АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018
Частина 2. Основи астрономії
Розділ ІІ. Елементи астрофізики
ТЕМА 2.1. ФІЗИКА ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ
§ 13. ПЛАНЕТИ-ГІГАНТИ
Планети Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун, залежно від їх кутової відстані на небесній сфері від Сонця, видно і ввечері, і вранці, і протягом усієї ночі. Юпітер і Сатурн можна спостерігати неозброєним оком, а Уран і Нептун з допомогою телескопа.
1. Фізичні характеристики планет-гігантів.
Ця група планет чітко поділяється на дві пари: Юпітер і Сатурн мають більші розміри, менші густини і менші періоди обертання, ніж Уран і Нептун.
Юпітер і Сатурн. Юпітер - найбільша розмірами планета Сонячної системи й масивніша за всі інші планети разом узяті. Якби його маса була більшою в 75 разів, він став би зорею, щоправда меншою і холоднішою, ніж Сонце.
Рис. 13.1. Порівняльні розміри планет-гігантів
Навіть в аматорський телескоп на диску Юпітера видно яскраві кольорові світлі й темні смуги хмар, витягнуті через швидке обертання планети паралельно до екватора. В її атмосфері є стійке атмосферне утворення - Велика Червона Пляма, яку вперше помітили в XVII ст. Ця пляма, щодо природи якої було багато припущень, своїми розмірами майже втричі перевершує Землю. Коли отримали космічні знімки Юпітера з близької відстані, стало зрозумілим: це - велетенський, дуже стійкий атмосферний вихор (рис. 13.2), схожі на який виявлено в атмосферах інших планет-гігантів. Червоного кольору йому надають, можливо, сполуки фосфору. Світлі й темні смуги хмар - це вершини висхідних потоків газу з глибин і низхідних ділянок між ними.
Рис. 13.2. Велика Червона
Пляма в атмосфері Юпітера - стійкий атмосферний вихор, що існує вже понад 350 років
Для атмосфери Юпітера властиві бурхливі турбулентні процеси, завдяки яким він впродовж кількох місяців змінює свій зовнішній вигляд. Це пояснюють тим, що планета випромінює енергії вдвічі більше, ніж отримує від Сонця. Тобто, Юпітер має власне її джерело. За одним із припущень в ядрі планети досі триває процес гравітаційного стискання первинної речовини, що й породжує додаткове виділення енергії. її потік, підігріваючи атмосферу знизу, зумовлює появу потужних висхідних течій, що виносять догори великі маси гарячої речовини. Згодом, охолоджуючись, потоки газу знову поринають у глибини.
Космічний зонд «Юнона» виявив на екваторі Юпітера пояс аміаку, що проникає вглиб атмосфери майже на 300 км. Це вказує на існування по- годної системи, яку визначає процес перерозподілу аміаку між різними ділянками планети.
У Юпітера є три тонких кільця, утворених переважно крихітними темними пиловими частинками (рис. 13.3). Про їх існування ще до початку космічної ери висловлював думку відомий вчений, який понад 40 років завідував кафедрою астрономії Київського національного університету імені Тараса Шевченка, професор С. К. Всехсвятський. Кільця відкрили в 1979 р., коли повз Юпітер пройшли міжпланетні зонди «Вояджер-1» і «Вояджер-2». Знімки кільця стали блискучим підтвердженням наукових завбачень нашого співвітчизника.
Рис. 13.3. Кільце Юпітера (ліворуч) утворюють переважно дрібні пилинки; портрет С. К. Всехсвятського та космічний зонд «Вояджер-1» (праворуч)
Автоматичні міжпланетні станції (зокрема «Ґалілео» та «Юнона») дозволили вивчити значно потужніше (в 20 разів), ніж земне, магнітне поле Юпітера та сформовані ним кілька радіаційних поясів. Планету оточує великих розмірів поле з електрично заряджених частинок. При цьому рівень радіації поблизу Юпітера в 25 разів перевищує смертельну дозу для людини. Саме ці пояси є джерелом сильного радіовипромінювання в дециметровому й метровому діапазоні, відкритого ще в 50-ті роки ХХ ст. Радіошум від Юпітера іноді буває сильнішим за радіовипромінювання Сонця і здатний впливати навіть на короткохвильові антени на Землі. Навколо полюсів планети існують яскраві полярні сяйва, що іноді змінюють свою інтенсивність.
Юпітер має своєрідну внутрішню будову. Товщина його воднево-гелієвої з домішками метану й аміаку атмосфери становить до 1500 кілометрів. Далі вона переходить у газорідкий і потім у рідкий стан. А на глибині майже в 16000 км за температури близько 2273 К і величезного тиску водень починає добре проводити електричний струм. По аналогії з металами, що є хорошими провідниками струму, цей стан водню називають «металевим». Товщина цього шару становить майже 40000 км. Внутрішнє метало-силікатне ядро планети до 25000 км в діаметрі - тверде. З допомогою зонду «Юнона» з'ясовано - внутрішні шари атмосфери Юпітера повсякчас перемішуються.
Сатурн - друга розмірами й масою планета Сонячної системи. Багато в чому він дуже схожий на Юпітер. Майже такий самий хімічний склад, розміри, маса, швидке обертання навколо осі, виділення більшої кількості тепла із надр, ніж отриманого від Сонця, і багато іншого ріднять ці планети. Щоправда смуги на його диску не такі яскраві і спокійніші, ніж на диску Юпітера.
Середня густину речовини Сатурна дуже мала, менша за густину води - усього 0,68 г/см3. Магнітне поле Сатурна має вдвічі меншу напруженість, ніж магнітне поле Землі. Внаслідок цього його магнітосфера значно менша, ніж у Юпітера.
Ще донедавна відзнакою лише Сатурна вважали великі, яскраві кільця, що оперізують планету. Нині їх виявлено у всіх планет-гігантів. Проте, через істотно більші розміри й яскравість, кільця Сатурна - виняткові. З близької відстані (рис. 13.4) вони мають вигляд системи з кількох сотень тонких кілець, розділених вузькими темними проміжками. Кожне з них утворене з окремих крихких крижаних частинок розмірами від зовсім дрібних до брил у 10-15 м завбільшки. Ширина кілець Сатурна становить близько 65000 км.
Під час досліджень Сатурна космічними апаратами в інфрачервоних променях на його північному полюсі було виявлене полярне сяйво.
Рис. 13.4. Вигляд кілець Сатурна з близької відстані
Найбільший супутник Сатурна Титан має щільну атмосферу й тверду поверхню.
Уран і Нептун. Так само, як Юпітер і Сатурн, ці планети теж дуже схожі між собою (рис. 13.5). Тільки масивніший Нептун має трохи менші розміри, ніж Уран. Середня густина Нептуна найбільша серед густин усіх планет-гігантів. Це свідчить про найменшу протяжність його атмосфери, як порівняти з іншими планетами цієї групи. Хімічним складом Уран і Нептун дещо відмінні від Юпітера й Сатурна: вони мають більше важких елементів (метан, аміак, вода). У зв'язку з цим в надрах Урана та Нептуна відсутній «металевий» водень. Проте в них є багато модифікацій перегрітого льоду, тому їх виділили в окрему категорію «крижаних гігантів».
Уран рухається навколо Сонця наче лежачи на боку, - кут між площиною його орбіти і віссю обертання становить усього 8°. Це унікальний випадок в Сонячній системі. Так само, як і Венера, Уран обертається навколо осі в зворотному напрямку. Напевне, ще на початку історії Сонячної системи він пережив катастрофічне зіткнення з великим об'єктом, що змінив нахил його осі й напрямок обертання аж до протилежного.
Уран і Нептун оточені тонкими темними кільцями з дуже дрібних пилинок, льоду й космічного сміття (залишків речовини після утворення Сонячної системи). Кільця погано відбивають світло. Навколо Урана налічують 13 кілець, навколо Нептуна - шість.
Рис. 13.5. Уран (ліворуч) та Нептун (праворуч)
Уран не випромінює більше енергії, ніж отримує від Сонця. Його атмосфера - найхолодніша (49 К) серед усіх планет. В ній багато льодяних частинок з води і твердого аміаку. Навіть ядро огортає мантія з льоду. Причиною цього може бути те, що під час катастрофічного зіткнення, яке «поклало» Уран на бік, він втратив своє внутрішнє тепло.
Верхні шари атмосфери Урана заволочені метановим туманом, який надає йому слабкого синюватого відтінку і приховує бурі в атмосфері. Під метановими хмарами залягають хмари з води. В газовій оболонці планети в більшій концентрації, ніж на інших гігантах, присутні сполуки сірководню, аміаку та метану.
Космічний аппарат «Вояджер-2» у 1989 р. виявив на диску Нептуна темні плями, які мають таку саму природу, що й Велика Червона Пляма на Юпітері. Найбільша з них, «Велика темна пляма», - циклон розмірами 13 000 на 8000 км, де швидкість вітру досягає 2400 км/год. Вітри на Нептуні - най- сильніші в Сонячній системі. їх існування в атмосфері планети, як загалом і в усіх планет-гігантів, окрім Урана, вказує на наявність внутрішнього джерела тепла. Планета випромінює у простір в 2,6 рази більше енергії, ніж отримує від Сонця.
Атмосфера Нептуна, як і в Урана, плавно переходить в рідину, потім у перегріту рідку мантію і тверде ядро. Нептун має магнітне поле, напруженість якого на полюсах приблизно вдвічі більша, ніж в магнітного поля Землі.
2. Дослідження планет-гігантів.
Вивчати планети-гіганти з поверхні Землі досить складно, адже вони перебувають відносно далеко від нашої планети. Саме тому найкращі результати отримано з допомогою автоматичних міжпланетних станцій, спрямованих до цих планет.
Окрім самих планет-гігантів, великий інтерес для науковців становлять 'їхні супутники. До таких із них, як Європа і Титан, нині планують космічні місії.
ТИПОВА ЗАДАЧА
Період обертання Нептуна становить Тн = 16h06m, а екваторіальної зони Юпітера Тю = 9h55m. Обчисліть різницю лінійних швидкостей екваторіальних точок Юпітера і Нептуна, якщо радіуси цих планет становлять Rю = 71490 км і Rн = 24760 км.
Розв'язання: Скористаємося формулою для лінійної швидкості тіла, що рівномірно обертається по колу:
Звідси 
НАВЧАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
• Уявіть, що кільце Сатурна миттєво розрізали по радіусу від краю до краю. Що з ним буде відбуватись після цього?
ВИСНОВКИ
Планети-гіганти відмінні від планет земної групи істотно більшими розмірами й масами, малими періодами обертання, хімічним складом, будовою, системами супутників та кілець. Вони не мають твердих поверхонь а є газо-рідинними кулями. У своєму складі планети містять багато водню й гелію, чим споріднені більше з Сонцем, ніж з планетами земної групи.
