Юпитер, ты сердишься...
Из римской пословицы
Увлекли и забыл,
Что не сдержат семья и Земля -
Лишь присел
На Юпитер в трубу поглазеть...
Сергей Смайлиев
Юпитер - четвёртое по яркости небесное светило (после Солнца, Луны и Венеры). Как внешняя планета он хорошо виден на небе, причём обычно вдали от Солнца, чем отличается от несколько более яркой Венеры. В редкие периоды великих противостояний почти столь же ярок Марс, но он красноват, а Юпитер кажется белым.
Юпитер отстоит от Солнца на 5,20 а.е., то есть находится примерно в 5 раз дальше Земли. От Солнца до него в среднем - 778 330 000 км.
Год на Юпитере длится 11,86 земного года (примерно 12 земных лет).
Скорость движения вокруг Солнца - 13,06 км/с. В 2 с лишним раза медленней, чем у Земли.
Орбита Юпитера почти круговая (эксцентриситет - 0,048).
Угол наклона орбиты сходен с земным (отличие на 1,3 градуса). Масса Юпитера - 317,4 земной массы. Это самая массивная планета Солнечной системы. Масса столь велика, что в недрах планеты должны быть высокое давление и высокая температура (по представлениям последних лет - 35 тысяч градусов), а поэтому ядерные реакции должны идти гораздо энергичнее, чем в недрах Земли, давая дополнительное тепло. Это тепло ощущается и на периферии планеты, то есть Юпитер не довольствуется солнечным теплом, а заметно греет себя сам (выделяет в 2 раза больше тепла, чем получает от Солнца). Поэтому говорят, что Юпитер - полузвезда (звезды отличаются от планет именно большими массами, а все остальные отличия - это следствия разницы масс). Если бы Юпитер был ещё в 50 раз массивнее, он бы заметно светился собственным светом, был бы маленькой звездой, и наша Солнечная система была бы системой из двух звёзд. Такие системы из нескольких звёзд широко распространены во Вселенной (их, наверное, раз в пять больше, чем однозвёздных).
Теперь, впрочем, считается, что Юпитер отдаёт, в основном, своё исходное тепло, то есть он столь велик, что ещё не успел остыть.
Диаметр Юпитера на экваторе - 11,2 земного. При этом планета столь сильно сплюснута, что для неё всегда указывают два диаметра: экваториальный - 142 984 км, полярный - 133 708 км (недавние уточнённые данные). Сплюснутость Юпитера видна в телескоп на глаз.
Если по массе Юпитер в 317 раз больше Земли, то по объёму - в 1312 раз! Это означает, что он во много раз уступает Земле по плотности. Средняя плотность Юпитера - 1,33 г/куб.см (земная - 5,5). Юпитер лишь чуть-чуть плотнее воды! И это при огромной массе и большой силе притяжения, стискивающей недра! Причины этого - изначальный элементный состав (больше лёгких элементов) и, по некоторым данным, ядерные реакции в недрах, не дающие планете сжаться.
Из низкой средней плотности следует крайне низкая плотность периферических слоёв планеты. Это газы, которые ближе к центру планеты становятся всё гуще и гуще и постепенно переходят в аналог жидкого состояния и аналог металла. Никакой чёткой твёрдой поверхности у Юпитера нет. Слои бурлят и непрерывно перемешиваются из-за мощных конвективных потоков и взрывов.
Тем не менее, сила тяжести на периферии Юпитера лишь в 2,64 раза превосходит земную (из-за удалённости этой периферии от центра планеты).
Юпитер, как и другие планеты-гиганты, быстро вращается вокруг своей оси и делает оборот за 9 часов 55 минут, хотя по объёму грандиозен. Отсюда следует большая линейная скорость периферийных частей планеты на экваторе. Сильная сплюснутость у полюсов объясняется именно быстрым вращением.
Ось вращения почти не наклонена к плоскости эклиптики (нет смены времён года).
Освещённость Солнцем - 1/27 земной.
Температура на верхушках облаков составляет на Юпитере минус 150 градусов Цельсия. О температуре твёрдой поверхности говорить не имеет смысла.
Диск Юпитера хорошо виден даже в 20 - 30-кратную подзорную трубу. В несколько более мощный телескоп видно, что Юпитер полосат. Это в экваториальном направлении чередуются полосы различно окрашенных облаков, причём некоторые из них "разбиты" на отдельные округлые образования (вихри). Полосы и вихри изменчивы. Они вращаются с планетой, но с несколько разной скоростью. Экваториальные образования делают поворот вокруг планеты за более короткий срок, чем удалённые от экватора. Юпитер вращается не монолитно, а как жидкое тело (экватор быстрее). Иначе говоря, имеются зональные течения атмосферы с различной скоростью. Зоны и видны как полосы. На Юпитере всегда буря.
Уже 300 лет на Юпитере не исчезает один из огромных самоподдерживающихся вихрей - Красное пятно. Оно лишь чуть побледнело. Вихрь поддерживается зональными течениями и вращается чуть медленней остальной планеты (движется по ней на запад). Диаметр - в 3 раза больше Земного шара.
В атмосфере нет кислорода и воды. Считалось, что она состоит, в основном, из метана. Много также аммиака. Позднее выяснилось, что эти газы есть, но не преобладают.
В середине XX века были известны 12 спутников Юпитера, теперь - больше (см. ниже).
Новые сведения
Первый полёт к Юпитеру совершила американская станция "Пионер-10", которая достигла его окрестностей в декабре 1973 г., стартовав в марте 1972 г. Через год там побывал "Пионер-11". Получены фотографии Юпитера и четырёх его основных спутников. Открыты новые пятна, тепловое излучение планеты, мощные радиационные пояса и магнитный шлейф до орбиты Сатурна.
В 1979 г. Юпитер изучался американскими станциями "Вояджер-1" и "Вояджер-2", прошедшими соответственно в 277 500 и 650 000 км от верхушек облаков [Купер, Хенбест, 1998].
С декабря 1995 г. Юпитер изучался станцией "Галилео", ставшей его первым искусственным спутником и сбросившей в его атмосферу зонд.
Теперь считается, что Юпитер - это водородный шар. Только в самом центре есть небольшое твёрдое ядро из более тяжёлых элементов (диаметром 28 000 км и температурой около 30 000 градусов Цельсия). Далее расположены три водородных слоя: слой металлического водорода (сжатый газообразный водород приобретает черты щелочного металла и отпускает свой единственный электрон в свободное путешествие между атомами), океан из жидкого водорода (по сути - тоже сжатый газ), атмосфера с преобладанием газообразного водорода (окло 90%). В атмосфере много также лёгкого газа гелия (около 10%), а метан и аммиак есть, но их очень мало [Вселенная, 1999]. Водород и гелий - самые распространённые элементы Вселенной, такой состав характерен почти для всех звёзд.
В юпитерианской тропосфере, по-видимому, имеются слой голубоватых облаков из капелек воды и кристалликов льда, слой тёмно-оранжевых облаков из гидросульфата аммония и слой белых облаков из кристалликов аммиака. Выше расположена стратосфера [Вселенная, 1999].
Для понимания химии высоких слоёв атмосферы важен ион H3+, инициирующий ионмолекулярные реакции в разреженных газах [Василенко, Сурдин, 1997]. Он обнаружен в атмосферах планет-гигантов, выбросах сверхновой звезды 1987А и в межзвёздных облаках. С его участием возможны следующие реакции:
H2 + H2+ -> H3+ + H
H3+ + X -> H2 + XH+, где X - любая молекула с большим сродством к электрону, чем у водорода.
Полярные области Юпитера относительно тихи, хотя близ южного полюса бывают короткоживущие штормы (вихри). В умеренных областях иногда наблюдаются вихри в половину Земного шара. Тропические зоны ярки и светлы (есть высокие облака с кристалликами замёрзшего аммиака). Экваториальный пояс - самый бурный. Южное полушарие беспокойнее северного. Там на границе экваториального и тропического поясов - Красное пятно.
Красное пятно - это ураган, существующий много столетий. На высоте более 50 км над обычными облаками есть грозовые тучи длиной около 100 км. Скорость ветра - 300 км/час [Юпитер и его спутники: взгляд с "Галилео", 1997]. По другим источникам [Купер, Хенбест, 1998], столб красных облаков на 8 км превышает остальной облачный покров, а красный цвет обусловлен выделением фосфора при химических реакциях.
60 лет назад на Юпитере открыты также три белых пятна, образующих цепочку. Самое большое из них имеет диаметр 9000 км (3/4 земного диаметра). Между пятнами по 70 000 км. С 1994 по 1996 годы расстояние в одном случае сократилось до 20 000 км, так как первое пятно замедлило своё движение вокруг Юпитера. Впрочем, слипнуться эти два вихря не могут, так как вращаются в одну и ту же сторону и при дальнейшем сближении должны оттолкнуться [Что нового на Юпитере? 1998]. В общем, Юпитер бурлит.
Магнитное поле Юпитера мощнее земного и создаётся не вращением жидкого железа, а вращением слоя с металлическим водородом. Магнитосфера Юпитера в 1200 раз больше земной магнитосферы (огромные радиационные пояса). Интенсивность радиации в 10 000 раз больше, чем в земных радиационных поясах. Солнечный ветер выдувает из магнитосферы Юпитера "хвост", аналогичный земному, но размером до орбиты Сатурна.
В январе 1979 г. "Вояджером-1" обнаружено очень тонкое кольцо вокруг Юпитера (остатки небольшого распавшегося спутника).
18 - 24 июля 1994 г. (в течение 6 земных суток) Юпитер бомбила распавшаяся на части комета Шумейкеров-Леви-9 (см. главу о кометах).
В атмосфере Юпитера в январе 1998 г. открыты полярные сияния [Полярные сияния в атмосфере планет, 1999].
Спутники и кольца Юпитера
Первые 4 спутника Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто) были открыты в 1610 г. Галилеем, за что их называют Галилеевыми спутниками. Два из них больше Луны, два - чуть меньше. Изучение Галилеевых спутников помогло определить скорость света - по запаздыванию их затмений Юпитером [Гетманцев, 1955].
К середине XX века были известны 12 спутников, сейчас (в 1989 г.) - 16. Все они гораздо меньше галилеевых. Рассмотрим данные по ним, начиная с ближайших к планете. Многие сведения получены благодаря американскому аппарату "Галилео"
МЕТИДА и АДРАСТЕЯ. Оба ближайших спутника находятся примерно в 1,8 радиусах от центра планеты и своими орбитами снаружи оконтуривают тонкое и прозрачное кольцо Юпитера (в 128 и 129 тысячах км от центра планеты). От кольца ближе к Юпитеру тянется ещё более разреженное гало из мелких частиц. Видимо, спутники находятся на той грани приближения к Юпитеру, когда они могут быть разорваны его приливными силами и образовать кольца (на границе зоны Роша). Они как бы "пасут" частицы кольца, не давая им выходить за пределы их орбит. Диаметры этих тел составляют соответственно 40 и 25 - 15 км, но это весьма приближённые данные. Оборот вокруг Юпитера совершается менее, чем за треть земных суток. Открыты в 1979 г.
АМАЛЬТЕЯ. В 2,5 радиусах от центра планеты (в 131 200 км от поверхности планеты). Открыта в 1892 г. Барнардом, но сведений о ней до сих пор мало. Диаметр - 270 км (по другим данным - 270 - 150). Оборот вокруг Юпитера совершает за половину суток.
ФЕБА (или ТЕБА?). В 3,1 радиуса от планеты. Открыта в 1979 г. Диаметр порядка 100 км, но точных данных нет.
ИО. В 5,9 радиусах от центра планеты (в 422 000 км от её поверхности), оборот за 1,8 земных суток, в 3 градусах к орбите планеты, диаметром 3460 км (по последним данным - 3630 км), массой 1/83 Земли. Приливные силы Юпитера разогревают ближайший крупный спутник, в результате чего на нём непрерывно действуют вулканы, извергая сернистый газ и лаву из серной кислоты (лава вырывается вверх до 30 км фонтанами, а газы, по некоторым данным, - до 300 км) [Базилевский, 1996]. "Вояджер-1" открыл 8 одновременно действующих вулканов, а "Вояджер-2" через несколько месяцев сообщил, что шесть из них продолжают извергать лаву. Всего, как сообщалось, открыто 12 действующих вулканов. Но уже к 1998 г., в результате наблюдений станции "Галилео", были известны 32 действующих вулкана [На Ио бушуют вулканы, 1999]. Метеоритные кратеры практически отсутствуют, так как залиты лавой. Лавы выделяется столько, что за год она может покрыть всё небесное тело слоем в 1,5 см [На Ио..., 1999]. Поверхность разноцветна, это свежая или уже успевшая потемнеть лава (данные "Вояджеров"). За 17 лет после полёта "Вояджеров" отдельные районы Ио сменили цвет с ярко-красного на бледно-жёлтый (пятна величиной с Бельгию). Из глубин во время извержений выносится сера разного цвета [Юпитер и его спутники: взгляд с "Галилео", 1997]. Крупнейшее лавовое море - возле вулкана Локи - имеет поперечник 200 км. Орбита Ио находится в водородном торе (выбросы вулканов). Вулканически активные области нагреты, как указывалось ранее, не менее, чем до 300 градусов Цельсия. Измерения "Галилео" показали, что в районе кратеров температура поверхности достигает 1800 градусов Кельвина, а, значит, в недрах должна доходить до 2000 градусов Кельвина [Космический вулкан "переехал", 1998]. На Земле соответствующая температура составляет только 1600 градусов Кельвина. Ио обращена к Юпитеру одной стороной и образует два приливных горба, но, так как орбита спутника вытянутая, горбы слегка перемещаются по Ио, как бы покачиваются и разогревают недра (см. о таком "покачивании" для Луны). Как указано в заметке 1999-го года [Что нового в семействе Юпитера], вулканы и вулканические расщелины приурочены именно к этим горбам, то есть имеются в ближайшей к Юпитеру точке, а также в самой удалённой от него точке (обе точки около экватора). Потом начались извержения в районе северного полюса (вулкан Тваштар, последнее извержение в январе 2001 г.). 6 августа 2001 г. совершенно внезапно началось извержение в 600 км от Тваштара, произошёл выброс на 500 км, и "Галилео" даже пролетел через это облако. [Ещё один вулкан на Ио, 2002]. По недавним сведениям [Разнородное семейство Юпитера, 1998], Ио обладает своим собственным магнитным полем; вещество в недрах нагрето, а потому м