Планеты-гиганты, их спутники и кольца

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.

Сжатие планет-гигантов, которое заметно даже на первый взгляд, вызвано их быстрым вращением вокруг оси.
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.
Последовательность из снимков,
сделанных Вояджер-1 на подлёте к Юпитеру

Наиболее изученным среди планет-гигантов является Юпитер, на котором даже в небольшой телескоп видны многочисленные темные и светлые полосы, тянущиеся параллельно экватору планеты.
Красновато-коричневый цвет полос объясняется тем, что, помимо кристалликов аммиака, составляющих основу облаков, в них содержатся различные аэрозольные примеси, в частности соединения серы и фосфора.
Зоны, пояса и вихри на Юпитере.
14-кадровая анимация показывает примерно 24 юпитерианских дня, или около 10 земных.

На снимках, полученных космическими аппаратами, видны следы интенсивных атмосферных процессов.
Один из атмосферных вихрей, получивший название Большое Красное Пятно, наблюдается на Юпитере уже свыше 350 лет.
Атмосферные течения и облака зафиксированы и на других планетах-гигантах, хотя развиты они в меньшей степени, чем на Юпитере.

Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, поэтому там очень холодно.
Температура в атмосфере Юпитера на уровне облачного слоя около -140°С, Сатурна – около -180 °С,
а на Уране и Нептуне она
не превышает -210 °С.
Такая температура установилась на планетах не только за счет энергии, приходящей от Солнца, но и благодаря потоку энергии из их недр.
На Юпитере, Сатурне и Нептуне поток энергии из недр существенно больше потока солнечной энергии, но на Уране он практически отсутствует.

Согласно модели внутреннего строения планет-гигантов
температура в центре Юпитера достигает 30000°С, давление – около 8•1012 Па,
а у Нептуна – 7000°С 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.
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 аммиачно-метанового 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.

Космические аппараты зарегистрировали в атмосфере Юпитера очень сильные разряды молний, а также мощные полярные сияния на Юпитере и Сатурне.
Британские астрономы обнаружили в атмосфере Сатурна новый тип полярного сияния, которое образует кольцо вокруг одного из полюсов планеты
Астрономы при помощи космического телескопа NASA сфотографировали самое сильное полярное сияние на Юпитере
Молнии на ночной стороне Юпитера. Изображение получено космическим аппаратом Галилео в 1997 году

Спутники и кольца планет-гигантов

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.

На поверхности многих спутников помимо многочисленных кратеров метеоритного происхождения обнаружены также тектонические разломы
и трещины их коры или ледяного покрова.

На ближайшем к Юпитеру спутнике Ио около десятка действующих вулканов.
Высота выброса при крупнейшем из этих извержений составила около 300 км.
Продолжительность большинства извержений превысила четыре месяца.
Ио – наиболее вулканически активный объект среди всех тел планетного типа.
Извержение вулкана Прометей на Ио

На спутнике Урана – Миранде – видны уникальные структуры поверхности.
Их возникновение связано, видимо, с мощными ударными процессами, которые могли привести к разрушению спутника.
Снимок Миранды Вояджером-2 (24.01.1986)
Миранда с расстояния 147 000 км
Миранда – спутник Урана

Многие спутники планет-гигантов имеют
небольшие размеры и неправильную форму.
Атлас
Пан

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 .

Особенно интересные результаты были получены в ходе продолжавшихся несколько лет исследований Титана автоматической станцией «Гюйгенс», совершившей посадку на его поверхность 14 января 2005 года.
На Титане практически полностью отсутствуют метеоритные кратеры.
Основной компонент атмосферы на Земле и Титане одинаков – азот.
Такой атмосферы пока не обнаружено больше ни на одном другом объекте в Солнечной системе.

Титан – второе после Земли небесное тело, на поверхности которого обнаружены крупные стабильные резервуары жидкости – озера и моря.
Внешне они напоминают водоемы на земном шаре, но заполнены жидким метаном.
Поверхность Титана. Художественная концепция (НАСА-ЕСА)
Поверхность Титана. Художественная концепция (НАСА-ЕСА)
Фотография поверхности Титана, сделанная при спуске зонда "Гюйгенс"

Кроме множества спутников, все планеты-гиганты имеют кольца
Сатурн
Нептун
Уран
Юпитер

Кольца Сатурна представляют собой скопления небольших по размеру тел, крупных и мелких кусков, которые обращаются вокруг планеты по почти круговым орбитам.

Кольца всех остальных планет-гигантов значительно уступают по размерам и яркости кольцам Сатурна.
На снимках заметно, что в кольцах Нептуна вещество распределено неравномерно и образует отдельные сгущения – арки.
Кольца Нептуна
Таким образом, мы наблюдаем определенный этап эволюционного процесса, который происходит в течение уже нескольких миллиардов лет.
Вероятнее всего, кольца планет-гигантов образовались из вещества существовавших прежде спутников, которые затем разрушились под действием приливных сил и при столкновениях между собой.

Вопросы (с.114)
l. 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?

Домашнее задание
1) § 19.
2) Упражнение 15:
Используя данные приложения VI, рассчитайте линейную и угловую скорости вращения на экваторах Земли и Юпитера.
3) Задание 13 (дополнительное):
Подготовьте доклад о природе одной из планет Солнечной системы.