Юпитер – пятая от Солнца и самая крупная из всех планет солнечной системы. Он
находится от Солнца на расстоянии 778 млн. км - в 5 раз дальше, чем Земля, и
проходит свой путь вокруг Солнца за 12 лет.
Диаметр Юпитера в 11 раз больше Земли, а по объему из Юпитера можно было бы
сделать 1345 таких шаров, как Земля. Но, обладая такими огромными размерами,
Юпитер по массе только в 317 раз больше Земли. Это значит, что Юпитер состоит
из совсем другого вещества, чем Земля. Наш земной шар сложен из тяжелых
каменных пород, а в его центре некоторые ученые предполагают даже ядро из еще
более тяжелых металлов. Юпитер имеет другое строение: в среднем его вещество
немногим тяжелее, чем вода.
В те месяцы, когда Юпитер бывает виден, его легко найти на небе, потому что
он светит ярче всех других звезд и планет, кроме Венеры. По блеску Юпитер
занимает на небе четвертое место после Солнца, Луны и Венеры. Только Марс
способен давать такой же сильный свет, да и то в редкие дни наибольших
сближении его с Землей.
Рис. 2. Спутники Юпитера
Если посмотреть на Юпитер в небольшую зрительную трубу, то можно увидеть замечательную картину: возле яркого шара планеты видны четыре звездочки. Это самые большие из спутников Юпитера. Они каждый день бывают расположены по - разному: то два справа, два слева; то три с одной стороны, а один - с другой; то все четыре станут цепочкой по одну сторону от Юпитера.
А бывает и так, что какая-нибудь из звездочек спрячется за шар Юпитера или станет перед ним и исчезнет на его фоне, либо же попадет в тень от Юпитера - произойдет затмение данного спутника Юпитера. Во всех этих случаях спутник становится невидим.
Рис. 3. Галилеевы спутники Юпитера
Эти четыре спутника Юпитера очень крупные, их диаметры составляют от 3000 до 5180 км, два из них размером больше, чем Меркурий. Кроме них, у Юпитера есть еще мелкие спутники, которые можно увидеть только в сильные телескопы. В настоящее время известно 28 спутников Юпитера, и все это обширное семейство движется в мировом пространстве вслед за самим Юпитером вокруг Солнца.
Но что же представляет собой сам Юпитер? Если его рассматривать при помощи сильного телескопа, то сразу бросается в глаза его некруглая форма. Другие небесные тела - Меркурий, Венера, Земля, Луна
- имеют малое сжатие у плюсов. Земля, например, у полюсов сжата примерно на
1/298 своего диаметра. У Юпитера сжатие, или сплюснутость, у полюсов
значительно больше.
Легко разглядеть еще, что Юпитер полосатый; на его округлом, но заметно
растянутом диске виден ряд чередующихся светлых и темных полос, которые
каждый год располагаются по-разному. Значит, это не горы, не океаны и не
суша, а всего-навсего длинные ряды облаков и туч разной окраски. В этом
отношении Юпитер похож на Венеру: все, что мы на нем видим, - это сплошной
Рис. 4. Полосы на Юпитере
воздушно-облачный покров, который скрывает от нашего взора то, что находится под ним. Разница в том, что на Венере этот покров гладкий, ровный, однородный, а на Юпитере он пятнистый, разноцветный.
Движение облаков позволяет легко и просто установить, как и с какой скоростью вращается Юпитер вокруг оси. Каждое пятно, каждое облачко на его диске постепенно передвигается от одного края к другому.
Это значит, что Юпитер поворачивается вокруг своей оси. Вращение его очень
быстрое. Установлено, что сутки на нем длятся всего 9 часов 50 минут.
Ученых давно занимал вопрос о химическом составе клубящейся тучами и облаками
мощной атмосферы Юпитера. Оказалось, что в ней нет ни кислорода, ни водяных
паров, ни углекислоты - словом, ничего того, что входит в состав нашей земной
атмосферы. Зато там оказалось большое количество газа, называемого метаном.
Это тот газ, который весело горит синими огоньками в наших газовых плитах.
Кроме того, там есть аммиак - газ, многим знакомый по резкому запаху
нашатырного спирта. Из-за огромного расстояния Юпитера от Солнца температура
его атмосферы - около 140° мороза.
Юпитер по всем своим свойствам так непохож на нашу Землю, что нам трудно
разобраться в его своеобразной природе. Есть предположение, что ядро его
состоит из сильно сжатых газов.
История открытий
Юпитер - одна из планет, видимых невооруженным глазом, и путь ее по ночному
небу был наблюдаем тысячи лет.
В 1610-м году, итальянский астроном Галилео Галилей обнаружил четыре самых
больших спутника планеты: Ио, Европу, Ганимед, и Каллисто, известные также
как Галилеевы спутники. Это было одно из самых ранних астрономических
открытий, сделанных с телескопом. Оно сыграло свою роль, добавив уверенности
сторонникам гелиоцентрической системы мира, В те далекие дни борьба
мировоззрений была очень остра.
В течение последующих лет, с улучшением телескопов, становились известными и
размер планеты, и существование Большого Красного Пятна, которое
представлялось, по началу, островом в гигантском море на поверхности Юпитера.
Земная астрономия всегда продолжала совершенствоваться, мы достигли истинного
понимания некоторых «поверхностных» явлений (изменений в расположении
деталей, их размеров, цвете), считая их уже атмосферными, а не относящимися к
вовсе несуществующей твердой поверхности.
С приходом радиоастрономии в науку (а именно в 1955-м году), мы обнаружили,
что Юпитер - источник устойчивого высокочастотного радиошума, указывающего на
электрическую деятельность гиганта. Юпитер изучается во всех длинах волн.
В марте 1972-го года была запущена АМС «Пионер–10», для наблюдения пояса
астероидов и Юпитера. Долетев до Юпитера в декабре 1973-го года, «Пионер–10»
обнаружил интенсивное излучение, исходящее от Юпитера, огромное магнитное
поле, предполагающее наличие проводящей ток жидкости в недрах планеты.
Годом позже, однотипный космический аппарат «Пионер–11», пролетал Юпитер на
своем пути к Сатурну и передал даже более подробные изображения гигантской
планеты. Изучая данные, полученные этим аппаратом, ученые впервые заподозрили
наличие у Юпитера колец.
В августе и сентябре 1977-го года, были запущенны два «Вояждера» для изучения
внешней части Солнечной системы. «Вояждеры» побывали возле Юпитера в 1979-м
году, подарив нам поразительные, красивые изображения царя планет, обнаружив
тысячи деталей, до тех пор неизвестные. «Вояджеры» поведали нам, что процессы
в атмосфере Юпитера - несоизмеримо более грандиозные подобия тех же явлений
земной атмосферы. «Вояджеры» подтвердили догадки о кольцах планеты. Юпитер -
третья планета, у которой открыли кольца.
Запущенный в октябре 1989-го года с основной задачей изучения Юпитера,
космический аппарат «Галилео» вернулся к Земле 8 декабря 1990-го года для
совершения обычного гравитационного маневра. После он направился к астероиду
Гаспра, потом повстречался с другим астероидом - Идой, откуда уже попал в
систему Юпитера. «Галилео» был нацелен на самые разнообразные исследования
как самой планеты, так и ее спутников. В 1995-м году от аппарата отделился
специальный зонд, предназначенный для изучения атмосферы Юпитера.
Крупным наземным и орбитальным телескопам, безусловно, по силам внести и свою
лепту в изучение гиганта. Тому пример результаты исследований телескопа имени
Хаббла.
Образование Юпитера
Юпитер хранит ключи от многих тайн Солнечной системы. Около 4,5 млрд. лет
тому назад, когда Солнечная система формировалась из вращающегося облака
газов и пыли, ядро Юпитера, вероятно, зарождалось изо льда и камней общей
массой, превышающей в 15 раз земную. Давление солнечного света выталкивало
атомы легких газов (водорода и гелия) из внутренней по отношению к орбите
Юпитера части Солнечной системы, а притяжение больших ледяных ядер нашего
гиганта и зарождавшегося по соседству Сатурна постаралось собрать эти атомы
возле себя. Из гелия и водорода, в основном, и состоит атмосфера Юпитера
сегодня. Юпитер «оброс» самой большой атмосферой среди всех планет, так как
центральное внутреннее ядро его раньше достигло необходимой массы. Лик
Юпитера, который мы видим, - это верхние слои его атмосферы.
Физические условия и строение Юпитера
Газовые планеты, к которым относится Юпитер, не имеют твердой поверхности, их
газообразный материал просто становится более плотным с глубиной (радиусы и
диаметры для таких планет определяются по уровням, соответствующим давлению в
1 атмосферу). Так что когда мы смотрим на такую планету, мы видим верхние
слои облаков.
Рис. 5. Разрез Юпитера
1 – атмосфера Юпитера, облачный слой;
2 – металлический водород;
3 – твердое ядро
Юпитер, возможно, имеет ядро из твердого материала, масса которого составляет примерно от 10 до 15 масс Земли.
Если не считать его ядра, Юпитер на 90% - водород и на 10% - гелий по количеству атомов, и в соотношении 3 к 1-му - по массе. В атмосфере обнаружены метана, вода, аммиак и многие другие вещества. В ядре планеты преобладающими являются тяжелые элементы, в основном, вода.
Огромная атмосфера Юпитера создает и огромное давление.
Оно увеличивается при приближении к центру планеты. В таких экстремальных
условиях газы в атмосфере находятся в необычных состояниях. Ученые имеют
основания считать, что находящийся достаточно глубоко водород под давлением
атмосферы в 4 миллиона бар, возможно, сформировал слой в жидком металлическом
состоянии. Это - и не океан, и не атмосфера. Этот водородный слой, возможно,
также содержит некоторое количество гелия. Такой слой водорода должен иметь
свойства, которые не укладываются в наше привычное понимание. В отличие от
простого газообразного водорода, жидкий металлический водород способен
проводить электрический ток. Устойчивый радиошум и сильное магнитное поле
Юпитера излучаются как раз этим слоем металлической жидкости.
При удалении от ядра планеты, когда мы можем без сомнения считать, что речь
идет об атмосфере, мы увидим, что газы ведут себя более знакомым образом,
перемещаясь в общих планетных циркуляциях, управляемых изначально вращением
планеты. Полагают, что Юпитер имеет три слоя облаков в своей атмосфере.
Наверху - облака из оледеневшего аммиака. Под ними - облака кристаллов
сероводорода аммония, а в самом низком слое - собираются водяной лед и,
возможно, жидкая вода.
Атмосферам Юпитера и других газовых планет свойственны ветры больших
скоростей, дующие в пределах широких полос, параллельных экватору планеты. В
смежных полосах на Юпитере ветра направлены в противоположные стороны. Эти
полосы различимы даже в небольшой телескоп.
Ветры на Юпитере достигают скорости 500 км в час. Изучение атмосферы
позволило сказать, что ветры эти также существуют в более низких ее слоях,
вплоть до тысячи километров от внешних облаков. Из этого сделан вывод, что
они управляются не энергией излучения Солнца, а внутренним теплом планеты, в
то время как на Земле все происходит наоборот.
В атмосфере Юпитера возникают чудовищные бури и вихри, одним из которых
является Большое Красное Пятно, замеченное с Земли более 300 лет назад.
Большое Красное Пятно (БКП) - овал размером 12 000 на 25 000 км, т.е. это
достаточно большая область для того, чтобы вместить в себя две Земли.
Рис. 6. Истинное цветное изображение Большого Красного Пятна принимаемого орбитальным аппаратом «Галилео». Большое Красное Пятно - гигантская штормовая система, которая, как известно, существует в течение более чем 300 лет. Оно вращается, поскольку на планете существует огромный антициклон. Оно имеет размер около 24,000 км вдоль и 11,000 км поперек.
Исследования, проведенные в инфракрасном диапазоне, и визуальные наблюдения
движений в самом вихре указывают на то, что он - область высокого давления,
т. е. антициклон. Облака Пятна расположены значительно выше и более холодны,
чем облака вокруг. Схожие структуры обнаружены на Сатурне и Нептуне. До
сих пор неизвестно, как они могут существовать так долго.
Рис. 7. Облачный покров Юпитера
Представленные слева две фотографии одной и той же области Юпитера показывают его облачный покров в естественных (слева) и искусственно скомбинированных (справа) цветах, чтобы была видна разница в высоте облаков. Бури, происходящие высоко в атмосфере планеты, видны на фотографиях в виде белых точек. Изображения были получены фотокамерой Cassini через разные фильтры 31 декабря 2000 года. Размер самых маленьких деталей, видимых на снимках, составляет 60 километров в поперечнике.
Как возникают такие красочные явления - также неизвестно, но ученые полагают,
что они обусловлены потоками разогретых газов из недр планеты. Цвета потоков
и прочих облаков, вероятно, вызваны их химическим составом. Например, хотя
количество углерода в атмосфере Юпитера очень невелико, атомы этого вещества
легко объединяются с атомами водорода и кислорода, образуя целый ряд газов,
таких, как угарный, метан и другие органические соединения, вносящие
разнообразие цветов. Оранжевые и коричневые цвета в облаках Юпитера могут
быть соотнесены с органическими соединениями, включающими в себя серу и
фосфор.
Юпитер излучает больше энергии в пространство, чем получает от Солнца. Недра
Юпитера, вероятно, разогреты до 20 000 K. Теплота генерируется механизмом
Кельвина - Гельмгольца, за счет медленного гравитационного сжатия планеты.
Юпитер не производит энергию ядерным синтезом, как Солнце; он слишком мал, и
его внутренняя температура слишком холодна для того, чтобы запустить ядерные
реакции. Эта внутренняя теплота, возможно, вызывает конвекцию глубоко в
жидких слоях Юпитера, вследствие чего мы наблюдаем сложные движения в верхних
слоях облаков. Сатурн и Нептун подобны Юпитеру в этом отношении.
Рис. 8. Инфракрасный вид Юпитера
Метан в Юпитерской атмосфере позволяет детекторам ИК-излучения на Космическом телескопе Хаббл отображать облака, обычно скрытые от наших глаз. В видимых длинах волны эти облака затенены из-за высокой отражательной способности основных облаков. Газ метан находящийся между высокой облачностью и облаками в верхних слоях атмосферы поглощает отраженный инфракрасный свет, позволяет отобразить нижние облака. Также на в этом изображении заметно размытое кольцо Юпитера и крошечная луна Метис, которая видна яркой точкой около внешней грани кольца.
Юпитер часто является самой яркой «звездой» нашего неба, уступая по яркости
только Венере, которая редко видна в темном небе. Четыре его спутника легко
можно увидеть в бинокль; несколько полос и Большое Красное Пятно можно
наблюдать с помощью небольшого телескопа.
Вращение Юпитера постепенно замедляется из-за приливного торможения,
производимого на него его большими спутниками. Те же самые приливные силы
изменяют орбиты лун, вынуждая их очень медленно отдаляться от Юпитера.
Рис. 9. Падения кометы Шумейкера-Леви 9 на Юпитер.
Последовательные стадии падения кометы Шумейкера-Леви 9 на Юпитер
В июле 1994 года комета Шумахера-Леви столкнулась с Юпитером. Последствия
были ясно видны даже в любительские телескопы. Обломки, оставшиеся от
столкновения, можно было наблюдать еще почти целый год.
Кольца Юпитера
У Юпитера есть кольца, значительно уступающие в яркости и красоте кольцам
Сатурна. Кольца Юпитера были открыты «Вояджером–1». С Земли кольца могут быть
замечены при наблюдении в инфракрасном диапазоне. В отличие от колец Сатурна,
кольца Юпитера темны (альбедо - 0,05). Они, вероятно, состоят из очень
небольших твердых частиц метеорной природы. Частицы колец Сатурна – ледяные.
Из-за препятствий, создаваемых атмосферой и магнитным полем планеты, частицы
колец вряд ли остаются в них долго. Вероятность того, что наблюдаемое
теперь кольцо – остаток некогда более внушительного, невелика.
Рис. 10. Кольцо Юпитера
Слишком много времени прошло с тех пор, как возникла планета. Это значит, что кольца должны непрерывно пополняться. Небольшие спутник Метис и Адрастея, чьи орбиты лежат в пределах колец, – очевидные источники таких пополнений.
Магнитосфера
Юпитер имеет огромное магнитное поле, значительно превышающее по
напряженности Земное. Магнитосфера Юпитера простирается на 650 млн. км, за
орбиту Сатурна! Но в направлении Солнца оно почти в 40 раз меньше. Даже на
таком расстоянии от себя Солнце показывает, кто, на самом-то деле, в доме
хозяин. Таким образом, форма магнитосферы Юпитера, как и других планет,
далека от сферической.
Рис. 11. Полярные сияния на Юпитере
Космический телескоп Хаббл показывает принятое им ультрафиолетовое излучение. На снимке видно полярное сияние в обоих Юпитерских полюсах. Эти изображения с высоким разрешением показывают вызванное полярным сиянием свет, растягивающийся на нескольких сотен километров вдоль Юпитера. Изображения Геомагнитного полярного сияния, принимаемого различными экипажами космического корабля Шаттл, показывают подобные снимки. Полярные сияния вызываются электрически заряженными частицами, пойманными в спирали магнитных полей у полюсов планеты. Поскольку они достигают верхних слоев атмосферы они возбуждают атомы и молекулы, заставляющие их светиться. Вызванное полярное сияние на Юпитере возникло из-за очень сильного магнитного поля Юпитера.
Магнитное поле захватывает заряженные частицы, летящие от Солнца (этот поток
называют солнечным ветром), образуя радиационные пояса. Присутствие в таких
областях незащищенного специальными средствами живого существа было бы для
последнего губительным. Для космических аппаратов такая обстановка создает
большие проблемы. Магнитное поле мешает работать приборам, и само по себе, и
захваченными им частицами. С этим часто сталкиваются в настоящее время. Поле
Юпитера очень сильно. «Галилео», при изучении атмосферы планеты, обнаружил
радиационный пояс, приблизительно в 10 раз мощнее земного, между кольцом
Юпитера и самыми верхними атмосферными слоями.
Исследования Юпитера
Изучать планеты-гиганты с помощью космической техники начали на десятилетие
позже, чем планеты земной группы. 3 марта 1972 г. с Земли стартовал
американский космический аппарат «Пионер-10». Через 6 месяцев полёта аппарат
успешно миновал пояс астероидов и ещё через 15 месяцев достиг окрестностей
Юпитера, пройдя на расстоянии 130 300 км от него в декабре 1973 г.
С помощью оригинального фотополяриметра получено 340 снимков облачного
покрова Юпитера и поверхностей четырёх самых крупных спутников: Ио, Европы,
Ганимеда и Каллисто. Помимо Большого Красного Пятна, размеры которого
превышают диаметр нашей планеты, обнаружено белое пятно поперечником более 10
тыс. километров. Инфракрасный радиометр показал, что температура внешнего
облачного покрова составляет 133 К. Было обнаружено также, что Юпитер
излучает в 1,6 раза больше тепла, чем получает от Солнца; уточнена масса
планеты и спутника Ио.
Исследования показали, что Юпитер обладает мощным магнитным полем; также была
зарегистрирована зона с интенсивной радиацией (в 10 тыс. раз больше, чем в
околоземных радиационных поясах) на расстоянии 177 тыс. километров от
планеты. Притяжение Юпитера сильно изменило траекторию полёта аппарата.
«Пионер-10» начал двигаться по касательной к орбите Юпитера, удаляясь от
Земли почти по прямой. Интересно, что шлейф магнитосферы Юпитера был
обнаружен за пределами орбиты Сатурна. В 1987 г. «Пионер-10» вышел за границы
Солнечной системы.
Трасса «Пионера-11», пролетевшего на расстоянии 43 тыс. километров от Юпитера
в декабре 1974 г., была рассчитана иначе. Он прошёл между поясами и самой
планетой, не получив опасной дозы радиации. На этом аппарате были установлены
те же приборы, что и на предыдущем. Анализ цветных изображений облачного
слоя, полученных фотополяриметром, позволил выявить особенности и структуру
облаков. Их высота оказалась различной в полосах и расположенных между ними
зонах. Согласно исследованиям «Пионера-11», светлые зоны и Большое Красное
Пятно характеризуются восходящими течениями в атмосфере. Облака в них
расположены выше, чем в соседних областях полос, и здесь холоднее.
Притяжение Юпитера развернуло «Пионер-11» почти на 180°. После нескольких
коррекций траектории полёта он пересёк орбиту Сатурна недалеко от самой
планеты.
Уникальное взаимное расположение Земли и планет-гигантов с 1976 по 1978 г.
было использовано для последовательного изучения этих планет. Под влиянием
полей тяготения космические аппараты смогли переходить с трассы полёта от
Юпитера к Сатурну, затем к Урану и Нептуну. Без использования гравитационных
полей промежуточный планет полёт к Урану занял бы 16 лет вместо 9, а к
Нептуну - 20 лет вместо 12. В 1977 г. в длительное путешествие отправились
аппараты «Вояджер-1» и Вояджер-2», причём «Вояджер-2» был запущен раньше, 20
августа 1977 г., по «медленной» траектории, а «Вояджер-1» - 5 сентября 1977
г. по «быстрой».
«Вояджер-1» совершил пролёт около Юпитера в марте 1979 г., а «Вояджер-2»
прошёл мимо гиганта на четыре месяца позже. Они передали на Землю снимки
облачного покрова Юпитера и поверхностей ближайших спутников с удивительными
подробностями. Атмосферные массы красного, оранжевого, жёлтого, коричневого и
синего цветов постоянно перемещались. Полосы вихревых потоков захватывали
друг друга, то сужаясь, то расширяясь. Скорость перемещения облаков оказалась
равной 11 км/с. Большое Красное Пятно вращалось против часовой стрелки и
делало полный оборот за 6 ч. «Вояджер-1» впервые показал, что у Юпитера
имеется система бледных колец, расположенных на расстоянии 57 тыс. километров
от облачного покрова планеты, а на спутнике Ио действуют восемь вулканов.
«Вояджер-2» сообщил спустя несколько месяцев, что шесть из них продолжают
активно действовать. Фотографии других галилеевых спутников - Европы,
Ганимеда и Каллисто - показали, что их поверхности резко отличаются друг от
друга.
Американский космический аппарат «Галилео», доставленный на околоземную
орбиту в грузовом отсеке корабля многоразового использования «Атлантис»,
представлял собой аппарат нового поколения для исследования химического
состава и физических характеристик Юпитера, а также для более детального
фотографирования его спутников. Аппарат состоял из орбитального модуля для
длительных наблюдений и специального зонда, который должен был проникнуть в
атмосферу планеты. Траектория полета «Галилео» была довольно сложной. Сначала
аппарат направился к Венере, мимо которой прошёл в феврале 1990 г. Затем по
новой траектории в декабре он вернулся к Земле. Были переданы многочисленные
фотографии Венеры, Земли и Луны.
Рис. 12. Юпитер и его Спутники
Юпитер и три из четырех его самых больших спутников, засняты с расстояния в 28.4 миллионов километров орбитальной станцией «Вояджер-1» в 1979 году. Самый ближний к Юпитеру спутник Ио может быть замечен напротив диска Юпитера. Справа – спутник Европа, снизу - Каллисто. Все три спутника облетают по орбите Юпитер в экваториальной плоскости и всегда повернуты одной и тоже стороной к Юпитеру. Заметно также известное Большое Красное Пятно
Рис. 13. Юпитер с борта космического зонда «Кассини».
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое.
