитера, объединив данные, которые собрали зонды Juno и Galileo. Аппараты измерили гравитационное поле планеты в разных точках её орбиты. Это данные показали, что притянутый Юпитером каменистый материал имеет высокую концентрацию тяжёлых материалов, которые образуют плотные твёрдые тела и, как следствие, имеют более сильное гравитационное воздействие, чем газовая атмосфера. Данные сведения позволили астрономам определить расположение каменистого материала.

По словам Мигель, «Юнона» предоставила очень точную информацию, которая помогла ограничить распределение материала внутри Юпитера. Эти сведения являются уникальными для аппарата, который вращается вокруг планеты. Модели показали, что внутри Юпитера содержится эквивалент от 11 до 30 масс тяжёлых элементов Земли, что стало неожиданностью для учёных.

Мигель говорит, что гальковая теория не может объяснить настолько высокую концентрацию тяжёлых элементов. Если бы Юпитер сформировался в данной парадигме, то притяжение газа значительно бы увеличилось и завершило этап приращивания камней. Это также привело бы к сокращению содержания тяжёлых металлов на Юпитере.

Учёные полагают, что планетезимали могли попасть в ядро Юпитера в момент газовой аккреции, поэтому приращивание каменистого материала, вероятно, проходило дольше. Астрономы считают, что одновременное притяжение камней и газа является единственным объяснением высокого содержания тяжёлых элементов на Юпитере.

Кроме того, исследователи выяснили, что внутренние материалы Юпитера плохо смешиваются с его верхними слоями атмосферы, что противоречит ранним ожиданиям учёных. Новая модель демонстрирует, что поглощённые Юпитером тяжёлые элементы преимущественно остались вблизи ядра газового гиганта и его нижних слоях атмосферы.

Ранее астрономы предполагали, что конвекция смешивала атмосферу Юпитера, это вызвало бы подъём более горячего газа во внешнюю атмосферу для дальнейшего опускания вниз. Однако они не исключают, что некоторые области Юпитера подвержены небольшой конвекции.

Мигель отмечает, что Юпитер был самой влиятельной планетой в формировании Солнечной системы. Его гравитационное притяжение помогло сформировать размер и орбиты соседей газового гиганта. Исследователи считают, что планетезимальное происхождение имеют Сатурн, Уран, Нептун, а также газовые гиганты из других звёздных систем.

ЮПИТЕР • Большая российская энциклопедия

ЮПИ́ТЕР, крупнейшая планета Солнечной системы, пятая по удалённости от Солнца, астрономич. знак ♃. Относится к группе планет-гигантов. Ю. – четвёртое по яркости светило земного неба (после Солнца, Луны и Венеры), визуальная звёздная величина изменяется от –1,61 до –2,94.

Общая характеристика

Масса Ю. 1,9·10²⁷ кг (318 масс Земли). Большая полуось орбиты 5,204 а. е. (0,7785 млрд. км). Орбита наклонена к плоскости эклиптики под углом 1,03°, эксцентриситет орбиты 0,049. Сидерич. период обращения вокруг Солнца 11,86 земных лет, ср. орбитальная скорость 12,6 км/с. Ср. поток солнечного излучения на орбите Ю. 50 Вт/м² (в 27 раз меньше, чем на Земле). Наклон экватора к орбите 3,13°. Экваториальный радиус Ю. (по верхней границе облачного слоя) 71492±4 км (ок. 10,54 радиуса Земли), полярное сжатие ок. 0,06. Ср. плотность 1326 кг/м³. Ю. имеет наименьший среди планет Солнечной системы сидерич. период вращения; он зависит от широты и составляет у экватора 9 ч 50 мин 30 с, на ср. широтах – 9 ч 55 мин 40 с. Ускорение свободного падения на экваторе 29,79 м/с². Сферич. альбедо 0,343 (по Бонду). На Ю. приходится 71% совокупной массы планет Солнечной системы. Объём Ю. в 1317 раз больше земного.

Ю. излучает в пространство на 60% больше энергии, чем получает от Солнца (эффективная темп-ра планеты превышает равновесное значение). Высокий тепловой поток из недр Ю. образуется как за счёт чрезвычайно медленного (примерно на 2 см в год) сжатия планеты, так и за счёт запаса тепловой энергии, возникшей при её формировании.

Атмосфера и внутреннее строение

Рис. 1. Юпитер (снимок космического телескопа «Хаббл», 2014).

Ю. обладает протяжённой и сложной атмосферой, в которой, наряду с осн. составляющими (ок. 90% водорода и ок. 10% гелия), присутствуют аэрозоли, образующие слои облаков на разных уровнях. На видимой облачной поверхности Ю. заметны тёмные пояса и светлые зоны (рис. 1). Выделяют экваториальные, тропические, умеренные и полярные пояса и зоны. Их образование объясняется тем, что в глубине атмосферы возникают нагретые массы газов, создающие циркуляцию атмосферы, аналогичную земной. Предполагают, что светлые зоны отличаются повышенной концентрацией белых кристаллов аммиака, а тёмные пояса – красно-коричневых кристаллов гидросульфида аммония.

Процессы, идущие в атмосфере Ю., имеют высокую интенсивность, наблюдаемые циклоны и молнии – огромную протяжённость. Более 300 лет астрономы наблюдают гигантский вихрь – т. н. Большое красное пятно, уникальный долгоживущий циклон, потоки в котором совершают полный оборот вокруг центра за 6 сут. Ныне его размеры составляют 15×30 тыс. км, 100 лет назад оно было вдвое больше.

Темп-ра у поверхности Ю. (на уровне, примерно соответствующем давлению у поверхности Земли, – ок. 100 кПа) составляет ок. 143 К. При движении в глубь атмосферы темп-ра растёт, достигая 426 К на глубине 146 км (по данным КА «Галилео»), где давление составляет 2,2 МПа.

На глубине 5–25 тыс. км темп-ра возрастает до 6–10 тыс. К и более, давление изменяется от 200 ГПа до 4000 ГПа. На этих глубинах происходит изменение фазового состояния водорода от газообразного к жидкому, причём резкая граница между фазами отсутствует. Поэтому Ю. (как и Сатурн) иногда называют газо-жидкой планетой.

Твёрдой поверхности Ю. не имеет. Внутр. строение Ю. определяется его огромной массой и характеризуется высокой концентрацией массы к центру планеты (безразмерный момент инерции близок к 0,2). Теория внутр. строения Ю. опирается на трёхслойную модель фигур газо-жидких тел. Расчётные модели основаны на том, что вращение изменяет структуру газо-жидкого тела и приводит к отклонению гравитац. потенциала от сферически симметричного. Согласно теоретич. моделям и измерениям, выполненным с КА, под атмосферой должен находиться глубокий слой газо-жидкого водорода. Ниже, на уровне 0,88 радиуса планеты, водород переходит в жидко-молекулярное состояние, с плотностью до 660 кг/м³. На уровне 0,77 радиуса Ю. происходит переход водорода в жидкометаллич. фазу. Масса ядра планеты оценивается как 10 масс Земли, диаметр – 1,5 диаметра Земли. Темп-ра ядра оценивается величиной ок. 23000 К (но есть и др. оценки). Ядро планеты имеет, вероятно, силикатный состав. Давление в центре составляет (5–7)·10¹² Па.

Магнитное поле

Рис. 2. Полярное сияние на Юпитере в УФ-излучении (снимок космического телескопа «Хаббл», 2000).

В жидкометаллич. слое текут сильные электрич. токи, создающие локальные и глобальное магнитные поля Ю. Ось дипольного магнитного поля планеты наклонена к оси вращения на 10°, причём у поля имеются также квадрупольные компоненты. Напряжённость магнитного поля на уровне видимой поверхности облаков равна 14 Э у сев. полюса и 10,7 Э – у южного. Ю. окружён ионосферой протяжённостью ок. 3000 км. При взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Ю. возникают самые большие в Солнечной системе полярные сияния (рис. 2). Протяжённые радиац. пояса Юпитера гораздо мощнее земных. Энергия электронов в радиац. поясах достигает 20 МэВ (что, в частности, приводит к необходимости дополнит. защиты КА и их приборов при исследовании спутников Ю.).

Ю. обладает необычным импульсным радиоизлучением в полосе частот 5–40 МГц. Ср. частота такого излучения составляет ок. 20 МГц, причём характер излучения близок к монохроматическому, а его яркостная темп-ра может достигать 10¹⁵ К.

Спутники и кольца

Система Ю. включает 67 спутников (на 1.1.2017), причём крупнейшие галилеевы спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто) имеют размеры, сравнимые с планетой Меркурий и даже превышающие её. Кроме того, вокруг Ю. обращается диффузное кольцо (см. Кольца планет). Благодаря своей огромной гравитации Юпитер играл важную роль при формировании Солнечной системы и продолжает оказывать влияние на движение тел Солнечной системы, особенно малых. Так, Ю. захватывает кометы, создавая самое многочисл. семейство комет, движущихся между Ю. и Солнцем. В 1994 комета Шумейкеров – Леви 9 была разорвана приливными силами в ближайшей окрестности планеты. Аналогичные силы оказывают существенное воздействие на спутники Ю., вынуждая их быть обращёнными к Ю. всегда одной стороной и вызывая самую высокую в Солнечной системе вулканич. активность на спутнике Ио. Ю. влияет также и на движение астероидов из Главного пояса; напр., у Лагранжа точек системы Солнце – Юпитер располагаются троянцы.

Состав и строение планет

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Описывать характеристики планет-гигантов, планет земной группы и малых тел Солнечной системы
Объясните, что влияет на температуру поверхности планеты
Объясните, почему на одних планетах геологическая активность отсутствует, а на других

Тот факт, что существует два различных типа планет — скалистые планеты земного типа и богатые газом планеты Юпитера — заставляет нас полагать, что они образовались в разных условиях. Безусловно, в их композициях преобладают разные элементы. Остановимся на каждом виде подробнее.

Планеты-гиганты

Две самые большие планеты, Юпитер и Сатурн , имеют почти такой же химический состав, как и Солнце; они состоят в основном из двух элементов, водорода и гелия, причем 75% их массы составляют водород и 25% гелий. На Земле и водород, и гелий являются газами, поэтому Юпитер и Сатурн иногда называют газовыми планетами. Но это название вводит в заблуждение. Юпитер и Сатурн настолько велики, что газ внутри них сжимается до тех пор, пока водород не станет жидким. Поскольку большая часть обеих планет состоит из сжатого сжиженного водорода, мы действительно должны называть их жидкими планетами.

Рисунок 1: Юпитер. Это полноцветное изображение Юпитера было получено с космического корабля Кассини в 2000 году. (Источник: модификация работы НАСА/Лаборатории реактивного движения/Университета Аризоны) жидкой или газообразной планеты. Таким образом, и Юпитер, и Сатурн имеют ядра, состоящие из более тяжелой породы, металла и льда, но мы не можем видеть эти области напрямую. На самом деле, когда мы смотрим вниз сверху, все, что мы видим, — это атмосфера с ее клубящимися облаками (рис. 1). Мы должны сделать вывод о существовании более плотного ядра внутри этих планет на основе изучения гравитации каждой планеты.

Уран и Нептун намного меньше Юпитера и Сатурна, но каждый из них также имеет ядро из камня, металла и льда. Уран и Нептун были менее эффективны в привлечении газообразного водорода и гелия, поэтому их атмосферы намного меньше по сравнению с их ядрами.

В химическом отношении на каждой планете-гиганте преобладает водород и его многочисленные соединения. Почти весь присутствующий кислород химически соединяется с водородом с образованием воды (H ₂ O). Химики называют такой состав с преобладанием водорода уменьшено . Во внешней части Солнечной системы мы находим много воды (в основном в виде льда) и восстанавливающих химических веществ.

Планеты земной группы

Планеты земной группы сильно отличаются от гигантов. Помимо того, что они намного меньше, они состоят в основном из горных пород и металлов. Они, в свою очередь, состоят из элементов, которые менее распространены во Вселенной в целом. Наиболее распространенные горные породы, называемые силикатами, состоят из кремния и кислорода, а наиболее распространенным металлом является железо. По их плотности мы можем сказать (см. Таблицу 2 в обзоре нашей планетарной системы), что Меркурий имеет наибольшую долю металлов (которые более плотные), а Луна — наименьшую. Земля , Венера и Марс имеют примерно одинаковый объемный состав: около одной трети их массы состоит из комбинаций железо-никель или железо-сера; две трети составляют силикаты. Поскольку эти планеты в основном состоят из соединений кислорода (таких как силикатные минералы их корок), их химический состав считается окисленным .

Когда мы смотрим на внутреннюю структуру каждой из планет земной группы, мы обнаруживаем, что самые плотные металлы находятся в центральном ядре, а более легкие силикаты находятся ближе к поверхности. Если бы эти планеты были жидкими, как планеты-гиганты, мы могли бы понять этот эффект как результат погружения более тяжелых элементов под действием гравитации. Это приводит нас к выводу, что хотя планеты земной группы сегодня твердые, когда-то они должны были быть достаточно горячими, чтобы плавиться.

Дифференциация — это процесс, с помощью которого гравитация помогает разделить внутреннюю часть планеты на слои разного состава и плотности. Более тяжелые металлы опускаются, образуя ядро, а самые легкие всплывают на поверхность, образуя корку. Позже, когда планета остывает, эта слоистая структура сохраняется. Чтобы каменистая планета могла дифференцироваться, ее необходимо нагреть до точки плавления горных пород, которая обычно превышает 1300 К.0019 Луна похожа на планеты земной группы, но большинство лун находятся во внешней части Солнечной системы, и их состав аналогичен ядрам планет-гигантов, вокруг которых они вращаются. Три крупнейших спутника — Ганимед и Каллисто в системе Юпитера и Титан в системе Сатурна — состоят наполовину из замерзшей воды, наполовину из горных пород и металлов. Большинство этих спутников дифференцировались во время формирования, и сегодня они имеют ядра из горных пород и металла с верхними слоями и корками из очень холодного и, следовательно, очень твердого льда (рис. 2).

Рисунок 2: Ганимед. Этот снимок спутника Юпитера Ганимед был сделан в июне 1996 года космическим кораблем Галилео. Коричневато-серый цвет поверхности указывает на пыльную смесь скального материала и льда. Яркие пятна — это места, где недавние удары обнажили свежий лед снизу. (кредит: модификация работы НАСА/Лаборатории реактивного движения)

Большинство астероидов и комет, а также самые маленькие луны, вероятно, никогда не нагревались до точки плавления. Однако некоторые из крупнейших астероидов, такие как Веста , по-видимому, дифференцированы; другие представляют собой фрагменты дифференцированных тел. Поскольку большинство астероидов и комет сохраняют свой первоначальный состав, они представляют собой относительно неизмененный материал, относящийся ко времени образования Солнечной системы. В некотором смысле они действуют как химические окаменелости, помогая нам узнать о давно минувших временах, чьи следы были стерты в более крупных мирах.

Температуры: крайности

Вообще говоря, чем дальше планета или луна от Солнца, тем холоднее их поверхность. Планеты нагреваются лучистой энергией Солнца, которая становится слабее с квадратом расстояния. Вы знаете, как быстро ослабевает согревающий эффект камина или уличного лучистого обогревателя, когда вы уходите от него; тот же эффект применим к Солнцу. Меркурий , ближайшая к Солнцу планета, имеет высокую температуру поверхности, которая колеблется в пределах 280–430 ° C на солнечной стороне, тогда как температура поверхности Плутона составляет всего около -220 ° C, что холоднее, чем жидкий воздух.

Математически температура уменьшается примерно пропорционально квадратному корню расстояния от Солнца. Плутон находится примерно в 30 а.е. в ближайшем к Солнцу (или в 100 раз больше Меркурия) и примерно в 49 а.е. в самом дальнем от Солнца. Таким образом, температура Плутона меньше температуры Меркурия на корень квадратный из 100, или в 10 раз: от 500 К до 50 К9.0005

Помимо удаленности от Солнца, на температуру поверхности планеты сильно влияет ее атмосфера. Без нашей атмосферной изоляции (парниковый эффект, удерживающий тепло) океаны Земли были бы навсегда заморожены. И наоборот, если бы Марс когда-то имел более крупную атмосферу в прошлом, он мог бы поддерживать более умеренный климат, чем сегодня. Венера является еще более экстремальным примером, где ее плотная атмосфера из углекислого газа действует как изоляция, уменьшая утечку тепла, накопленного на поверхности, что приводит к более высоким температурам, чем на Меркурии. Сегодня Земля — единственная планета, температура поверхности которой обычно находится между точками замерзания и кипения воды. Насколько нам известно, Земля — единственная планета, на которой существует жизнь.

Нет места лучше дома

В классическом фильме Волшебник страны Оз героиня Дороти после многочисленных приключений в «чужой» среде приходит к выводу, что «нет места лучше дома». То же самое можно сказать и о других мирах нашей Солнечной системы. Есть много удивительных мест, больших и маленьких, которые мы хотели бы посетить, но люди не смогли бы выжить ни в одном из них без значительной искусственной помощи.

Плотная атмосфера углекислого газа поддерживает температуру поверхности нашей соседки Венеры на уровне 700 К (около 900 °F). Марс, с другой стороны, имеет температуры, как правило, ниже точки замерзания, а воздух (также в основном углекислый газ) настолько разреженный, что он напоминает тот, что находится на высоте 30 километров (100 000 футов) в атмосфере Земли. А красная планета настолько сухая, что на ней не было дождя миллиарды лет.

Внешние слои юпитерианских планет не являются ни достаточно теплыми, ни достаточно твердыми для проживания людей. Любые базы, которые мы строим в системах планет-гигантов, вполне могут находиться в космосе или на одной из их лун — ни одна из которых не является особенно гостеприимной для роскошного отеля с бассейном и пальмами. Возможно, мы найдем более теплые гавани глубоко внутри облаков Юпитера или в океане под замерзшим льдом его спутника Европы.

Все это говорит о том, что нам следует хорошо заботиться о Земле, потому что это единственное место, где может выжить жизнь, какой мы ее знаем. Недавняя человеческая деятельность может уменьшить обитаемость нашей планеты за счет добавления загрязняющих веществ в атмосферу, особенно мощного парникового газа двуокиси углерода. Человеческая цивилизация кардинально меняет нашу планету, и эти изменения не обязательно к лучшему. В Солнечной системе, которая, кажется, не готова принять нас, сделать Землю менее гостеприимной для жизни может быть серьезной ошибкой.

Геологическая активность

Кора всех планет земной группы, а также более крупных спутников на протяжении своей истории изменялась как внутренними, так и внешними силами. Внешне каждый был поврежден медленным дождем снарядов из космоса, в результате чего их поверхность была испещрена ударными кратерами всех размеров (см. рис. 3 в обзоре нашей планетарной системы). У нас есть убедительные доказательства того, что эта бомбардировка была намного сильнее в ранней истории Солнечной системы, но она, безусловно, продолжается и по сей день, хотя и с меньшей скоростью. Столкновение более 20 крупных штук Комета Шумейкера–Леви 9 с Юпитером летом 1994 г. (см. рис. 3) — яркий пример этого процесса.

Рис. 3: Комета Шумейкера-Леви 9. На этом изображении кометы Шумейкера-Леви 9, полученном 17 мая 1994 года космическим телескопом НАСА «Хаббл», вы можете увидеть около 20 ледяных фрагментов, на которые раскололась комета. Комета находилась примерно в 660 миллионах километров от Земли, направляясь к Юпитеру. (кредит: модификация работы НАСА, ЕКА, Х. Уивера (STScl), Э. Смита (STScl))

На рис. 4 показаны последствия этих столкновений, когда в атмосфере Юпитера можно было увидеть облака обломков размером больше Земли.

Рисунок 4: Юпитер с огромными пылевыми облаками. Космический телескоп Хаббл сделал эту серию изображений Юпитера летом 1994 года, когда фрагменты кометы Шумейкера-Леви 9 столкнулись с планетой-гигантом. Здесь мы видим место попадания осколка G в период от пяти минут до пяти дней после удара. Несколько пылевых облаков, образовавшихся в результате столкновений, стали больше Земли. (кредит: модификация работы Х. Хаммела, НАСА)

В течение того времени, когда все планеты подвергались таким ударам, внутренние силы на планетах земной группы изгибали и искривляли их кору, образовывали горные хребты, извергали вулканы и в целом изменяли поверхность в результате того, что мы называем геологической активностью. (Приставка geo означает «Земля», так что это немного «земле-шовинистский» термин, но он настолько широко используется, что мы преклоняемся перед традицией.) Среди планет земной группы Земля и Венера испытали больше всего геологическая активность в течение их истории, хотя некоторые спутники во внешней Солнечной системе также удивительно активны. Напротив, наша собственная Луна — это мертвый мир, где геологическая активность прекратилась миллиарды лет назад.

Геологическая активность на планете является результатом горячего недр. Силы вулканизма и горообразования обусловлены выходом тепла из недр планет. Как мы увидим, каждая из планет была нагрета во время своего рождения, и это первичное тепло изначально приводило в действие обширную вулканическую активность даже на нашей Луне. Но небольшие объекты, такие как Луна, вскоре остыли. Чем больше планета или луна, тем дольше она сохраняет свое внутреннее тепло, и, следовательно, тем больше мы ожидаем увидеть на поверхности признаки продолжающейся геологической активности. Эффект подобен нашему собственному опыту с горячей запеченной картошкой: чем крупнее картошка, тем медленнее она остывает. Если мы хотим, чтобы картошка быстро остыла, нарезаем ее небольшими кусочками.

По большей части история вулканической активности на планетах земной группы соответствует предсказаниям этой простой теории. Луна, самый маленький из этих объектов, представляет собой геологически мертвый мир. Хотя о Меркурии мы знаем меньше, кажется вероятным, что и эта планета прекратила большую часть вулканической активности примерно в то же время, что и Луна. Марс представляет собой промежуточный случай. Он был гораздо более активным, чем Луна, но менее активным, чем Земля. Земля и Венера, крупнейшие планеты земной группы, все еще имеют расплавленные недра даже сегодня, примерно через 4,5 миллиарда лет после их рождения.

Ключевые понятия и резюме

Планеты-гиганты имеют плотные ядра, примерно в 10 раз превышающие массу Земли, окруженные слоями водорода и гелия. Планеты земной группы состоят в основном из горных пород и металлов. Когда-то они были расплавлены, что позволило их структурам дифференцироваться (то есть их более плотные материалы опустились к центру). Луна по составу напоминает планеты земной группы, но большинство других лун, которые вращаются вокруг планет-гигантов, имеют внутри большее количество замороженного льда. В целом миры, расположенные ближе к Солнцу, имеют более высокую температуру поверхности. Поверхности планет земной группы были изменены ударами из космоса и разной степенью геологической активности.

Глоссарий

дифференциация: гравитационное разделение материалов разной плотности на слои внутри планеты или луны

Есть ли у Юпитера твердое ядро?

Структура и состав Юпитера. Предоставлено: Kelvinsong CC от SA 3.0.

Газовые гиганты всегда были для нас загадкой. Из-за их плотных и клубящихся облаков невозможно хорошо рассмотреть их внутреннюю часть и определить их истинную структуру. Учитывая их удаленность от Земли, отправка к ним космических кораблей требует много времени и денег, что делает исследовательские миссии немногочисленными и редкими. И из-за их интенсивного излучения и сильной гравитации любая миссия, которая пытается их изучить, должна выполняться очень осторожно.

И все же ученые десятилетиями считали, что этот массивный газовый гигант имеет твердое ядро. Это согласуется с нашими нынешними теориями о том, как Солнечная система и ее планеты сформировались и мигрировали на свои нынешние позиции. В то время как его внешние слои Юпитера состоят в основном из водорода и гелия, увеличение давления и плотности предполагает, что ближе к ядру все становится твердым.

Структура и состав:

Юпитер состоит в основном из газообразного и жидкого вещества с более плотным веществом под ним. Его верхние слои атмосферы состоят примерно из 88–92% водорода и 8–12% гелия в процентах от объема молекул газа и ок. 75% водорода и 24% гелия по массе, а оставшийся один процент состоит из других элементов.

Атмосфера содержит следовые количества метана, водяного пара, аммиака и соединений на основе кремния, а также следовые количества бензола и других углеводородов. Имеются также следы углерода, этана, сероводорода, неона, кислорода, фосфина и серы. Кристаллы замороженного аммиака также наблюдались в самом внешнем слое атмосферы.

Внутренняя часть содержит более плотные материалы, так что распределение составляет примерно 71% водорода, 24% гелия и 5% других элементов по массе. Считается, что ядро Юпитера представляет собой плотную смесь элементов — окружающий слой жидкого металлического водорода с небольшим количеством гелия и внешний слой, состоящий преимущественно из молекулярного водорода. Ядро также было описано как каменистое, но это также остается неизвестным.

В 1997 году существование ядра было подтверждено гравитационными измерениями, указывающими на массу от 12 до 45 раз больше массы Земли, или примерно 4–14% от общей массы Юпитера. Наличие ядра также подтверждается моделями формирования планет, которые указывают на то, что в какой-то момент истории планеты было необходимо каменное или ледяное ядро, чтобы собрать весь водород и гелий из протосолнечной туманности.

Однако возможно, что это ядро с тех пор уменьшилось из-за конвекционных потоков горячего жидкого металлического водорода, смешивающегося с расплавленным ядром.

Это ядро может даже отсутствовать сейчас, но необходим подробный анализ, прежде чем это можно будет подтвердить. Ожидается, что миссия Juno, которая стартовала в августе 2011 года (см. ниже), даст некоторое представление об этих вопросах и, таким образом, продвинется в решении проблемы активной зоны.

Формирование и миграция:

Наши современные теории формирования Солнечной системы утверждают, что планеты образовались около 4,5 миллиардов лет назад из солнечной туманности (т. е. гипотеза туманности). В соответствии с этой теорией считается, что Юпитер образовался в результате гравитации, стягивающей закрученные облака газа и пыли вместе.

Юпитер приобрел большую часть своей массы из материала, оставшегося от образования Солнца, и в итоге получил более чем вдвое большую совокупную массу других планет. На самом деле было высказано предположение, что если бы Юпитер накопил больше массы, он стал бы второй звездой.

Это основано на том факте, что его состав аналогичен составу Солнца и состоит преимущественно из водорода.

Кроме того, современные модели формирования Солнечной системы также указывают на то, что Юпитер сформировался дальше от своего нынешнего положения. В так называемой гипотезе Гранд-Тэка Юпитер мигрировал к Солнцу и занял свое нынешнее положение примерно 4 миллиарда лет назад. Утверждалось, что эта миграция могла привести к разрушению более ранних планет в нашей Солнечной системе, включая суперземли, расположенные ближе к Солнцу.

Исследование:

Хотя это был не первый автоматический космический аппарат, посетивший Юпитер, и не первый, изучавший его с орбиты (это было сделано с помощью зонда «Галилео» в период с 1995 по 2003 год), миссия «Юнона» была разработана для изучения более глубокие тайны юпитерианского гиганта. К ним относятся недра Юпитера, атмосфера, магнитосфера, гравитационное поле и определяющие историю формирования планеты.

Миссия стартовала в августе 2011 года и достигла орбиты вокруг Юпитера 4 июля 2016 года. Когда зонд вышел на свою полярную эллиптическую орбиту, после завершения 35-минутного запуска основного двигателя, известного как Jupital Orbital Insertion (или JOI ). Когда зонд приблизился к Юпитеру над его северным полюсом, ему был предоставлен вид на систему Юпитера, которую он сделал окончательный снимок перед началом JOI.

Южный полюс Юпитера, сделанный во время третьего витка миссии Juno (Perijove 3). Авторы и права: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/ Luca Fornaciari © cc nc sa

С того времени космический корабль Юнона выполняет периховные маневры, где он проходит между северным полярным районом и южным полярным регионом, с периодом около 53 дней. С момента прибытия в июне 2016 года он завершил 5 периджовов, а до февраля 2018 года планировал провести в общей сложности 12. В этот момент, за исключением каких-либо продлений миссии, зонд будет выведен с орбиты и сгорит во внешней атмосфере Юпитера. .

Во время оставшихся проходов «Юнона» соберет больше информации о гравитации Юпитера, магнитных полях, атмосфере и составе.