3.3. Планеты – гиганты

Юпитер - крупнейшая планета в Солнечной системе, известная людям с глубокой древности, что нашло своё отражение в мифологии и религиозных верованиях различных культур:месопотамской,вавилонской,греческойи других. Современное название Юпитера происходит от именидревнеримскоговерховного бога-громовержца.

Юпитер –газовый гигант. Его экваториальный радиус равен 71,4 тыс. км. Масса Юпитера в 2,47 раза превосходит массу остальных планет Солнечной системы. Юпитер – единственная планета, у которойцентр масссСолнцемнаходится вне Солнца и отстоит от него примерно на 7%солнечного радиуса. Плотность Юпитера (1326 кг/м³) примерно равна плотности Солнца, при этом сила тяжести на его поверхности, за которую обычно принимают верхний слой облаков, более чем в 2,4 раза превосходит земную. Это соответствует ускорению свободного падения 24,79 м/с² на Юпитере против 9,80 м/с² для Земли.

Среднее расстояние между Юпитером и Солнцем составляет 778,57 млн. км (5,2 а.е.), апериод обращениясоставляет 11,86 года. Посколькуэксцентриситеторбиты Юпитера 0,0488, то разность расстояния до Солнца вперигелиииафелиисоставляет 76 млн. км. Основной вклад в возмущения движения Юпитера вноситСатурн. Первого рода возмущение – вековое, действующее на масштабе ~70 тысяч лет, меняя экцентриситет орбиты Юпитера от 0,2 до 0,06, а наклон орбиты от ~1°-2°. Возмущение второго рода –резонансноес соотношением близким к 2:5. Экваториальная плоскость планеты близка к плоскости её орбиты, поэтому на Юпитере не бывает сменывремён года.

Юпитер вращается вокруг своей оси быстрее, чем любая другая планета Солнечной системы. Период вращения у экватора – 9 ч. 50 мин. 30 сек., а на средних широтах – 9 ч. 55 мин. 40 сек. Из-за быстрого вращения экваториальный радиус Юпитера (71492 км) больше полярного (66854 км) на 6,5%; таким образом, сжатие планеты составляет (1:5).

Юпитер как «неудавшаяся звезда»

Теоретические модели показывают, что если бы масса Юпитера была намного больше его реальной массы, то это привело бы к сжатию планеты. Однако если бы масса Юпитера превышала его реальную массу в четыре раза, плотность планеты возросла бы до такой степени, что под действием возросшей гравитацииразмеры планеты сильно уменьшились. Таким образом, по всей видимости, Юпитер имеет максимальный диаметр, который могла бы иметь планета с аналогичным строением и историей. С дальнейшим увеличением массы сжатие продолжалось бы до тех пор, пока в процессеформирования звездыЮпитер не стал быкоричневым карликомс массой, превосходящей его нынешнюю примерно в 50 раз. Это даёт астрономам основания считать Юпитер «неудавшейся звездой», хотя для того, чтобы стать звездой, Юпитеру потребовалось бы быть в 75 раз массивнее.

Магнитное поле и магнитосфера

Первый признак любого магнитного поля – радиоизлучение, а также рентген. Так было установлено, что магнитное поле Юпитера имеет не только дипольнуюсоставляющую, но и квадруполь, октуполь и другие гармоники более высоких порядков. Предполагается, что магнитное поле создаёт динамо-машина, проводником токов на Юпитере служит слой металлического гелия.

Ось магнитного поля наклонена к оси вращения 10,2 ± 0,6°, однако, северный магнитный полюс расположен рядом с южным географическим, а южный магнитный – с северным географическим.

Форма магнитного поля у Юпитера сильно сплюснута и напоминает диск. Центробежная сила, действующая на со-вращающуюся плазму с одной стороны и тепловое давление горячей плазмы с другой растягивают силовые линии, образуя на расстоянии 20 RJ структуру, напоминающую тонкий блин, также известную как магнитодиск. Он имеет тонкую токовую структуру вблизи магнитного экватора.

Вокруг Юпитера существует магнитосфера – область, в которой поведение заряженных частиц, плазмы, определяется магнитным полем. Для Юпитера источниками таких частиц является солнечный ветер и Ио. Вулканический пепел, выбрасываемый вулканами Ио, под действием солнечного ультрафиолета ионизуется. Так образуются ионы серы и кислорода. Эти частицы покидают атмосферу спутника, однако остаются на орбите вокруг него, образуя тор. Этот тор был открыт аппаратом «Вояджер-1». Именно он принципиально меняет динамику магнитосферы Юпитера.

Захваченные магнитным полем ионы солнечного ветра на схеме показаны красным цветом, пояс нейтрального вулканического газа Ио– зелёным и пояс нейтрального газаЕвропы– синим. Набегающий солнечный ветер уравновешивается давлением магнитного поля на расстояния в 50-100 радиусов планеты, без влияния Ио это расстояние было бы не более 42 RJ. На ночной стороне он протягивается за орбитуСатурна, достигая в длину 650 млн. км и более. Ускоренные в магнитосфере Юпитераэлектроныдостигают Земли.

Юпитер обладает мощными радиационными поясами. При сближении с Юпитером «Галилео» получил дозу радиации, в 25 раз превышающую смертельную дозу для человека. Излучение радиационного пояса Юпитера в радиодиапазоне впервые было обнаружено в 1955 году. Электроны в радиационных поясах обладают огромной энергией, составляющей около 20МэВ, при этом зондом «Кассини» было обнаружено, что плотность электронов в радиационных поясах Юпитера ниже, чем ожидалось. Вообще, радиоизлучение Юпитера не является строго однородным и постоянным. Средняя частота такого излучения, по данным исследований, составляет порядка 20 МГц, а весь диапазон частот от 5-10 до 39,5 МГц. Юпитер окружёнионосферойпротяжённостью 3000 км.

Полярные сияния на Юпитере

Структура полярных сияний на Юпитере: показано основное кольцо, полярное излучение и пятна, возникшие как результат взаимодействия с естественными спутниками Юпитера.

Юпитер демонстрирует яркие устойчивые сияния вокруг обоих полюсов. Полярные сияния Юпитера являются постоянными, хотя их интенсивность меняется изо дня в день. Выбросы полярных сияний были обнаружены почти во всех частях электромагнитного спектра от радиоволн до рентгеновских лучей (до 3 кэВ), однако они наиболее ярки в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны 3-4 мкм и 7-14 мкм) и глубокой ультрафиолетовой области спектра (длина волны 80-180 нм).

Положение основных авроральных колец устойчиво, как и их форма. Однако их излучение сильно модулируется давлением солнечного ветра, чем сильнее ветер, тем слабее полярные сияния. Стабильность сияний поддерживается большим притоком электронов, ускоряемых за счёт разности потенциалов между ионосферой и магнитодиском. Эти электроны порождает ток, который поддерживает синхронность вращения в магнитодиске. Энергия этих электронов 10-100 кэВ; проникая глубоко внутрь атмосферы, они ионизируют и возбуждают молекулярный водород, вызывая ультрафиолетовое излучение. Кроме того, они разогревают ионосферу, чем объясняется сильное инфракрасное излучение полярных сияний и частично нагрев термосферы.

Орбитальным телескопом «Чандра» в декабре 2000 года на полюсах Юпитера (главным образом, на северном полюсе) обнаружен источник пульсирующегорентгеновского излучения, названныйБольшим рентгеновским пятном. Причины этого излучения пока представляют загадку.

Структура

Модель внутренней структуры Юпитера: под облаками – слой смеси водорода и гелия толщиной около 21 тыс. км с плавным переходом от газообразной к жидкой фазе, затем – слой жидкого и металлического водорода глубиной 30-50 тыс. км. Внутри может находиться твёрдое ядро диаметром около 20 тыс. км.

На данный момент наибольшее признание получила следующая модель внутреннего строения Юпитера:

1. Атмосфера. Её делят на три слоя:

   1. внешний слой, состоящий из водорода;

   2. средний слой, состоящий из водорода (90%) и гелия(10%);

   3. нижний слой, состоящий из водорода, гелия и примесей аммиака, гидросульфатааммонияиводы, образующих три слоя облаков:

• облака из оледеневшего аммиака (NH₃). Его температура составляет около −145°C, давление — около 1 атм.;

• облака кристаллов гидросульфида аммония (NH₄HS);

• водяной лёд и, возможно, жидкая водав виде мельчайших капель.Давлениев этом слое составляет около 1 атм., температура примерно −130°C (143К). Ниже этого уровня планета непрозрачна.

2. Слой металлического водорода. Температура этого слоя меняется от 6300 до 21000 К, а давление от 200 до 4000 ГПа.

3. Каменное ядро.

В рамках этой простой трёхслойной модели чёткой границы между основными слоями не существует, однако и области фазовых переходов невелики. Следовательно, можно сделать допущение, что почти все процессы локализованы, и это позволяет каждый слой рассматривать отдельно.

Атмосфера

Температура в атмосфере не растёт монотонно. В ней можно выделить экзосферу, термосферу, стратосферу, тропопаузу, тропосферу. В самых верхних слоях температура велика; по мере продвижения вглубь давление растёт, а температура падает до тропопаузы; начиная с тропопаузы, и температура, и давление растут по мере продвижения вглубь.

В термосфере Юпитера происходит довольно много интересных процессов: именно здесь планета теряет излучением значительную часть своего тепла, именно здесь формируются полярные сияния, именно тут формируется ионосфера. Наблюдаемая температура термосферы 800-1000 К. Охлаждение Юпитера тоже нетривиальный процесс: трёхатомный ион водорода(H3+), кроме Юпитера найденный только на Земле, вызывает сильную эмиссию в средней инфракрасной части спектра на длинах волн между 3 и 5 мкм.

Согласно непосредственным измерениям спускаемого аппарата, верхний уровень непрозрачных облаков характеризовался давлением в 1 атмосферу и температурой – 107 °C; на глубине 146 км – 22 атмосферы, +153 C. Также «Галилео» обнаружил «тёплые пятна» вдоль экватора. По-видимому, в этих местах слой внешних облаков тонок, и можно видеть более тёплые внутренние области.

Под облаками находится слой глубиной 7-25 тыс. км, в котором водород постепенно изменяет своё состояние от газа к жидкости с увеличением давления и температуры (до 6000 °C). Чёткой границы, отделяющей газообразный водород от жидкого, по-видимому, не существует. Это может выглядеть примерно как непрерывное кипение глобального водородного океана.

Металлический водород возникает при больших давлениях (около миллиона атмосфер) и высоких температурах, когда кинетическая энергия электронов превышает потенциал ионизации водорода. В итоге протоны и электроны в нём существуют раздельно, поэтому металлический водород является хорошим проводником электричества. Предполагаемая толщина слоя металлического водорода примерно 42-46 тыс.км.

Мощные электротоки, возникающие в этом слое, порождают гигантское магнитное поле Юпитера. В 2008 году была создана модель строения Юпитера, согласно которой в его недрах находится также металлический гелий, образующий своеобразный сплав с металлическим водородом.

С помощью измеренных моментов инерции планеты можно оценить размер и массу её ядра. На данный момент считается, что масса ядра примерно 10 масс Земли, а размер около 1,5 её диаметра.

Юпитер выделяет существенно больше энергии, чем получает её от Солнца. Исследователи предполагают, что Юпитер обладает значительным запасом тепловой энергии, образовавшимся в процессе сжатия материи при формировании планеты.

Различие в содержании гелия во внешних и во внутренних слоях объясняют тем, что гелий конденсируется в атмосфере и в виде капель попадает в более глубокие области. Данное явление напоминает земной дождь, но только не из воды, а из гелия. Недавно было показано, что в этих каплях может растворяться неон. Тем самым объясняется и недостаток неона.

Химический состав внутренних слоёв Юпитера невозможно определить современными методами наблюдений, однако обилие элементов во внешних слоях атмосферы известно с относительно высокой точностью. Два основных компонента атмосферы Юпитера – молекулярный водород и гелий. Атмосфера содержит также немало простых соединений, например: воду,метан(CH4),сероводород(H2S),аммиак(NH3) ифосфин(PH3). Их количество в глубокой тропосфере подразумевает, что атмосфера Юпитера богатауглеродом,азотом,серойи, возможно,кислородом. Другие химические соединения,арсин(AsH3) игерман(GeH4), присутствуют, но в незначительных количествах. Концентрация инертных газов,аргона,криптонаиксенона, превышает их количество на Солнце, а концентрациянеонаявно меньше. Присутствует незначительное количество простыхуглеводородов:этана,ацетиленаидиацетилена, которые формируются под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации и заряженных частиц, прибывающих из магнитосферы Юпитера.Диоксид углерода,моноксид углеродаи вода в верхней части атмосферы, как полагают, своим присутствием обязаны столкновениям с атмосферой Юпитера комет, таких, например, как кометаШумейкеров-Леви. Вода не может прибывать из тропосферы, потому чтотропопауза, действующая как холодная ловушка, эффективно препятствует поднятию воды до уровнястратосферы.

Красноватые вариации цвета Юпитера могут объясняться наличием соединений фосфора, серы и углерода в атмосфере. Поскольку цвет может сильно варьироваться, предполагается, что химический состав атмосферы также различен в разных местах. Например, имеются «сухие» и «мокрые» области с разным содержанием водяного пара.

Скорость ветров на Юпитере может превышать 600 км/ч. На Юпитере воздействие солнечной радиациина температурную циркуляцию незначительно; главными движущими силами являются потоки тепла, идущие из центра планеты, и энергия, выделяемая при быстром движении Юпитера вокруг своей оси.

Поднимающиеся из глубин атмосферы нагретые массы газов в зонах под действием значительных на Юпитере кориолисовых силвытягиваются вдольмеридиановпланеты, причём противоположные края зон движутся навстречу друг другу. На границах зон и поясов (области нисходящих потоков) присутствует сильная турбулентность. Севернее экватора потоки в зонах, направленные к северу, отклоняются кориолисовыми силами к востоку, а направленные к югу – к западу. В южном полушарии – соответственно, наоборот.

Характерной особенностью внешнего облика Юпитера являются его полосы. Существует ряд версий, объясняющих их происхождение. Так, по одной из версий, полосы возникали в результате явления конвекции в атмосфере планеты-гиганта за счёт подогрева, и, как следствие, поднятия одних слоёв, и охлаждения и опускания вниз других. Весной 2010 года учёными была выдвинута гипотеза, согласно которой полосы на Юпитере возникли в результате воздействия его спутников. Предполагается, что под влиянием притяжения спутников на Юпитере сформировались своеобразные «столбы» вещества, которые, вращаясь, и сформировали полосы.

Конвективные потоки, выносящие внутреннее тепло к поверхности, внешне проявляются в виде светлых зон и тёмных поясов. В области светлых зон отмечается повышенное давление, соответствующее восходящим потокам. Облака, образующие зоны, располагаются на более высоком уровне (примерно на 20 км), а их светлая окраска объясняется, видимо, повышенной концентрацией ярко-белых кристаллов аммиака. Располагающиеся ниже тёмные облака поясов состоят, предположительно, из красно-коричневых кристаллов гидросульфида аммония и имеют более высокую температуру. Эти структуры представляют области нисходящих потоков. Зоны и пояса имеют разную скорость движения в направлении вращения Юпитера. Период обращения колеблется на несколько минут в зависимости от широты. Это приводит к существованию устойчивых зональных течений или ветров, постоянно дующих параллельно экватору в одном направлении. Скорости в этой глобальной системе достигают от 50 до 150 м/с и выше. На границах поясов и зон наблюдается сильнаятурбулентность, которая приводит к образованию многочисленных вихревых структур. Наиболее известным таким образованием являетсяБольшое красное пятно, наблюдающееся на поверхности Юпитера в течение последних 300 лет.

Возникнув, вихрь поднимает на поверхность облаков нагретые массы газа с пара́ми малых компонентов. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиакав виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере, пока не достигают уровней, на которых температура достаточна высока, и испаряются. После чего вещество в газообразном состоянии снова возвращается в облачный слой.

Большое красное пятно – овальное образование изменяющихся размеров, расположенное в южной тропической зоне. Было открытоРобертом Гукомв1664 году. В настоящее время оно имеет размеры 15×30 тыс., а 100 лет назад наблюдатели отмечали в 2 раза бо́льшие размеры. Большое красное пятно – это уникальный долгоживущий гигантскийураган, вещество в котором вращается против часовой стрелки и совершает полный оборот за 6 земных суток.

Благодаря исследованиям, проведённым в конце 2000 года зондом «Кассини», было выяснено, что Большое красное пятно связано с нисходящими потоками (вертикальная циркуляция атмосферных масс); облака здесь выше, а температура ниже, чем в остальных областях. Скорость вращения Большого красного пятна составляет 360 км/ч. Его средняя температура составляет −163°C.

Время от времени на Юпитере наблюдаются столкновения больших циклонических систем. Одно из них произошло в 1975 году, в результате чего красный цвет Пятна поблёк на несколько лет. В конце февраля 2002 года ещё один гигантский вихрь (Белый овал) начал тормозиться Большим красным пятном, и столкновение продолжалось целый месяц. Однако оно не нанесло серьёзного ущерба обоим вихрям, так как произошло по касательной.

Красный цвет Большого красного пятна представляет собой загадку. Одной из возможных причин могут быть химические соединения, содержащие фосфор. Фактически цвета и механизмы, создающие вид всей юпитерианской атмосферы, до сих пор ещё плохо поняты и могут быть объяснены только при прямых измерениях её параметров.

Модели формирования и эволюции

Существуют две основные гипотезы, объясняющие процессы возникновения и формирования Юпитера.

Согласно первой гипотезе, получившей название гипотезы «контракции», относительное сходство химического состава Юпитера и Солнца (большая доля водорода и гелия) объясняется тем, что в процессе формирования планет на ранних стадиях развитияСолнечной системыв газопылевом диске образовались массивные «сгущения», давшие начало планетам, т.е. Солнце и планеты формировались схожим образом. Правда, эта гипотеза не объясняет всё-таки имеющиеся различия в химическом составе планет: Сатурн, например, содержит больше тяжёлых химических элементов, чем Юпитер, а тот, в свою очередь, больше, чем Солнце. Планеты же земной группы вообще разительно отличаются по своему химическому составу от планет-гигантов.

Вторая гипотеза (гипотеза «аккреции») гласит, что процесс образования Юпитера, а также Сатурна, происходил в два этапа. Сначала в течение нескольких десятков миллионов лет шёл процесс формирования твёрдых плотных тел, наподобие планет земной группы. Затем начался второй этап, когда на протяжении нескольких сотен тысяч лет длился процесс аккрециигаза из первичного протопланетного облака на эти тела, достигшие к тому моменту массы в несколько масс Земли. Ещё на первом этапе из области Юпитера и Сатурна диссипировала часть газа, что повлекло за собой некоторые различия в химическом составе этих планет и Солнца. На втором этапе температура наружных слоёв Юпитера и Сатурна достигала 5000 °C и 2000 °C соответственно. Уран и Нептун же достигли критической массы, необходимой для начала аккреции, гораздо позже, что повлияло как на их массы, так и на химический состав.

В 2004 году Катариной Лоддерс из Университета Вашингтонабыла выдвинута гипотеза о том, что ядро Юпитера состоит в основном из некоего органического вещества, обладающего клеящими способностями, что, в свою очередь, в немалой степени повлияло на захват ядром вещества из окружающей области пространства. Образовавшееся в результате каменное-смоляное ядро силой своего притяжения «захватило» газ из солнечной туманности, сформировав современный Юпитер. Эта идея вписывается во вторую гипотезу о возникновении Юпитера путём аккреции.

В инфракрасной области спектра лежат линии молекул H2иHe, а также линии множества других элементов. Количество первых двух несёт информацию о происхождении планеты, а количественный и качественный состав остальных – о её внутренней эволюции.

Что же касается остальных элементов, то при их анализе и интерпретации тоже возникают трудности. Пока что нельзя с полной уверенностью сказать, какие процессы происходят в атмосфере Юпитера и насколько сильно они влияют на химический состав слоёв. Это создаёт определённые трудности при более детальной интерпретации спектра. Однако считается, что все процессы, способные тем или иным образом влиять на обилие элементов, локальны и сильно ограничены, так что они не способны глобально изменить распределения вещества.

Также Юпитер излучает (в основном в инфракраснойобласти спектра) на 60% больше энергии, чем получает от Солнца. За счёт процессов, приводящих к выработке этой энергии, Юпитер уменьшается приблизительно на 2 см в год.

Излучение Юпитера в гамма-диапазоне связано с полярным сиянием, а также с излучением диска. Впервые зарегистрировано в 1979 году космической лабораторией имени Эйнштейна. Область рентгеновских полярных сияний расположена гораздо ближе к полюсу, чем ультрафиолетовых. Гамма-излучение, не связанное с полярным сиянием, впервые было обнаружено при наблюдениях в 1997 году.

Наблюдения космической обсерватории показали, что эти излучения – отражённое солнечное рентгеновское излучение. В отличие от полярных сияний, никакой периодичности изменения интенсивности излучения на масштабах от 10 до 100 мин обнаружено не было.

Юпитер – самый мощный (после Солнца) радиоисточник Солнечной системы в дециметровом-метровом диапазонах длин волн.Всплески происходят в диапазоне частот от 5 до 43 МГц (чаще всего около 18 МГц), в среднем их ширина составляет примерно 1 МГц. Длительность всплеска невелика: от 0,1-1 с (иногда до 15 с). Излучение сильно поляризовано, особенно по кругу, степень поляризации достигает 100%. Радиоизлучение Юпитера в миллиметровом – короткосантиметровом диапазонах имеет чисто тепловой характер, хотя яркостная температура несколько выше равновесной, что предполагает поток тепла из недр.

Спутники и кольца

Юпитер имеет, по крайней мере, 63 спутника, самые крупные из которых –Ио,Европа,ГанимедиКаллисто– были открытыГалилео Галилеемв1610 году.

По данным на декабрь 2005 года, у Юпитера известно максимальное значение для Солнечной системы количество спутников. Общий диаметр всей системы спутников Юпитера составляет 24 млн. км. Более того, предполагается, что в прошлом спутников у Юпитера было ещё больше, но некоторые из них упали на планету под воздействием её мощной гравитации.

Спутникам даны в основном имена различных мифических персонажей, так или иначе связанных с Зевсом-Юпитером. Спутники разделяют на две большие группы – внутренние (8 спутников, галилеевы и негалилеевы внутренние спутники) и внешние (55 спутников, также подразделяются на две группы).

Наибольший интерес представляет Европа, обладающая глобальным океаном, в котором не исключено наличие жизни. Специальные исследования показали, что океан простирается вглубь на 90 км, его объём превосходит объём земного Мирового океана. Поверхность Европы испещрена разломами и трещинами, возникшими в ледяном панцире спутника. Высказывалось предположение, что источником тепла для Европы служит именно сам океан, а не ядро спутника. Основываясь на предположении о том, что за 1-2 млрд. лет кислород мог проникнуть в подлёдный океан, учёные теоретически предполагают наличие жизни на спутнике. Содержаниекислородав океане Европы достаточно для поддержания существования не только одноклеточных форм жизни, но и более крупных. Этот спутник занимает второе место по возможности возникновения жизни послеЭнцелада.

Ио интересен наличием мощных действующих вулканов; поверхность спутника залита продуктами вулканической активности. На фотографиях, сделанных космическими зондами, видно, что поверхность Ио имеет ярко-жёлтую окраску с пятнами коричневого, красного и тёмно-жёлтого цветов. Эти пятна – продукт извержений вулканов Ио, состоящих преимущественно из серы и её соединений; цвет извержений зависит от их температуры.

Ганимедявляется самым большим спутником не только Юпитера, но и вообще в Солнечной системе среди всех спутников планет. Ганимед и Каллисто покрыты многочисленными кратерами, на Каллисто многие из них окружены трещинами.

На Каллисто, как предполагается, также есть океан под поверхностью спутника; на это косвенно указывает магнитное поле Каллисто, которое может быть порождено наличием электрических токов в солёной воде внутри спутника. Также в пользу этой гипотезы свидетельствует тот факт, что магнитное поле у Каллисто меняется в зависимости от его ориентации на магнитное поле Юпитера, то есть существует высокопроводящая жидкость под поверхностью данного спутника.

Все крупные спутники Юпитера вращаются синхронно и всегда обращены к Юпитеру одной и той же стороной вследствие влияния мощных приливных силпланеты-гиганта. При этом Ганимед, Европа и Ио находятся друг с другом ворбитальном резонансе4:2:1. К тому же среди спутников Юпитера существует закономерность: чем дальше спутник от планеты, тем меньше его плотность (у Ио – 3,53 г/см³, Европы – 2,99 г/см³, Ганимеда – 1,94 г/см³, Каллисто – 1,83 г/см³). Это зависит от количества воды на спутнике: на Ио её практически нет, на Европе – 8%, на Ганимеде и Каллисто – до половины их массы.

Остальные спутники намного меньше и представляют собой скалистые тела неправильной формы. Среди них есть обращающиеся в обратную сторону. Из числа малых спутников Юпитера немалый интерес для учёных представляет Амальтея: как предполагается, внутри неё существует система пустот, возникших в результате имевшей место в далёком прошлом катастрофы – из-за метеоритной бомбардировки Амальтея распалась на части, которые затем вновь соединились под действием взаимной гравитации, но так и не стали единым монолитным телом.

МетидаиАдрастея– ближайшие спутники к Юпитеру с диаметрами примерно 40 и 20 км соответственно. Они движутся по краю главного кольца Юпитера по орбите радиусом 128 тысяч км, делая оборот вокруг Юпитера за 7 часов и являясь при этом самыми быстрыми спутниками Юпитера.

Спутники Юпитера, чьи названия заканчиваются на «е» – Карме,Синопе,Ананке,Пасифеи другие – обращаются вокруг планеты в обратном направлении (ретроградное движение) и, по предположениям учёных, образовались не вместе с Юпитером, а были захвачены им позже.

Некоторые кометы представляют собой временные луны Юпитера. Так, в частности, комета Кусиды — Мурамацув период с 1949 по 1961 гг. была спутником Юпитера, совершив за это время вокруг планеты два оборота.

Кольца Юпитера

УЮпитера имеютсяслабые кольца, обнаруженные в 1979 году. Кольца оптически тонки. Всего колец три: одно главное, «паутинное» и гало.

Главное кольцо простирается от 122 500 до 129 230 км от центра Юпитера. Внутри главное кольцо переходит в тороидальное гало, а снаружи контактирует с паутинным.

Наблюдаемое прямое рассеяние излучения в оптическом диапазоне характерно для пылевых частиц микронного размера. Однако пыль в окрестности Юпитера подвергается мощным негравитационным возмущениям, из-за этого время жизни пылинок 103±1 лет. Это означает, что должен быть источник этих пылинок. На роль подобных источников подходят два малых спутника, лежащих внутри главного кольца – МетидаиАдрастея. Сталкиваясь сметеороидами, они порождают рой микрочастиц, которые впоследствии распространяются по орбите вокруг Юпитера. Наблюдения паутинного кольца выявили два отдельных пояса вещества, берущих начало на орбитахФивыиАмальтеи. Структура этих поясов напоминает строение зодиакальных пылевых комплексов.

Столкновения небесных тел с Юпитером

В июле 1992 года к Юпитеру приблизилась комета. Она прошла на расстоянии около 15 тысяч километров от верхней границы облаков, и мощное гравитационное воздействие планеты-гиганта разорвало еёядрона 17 больших частей. Этот кометный рой был обнаружен наобсерватории Маунт-Паломарсупругами Шумейкерами и астрономом-любителем Леви. В 1994 году, при следующем сближении с Юпитером, все обломки кометы врезались в атмосферу планеты с огромной скоростью – около 64 километров в секунду. Этот грандиозный космический катаклизм наблюдался как с Земли, так и с помощью космических средств, в частности, с помощью космического телескопа «Хаббл»,спутника IUEи межпланетной космической станции «Галилео». Падение ядер сопровождалось вспышками излучения в широком спектральном диапазоне, генерацией газовых выбросов и формированием долгоживущих вихрей, изменением радиационных поясов Юпитера и появлением полярных сияний, ослаблением яркости плазменного тораИов крайнем ультрафиолетовом диапазоне.

19 июля2009 годаастроном-любитель Энтони Уэсли обнаружилтёмное пятнов районе Южного полюса Юпитера. В дальнейшем эту находку подтвердили вобсерватории КекнаГавайях. Анализ полученных данных указал, что наиболее вероятным телом упавшим в атмосферу Юпитера был каменный астероид.

3 июня2010 годадва независимых наблюдателя засняли вспышку над атмосферой Юпитера, что, скорее всего, является падением нового, ранее неизвестного тела на Юпитер. 16 июня 2010 годаНАСАопубликовало пресс-релиз, в котором сообщается, что на снимках, полученных на космическом телескопе «Хаббл» 7 июня 2010 года (через 4 суток после фиксирования вспышки), не обнаружены признаки падения в верхних слоях атмосферы Юпитера.

20 августа2010 года произошла вспышка над облачным покровом Юпитера, которую обнаружил японский астроном-любитель. На следующий день после объявления о данном событии нашлось подтверждение от независимого наблюдателя – любителя астрономии из Токио. Предположительно, это могло быть падение астероида или кометы в атмосферу планеты-гиганта.

Сатурн – вторая по размерам планета в Солнечной системе после Юпитера. Назван в честь римского бога земледелия. Сатурн относится к типу газовых планет: он состоит в основном из газов и не имеет твёрдой поверхности. Экваториальный радиус планеты равен 60 300 км, полярный радиус – 54 400 км; из всех планет Солнечной системы Сатурн обладает наибольшим сжатием. Масса планеты в 95 раз превышает массу Земли, однако средняя плотность Сатурна составляет всего 0,69 г/см³, что делает его единственной планетой Солнечной системы, чья средняя плотность меньше плотности воды.

Среднее расстояние между Сатурном и Солнцем составляет 1430 млн. км (9,58 а. е.). Двигаясь со средней скоростью 9,69 км/с, Сатурн обращается вокруг Солнца за 10 759 дней (примерно 29,5 лет).

В качестве продолжительности оборота Сатурна вокруг оси принята величина 10 часов, 34 минуты и 13 секунд. Точная величина периода вращения внутренних частей планеты остаётся трудноизмеряемой. Когда аппарат «Кассини» достиг Сатурна в 2004 году, было обнаружено, что согласно наблюдениям радиоизлучения длительность оборота внутренних частей составляет приблизительно 10 ч 45 мин 45 с (± 36 с).

Происхождение Сатурна объясняют две основные гипотезы. Согласно гипотезе «контракции», состав Сатурна, схожий с Солнцем (большая доля водорода), и, как следствие, малую плотность можно объяснить тем, что в процессе формирования планет на ранних стадиях развития Солнечной системы в газопылевом диске образовались массивные «сгущения», давшие начало планетам, то есть Солнце и планеты формировались схожим образом. Тем не менее, эта гипотеза не может объяснить различия состава Сатурна и Солнца.

Гипотеза «аккреции» гласит, что процесс образования Сатурна происходил в два этапа. Сначала в течение 200 миллионов лет шёл процесс формирования твёрдых плотных тел, наподобие планет земной группы. Во время этого этапа из области Сатурна диссипировала часть газа, что затем повлияло на различие в химическом составе Сатурна и Солнца. Затем начался второй этап, когда самые крупные тела достигли удвоенной массы Земли. На протяжении нескольких сотен тысяч лет длился процесс аккреции газа на эти тела из первичного протопланетного облака. На втором этапе температура наружных слоёв Сатурна достигала 2000 °C.

Внутреннее строение Сатурна

В основном Сатурн состоит из водорода, с примесями гелия и следами воды, метана, аммиака и тяжёлых элементов. Внутренняя область представляет собой небольшое ядро из железа, никеля и льда, покрытое тонким слоем металлического водорода и газообразным внешним слоем. Внешняя атмосфера планеты кажется из космоса спокойной и однородной, хотя иногда на ней появляются долговременные образования. Скорость ветра на Сатурне может достигать местами 1800 км/ч.

В глубине атмосферы Сатурна растут давление и температура, и водород постепенно переходит в жидкое состояние, однако этот переход является постепенным. На глубине около 30 тыс. км водород становится металлическим (а давление достигает около 3 миллионов атмосфер). Циркуляция электротоков в металлическом водороде создаёт магнитное поле. В центре планеты находится массивное ядро из тяжёлых материалов – камня, железа и, предположительно, льда. Температура ядра достигает 11 700 °C, а энергия, которую оно излучает в космос, в 2,5 раза больше энергии, которую Сатурн получает от Солнца. Значительная часть этой энергии генерируется за счёт механизма Кельвина – Геймгольца, который заключается в том, что когда температура планеты падает, то падает и давление в ней. В результате она сжимается, а потенциальная энергия её вещества переходит в тепло. При этом, однако, было показано, что этот механизм не может являться единственным источником энергии планеты. Предполагается, что дополнительная часть тепла создаётся за счёт конденсации и последующего падения капель гелия через слой водорода (менее плотный, чем капли) вглубь ядра. Результатом является переход потенциальной энергии этих капель в тепловую. По оценкам, область ядра имеет диаметр приблизительно 25 000 км.

Структура магнитосферы Сатурна

Магнитное поле Сатурна создается за счёт эффекта динамо при циркуляции металлического водорода во внешнем ядре. Магнитное поле является почти дипольным с северным и южным магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в северном полушарии, а южный – в южном. Магнитный диполь Сатурна жёстко связан с его осью вращения, поэтому магнитное поле очень асимметрично. Диполь несколько смещён вдоль оси вращения Сатурна к северному полюсу.

Внутреннее магнитное поле Сатурна отклоняет солнечный ветер от поверхности планеты, предотвращая его взаимодействие с атмосферой, и создаёт область, называемую магнитосферой и наполненную плазмой совсем иного вида, чем плазма солнечного ветра. Магнитосфера Сатурна – вторая по величине магнитосфера в Солнечной системе после Юпитера. Граница между солнечным ветром и магнитосферой называется магнитопаузой. Расстояние от магнитопаузы до центра планеты (по прямой Солнце — Сатурн) варьируется от 16 до 27 Rs (Rs = 60 330 км – экваториальный радиус Сатурна). Расстояние зависит от давления солнечного ветра, который зависит от солнечной активности. Среднее расстояние до магнитопаузы составляет 22 Rs. С другой стороны планеты солнечный ветер растягивает магнитное поле Сатурна в длинный магнитный хвост.

Магнитосфера Сатурна открыта космическим аппаратом «Пионер-11» в 1979 году. Магнитосфера Сатурна наполнена плазмой, продуцируемой планетой и её спутниками. Среди спутников наибольшую роль играет Энцелад, гейзеры которого ежесекундно выбрасывают около 300-600 кг водяного пара, часть которого ионизируется магнитным полем Сатурна. Взаимодействие между магнитосферой Сатурна и солнечным ветром генерирует яркие овалы полярного сияния вокруг полюсов планеты, наблюдаемые в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном свете.

Атмосфера и строение

Верхние слои атмосферы Сатурна состоят на 96,3 % из водорода (по объёму) и на 3,25 % − из гелия. Имеются примеси метана, аммиака, фосфина, этана и некоторых других газов. Облака нижней части атмосферы состоят из гидросульфида аммония или воды.

По данным «Вояджеров», на Сатурне дуют сильные ветры, аппараты зарегистрировали скорости воздушных потоков 500 м/с. Ветры дуют в основном в восточном направлении (по направлению осевого вращения). Их сила ослабевает при удалении от экватора; при удалении от экватора появляются также и западные атмосферные течения. Ряд данных указывают, что циркуляция атмосферы происходит не только в слое верхних облаков, но и на глубине, по крайней мере, до 2 тыс. км. Кроме того, измерения «Вояджера-2» показали, что ветры в южном и северном полушариях симметричны относительно экватора. Есть предположение, что симметричные потоки как-то связаны под слоем видимой атмосферы.

Британские астрономы обнаружили в атмосфере Сатурна новый тип полярного сияния, которое образует кольцо вокруг одного из полюсов планеты.

В атмосфере Сатурна иногда появляются устойчивые образования, представляющие собой сверхмощные ураганы. Гигантский «Большой белый овал» появляется на Сатурне примерно один раз в 30 лет, в последний раз он наблюдался в 1990 году (менее крупные ураганы образуются чаще).

12 ноября 2008 года камеры станции «Кассини» получили изображения северного полюса Сатурна в инфракрасном диапазоне. На них исследователи обнаружили полярные сияния, подобные которым не наблюдались ещё ни разу в Солнечной системе. Также данные сияния наблюдались в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. Полярные сияния представляют собой яркие непрерывные кольца овальной формы, окружающие полюс планеты. Кольца располагаются на широте, как правило, в 70-80°. Южные кольца располагаются на широте в среднем 75 ± 1°, а северные – ближе к полюсу примерно на 1,5°, что связано с тем, что в северном полушарии магнитное поле несколько сильнее. Иногда кольца становятся спиральной формы вместо овальной.

В отличие от Юпитера полярные сияния Сатурна не связаны с неравномерностью вращения плазменного слоя во внешних частях магнитосферы планеты. Предположительно, они возникают из-за магнитного пересоединения под действием солнечного ветра. Форма и вид полярных сияний Сатурна сильно меняются с течением времени. Их расположение и яркость сильно связаны с давлением солнечного ветра: чем оно больше, тем сияния ярче и ближе к полюсу. Среднее значение мощности полярного сияния составляет 50 ГВт в ультрафиолетовом диапазоне и 150-300 ГВт в инфракрасном диапазоне.

28 декабря 2010 года «Кассини» сфотографировал шторм, напоминающий сигаретный дым. Ещё один, особенно мощный шторм, был зафиксирован 20 мая 2011 года

Облака на северном полюсе Сатурна образуют шестиугольник – гигантский гексагон. Впервые это обнаружено во время пролётов «Вояджера» около Сатурна в 1980-х годах, подобное явление никогда не наблюдалось ни в одном другом месте Солнечной системы. Шестиугольник располагается на широте 78°, и каждая его сторона составляет приблизительно 13 800 км, то есть больше диаметра Земли. Период его вращения составляет 10 часов 39 минут. Если южный полюс Сатурна с его вращающимся ураганом не кажется странным, то северный полюс можно считать гораздо более необычным. Этот период совпадает с периодом изменения интенсивности радиоизлучения, который в свою очередь принят равным периоду вращения внутренней части Сатурна.

Шестиугольник оставался стабильным все 20 лет после полёта «Вояджера» и сохранял свою структуру облаков во время их вращения. Предполагается, что в районе гексагона имеется значительная неравномерность облачности. Области, в которых облачность практически отсутствует, имеют высоту до 75 км.

Полного объяснения этого явления пока нет, однако учёным удалось провести эксперимент, который довольно точно смоделировал эту атмосферную структуру.

Спутники Сатурна

По состоянию на февраль 2010 г. известно 62 спутника Сатурна. 12 из них открыты при помощи космических аппаратов: «Вояджер-1» (1980), «Вояджер-2» (1981), «Кассини» (2004-2007). Большинство спутников, кроме Гипериона и Фебы, имеет синхронное собственное вращение — они повёрнуты к Сатурну всегда одной стороной.

Крупнейшие спутники – Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Титан и Япет – были открыты к 1789 году, однако и по сегодняшний день остаются основными объектами исследований. Диаметры этих спутников варьируются в пределе от 397 (Мимас) до 5150 км (Титан), большая полуось орбиты от 186 тыс. км (Мимас) до 3561 тыс. км (Япет). Распределение по массам соответствует распределению по диаметрам. Наибольшим эксцентриситетом орбиты обладает Титан, наименьшим – Диона и Тефия. Все спутники c известными параметрами находятся выше синхронной орбиты, что приводит к их постепенному удалению.

Самый крупный из спутников – Титан. Также он является вторым по величине в Солнечной системе в целом, после спутника Юпитера Ганимеда. Титан состоит примерно наполовину из водяного льда и наполовину – из скальных пород. Такой состав схож с некоторыми другими крупными спутниками газовых планет, но Титан сильно отличается от них составом и структурой своей атмосферы, которая преимущественно состоит из азота, также имеется небольшое количество метана и этана, которые образуют облака. Также для Титана доказано существование жидкости на поверхности и возможность возникновения простейших организмов не исключается учёными.

Другие основные спутники также имеют характерные особенности. Так, Япет имеет два полушария с разным альбедо (0,03-0,05 и 0,5 соответственно). Поэтому, когда Джованни Кассини открыл данный спутник, то обнаружил, что он виден только тогда, когда он находится по определённую сторону от Сатурна. Ведущее и заднее полушария Дионы и Реи также имеют свои отличия. Ведущее полушарие Дионы сильно кратерировано и однородно по яркости. Заднее полушарие содержит тёмные участки, а также паутину тонких светлых полосок, являющихся ледяными хребтами и обрывами. Отличительной особенностью Мимаса является огромный ударный кратер Гершель диаметром 130 км. Аналогично Тефия имеет кратер Одиссей диаметром 400 км. Энцелад согласно изображениям «Вояджер-2» имеет поверхность с участками разного геологического возраста, массивными кратерами средних и высоких северных широт и незначительными кратерами ближе к экватору.

Кольца Сатурна

Кольца Сатурна расположены под углом приблизительно 28° к плоскости эклиптики. Как предполагал ещё Гюйгенс, кольца не являются сплошным твёрдым телом, а состоят из миллиардов мельчайших частиц, находящихся на околопланетной орбите. Это было доказано спектрометрическими наблюдениями А. А. Белопольского в Пулковской обсерватории в 1895-1896 гг.

Существует три основных кольца и четвёртое – более тонкое. Все вместе они отражают больше света, чем диск самого Сатурна. Три основных кольца принято обозначать первыми буквами латинского алфавита. Кольцо В – центральное, самое широкое и яркое, оно отделяется от внешнего кольца А щелью Кассини шириной почти 4000 км, в которой находятся тончайшие, почти прозрачные кольца. Внутри кольца А есть тонкая щель, которая называется разделительной полосой Энке. Кольцо С, находящееся ещё ближе к планете, чем В, почти прозрачно.

Кольца Сатурна очень тонкие. При диаметре около 250 000 км их толщина не достигает и километра. Несмотря на свой внушительный вид, количество вещества, составляющего кольца, крайне незначительно. Если его собрать в один монолит, его диаметр не превысил бы 100 км. На изображениях, полученных зондами, видно, что на самом деле кольца образованы из тысяч колец, чередующихся со щелями; картина напоминает дорожки грампластинок. Частички, из которых состоят кольца, имеют размер от 1 сантиметров до 10 метров. По составу они на 93% состоят изо льда с незначительными примесями, которые могут включать в себя сополимеры, образующихся под действием солнечного излучения и силикаты и на 7% из углерода.

Существует согласованность движения частиц в кольцах и спутников планеты. Некоторые из них, так называемые «спутники-пастухи», играют роль в удержании колец на их местах. Мимас, например, находиться в резонансе 2:1 c щелью Кассинии и под воздействием его притяжения вещество удаляется из неё, а Пан находится внутри разделительной полосы Энке. В 2010 году были получены данные от зонда Кассини, которые говорят о том, что кольца Сатурна колеблются. Колебания складываются из постоянных возмущений, которые вносит Мимас и самопроизвольных возмущений, возникающих из-за взаимодействия летящих в кольце частиц. Происхождение колец Сатурна ещё не совсем ясно. По одной из теорий, выдвинутой в 1849 году Эдуардом Рошем, кольца образовались вследствие распада жидкого спутника под действием приливных сил. По другой – спутник распался из-за удара кометы или астероида.

Уран – третья по диаметру и четвёртая по массе планета Солнечной системы. Была открыта в 1781 году английским астрономом Уильямом Гершелем и названа в честь греческого бога неба Урана, отца Кроноса (в римской мифологии Сатурна) и, соответственно, деда Зевса. Уран – единственная планета, название которой происходит не из римской, а из греческой мифологии. В китайском, японском, вьетнамском и корейском языках название планеты переводится буквально как «Звезда/Планета Небесного Царя».

Уран стал первой планетой, обнаруженной в Новое время и при помощи телескопа. Об открытии Урана Уильям Гершель объявил 13 марта 1781 года, тем самым впервые со времён античности расширив границы Солнечной системы в глазах человека. Несмотря на то, что порой Уран различим невооружённым глазом, ранние наблюдатели никогда не признавали Уран за планету из-за его тусклости и медленного движения по орбите.

Средняя удалённость планеты от Солнца составляет 19,1914 а. е. (2,8 млрд. км). Период полного обращения Урана вокруг Солнца составляет 84 земных года. Большая полуось орбиты равна 19,229 а. е., или около 3 млрд. км. Впервые орбитальные элементы Урана были вычислены в 1783 году французским астрономом Пьером Симоном Лапласом, однако со временем у них были выявлены несоответствия с наблюдаемым движением планеты. В 1841 году британец Джон Кауч Адамс первым предположил, что ошибки в расчётах вызваны гравитационным воздействием ещё не открытой планеты. 23 сентября 1846 года Иоганн Готфрид Галле обнаружил новую планету, позже названную Нептуном.

Период вращения Урана вокруг своей оси составляет 17 часов 24 минуты. Однако, как и на других планетах-гигантах, в верхних слоях атмосферы Урана дуют очень сильные ветры в направлении вращения, достигающие скорости 240 м/c. Таким образом, вблизи 30 градусов южной широты некоторые части атмосферы делают оборот вокруг планеты всего за 14 часов

Плоскость экватора Урана наклонена к плоскости его орбиты под углом 97,86° − то есть планета вращается, «лёжа на боку». Это даёт полностью отличный от других планет Солнечной системы процесс смены времён года. Если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. В качестве причины такого аномального вращения обычно называется столкновение Урана с другой планетой на раннем этапе его формирования. В моменты солнцестояний один из полюсов планеты оказывается направленным на Солнце. Только узкая полоска около экватора испытывает быструю смену дня и ночи; при этом Солнце в это время расположено очень низко над горизонтом – как в земных полярных широтах. Через полгода ситуация меняется на противоположную: «полярный день» наступает в другом полушарии. Каждый полюс 42 земных года находится в темноте – и ещё 42 года под светом Солнца.

Благодаря такому наклону оси в течение года полярные области Урана получают больше энергии от Солнца, чем экваториальные. Однако Уран «теплее» в экваториальных районах, чем в полярных областях. Механизм процесса, вызывающего такое перераспределение энергии, пока остаётся неизвестным.

Причина необычного положения оси вращения Урана также остаётся пока что в области гипотез, хотя обычно принято считать, что во время формирования Солнечной системы протопланета размером примерно с Землю врезалась в Уран и изменила его ось вращения. Многие учёные не согласны с данной гипотезой, так как она не может объяснить, почему ни одна из лун Урана не обладает такой же наклонной орбитой. Была предложена гипотеза, что ось вращения планеты за миллионы лет раскачал крупный спутник, впоследствии утерянный.

Стандартная модель Урана предполагает, что он состоит из трёх частей: в центре – каменное ядро, в середине – ледяная оболочка, снаружи – водородно-гелиевая атмосфера. Ядро является относительно маленьким с радиусом в 20 % от радиуса всей планеты. Мантия (льды) составляет бо́льшую часть планеты (60 % от общего радиуса). Атмосфера простирается на 20 % радиуса Урана. Давление на границе ядра и мантии должно достигать 800 ГПа при температуре в 5000 К. Ледяная оболочка фактически не является ледяной в общепринятом смысле этого слова, так как состоит из горячей и плотной жидкости, являющейся смесью воды, аммиака и метана. Эту жидкость, обладающую высокой электропроводностью, иногда называют «океаном водного аммиака».

Жидкая внутренняя структура означает, что у Урана нет никакой твёрдой поверхности, так как газообразная атмосфера плавно переходит в жидкие слои. Однако, ради удобства за «поверхность» было решено условно принять сплющенный сфероид вращения, где давление равно 1 бару. Экваториальный и полярный радиус этого сплющенного сфероида составляют 25 559 ± 4 и 24 973 ± 20 км.

В отличие от газовых гигантов, в недрах Урана отсутствует металлический водород, но зато много модификаций льда – по этой причине его относят к «ледяным гигантам». Основу атмосферы Урана составляют водород и гелий. Кроме того, в ней обнаружены следы метана и других углеводородов, а также облака изо льда, твёрдого аммиака и водорода. Это самая холодная планетарная атмосфера Солнечной системы с минимальной температурой в 49 К (−224 °C). Полагают, что Уран имеет сложную слоистую структуру облаков, где вода составляет нижний слой, а метан — верхний. Недра Урана состоят в основном изо льдов и горных пород.

Температура Урана значительно ниже температуры других планет-гигантов Солнечной системы. Тепловое излучение планеты очень низкое, и причина этого в настоящее время остаётся неизвестной. У Урана этот показатель равен 0,042 ± 0,047 Вт/м². Измерения в дальней инфракрасной части спектра показали, что Уран излучает лишь 1,06 ± 0,08 % энергии от той, что получает от Солнца.

Существуют две гипотезы, пытающиеся объяснить этот феномен. Первая из них утверждает, что протопланета, предположительно столкнувшаяся с Ураном во время формирования Солнечной системы и вызвавшая большой наклон его оси вращения, также «унесла» с собой и часть исходной температуры, оставив планету с уже заранее исчерпанными запасами тепла.

Вторая теория гласит, что в атмосфере Урана имеется некая прослойка, препятствующая тому, чтобы тепло от ядра достигало верхних слоёв и выходило за пределы атмосферы в тех же количествах, в каких поступило в атмосферу. Например, такая конвекция может иметь место в том случае, когда рядом расположены два различных по составу слоя, которые и могут препятствовать восходящим «потокам» тепла от ядра.

Отсутствие избыточного теплового излучения планеты значительно затрудняет определение температуры её недр, однако если предположить, что температурные условия внутри Урана близки к характерным для других планет-гигантов, то там возможно существование жидкой воды и, следовательно, Уран может входить в число планет Солнечной системы, где возможно существование жизни[63].

Атмосфера

Хотя Уран и не имеет твёрдой поверхности в привычном понимании этого слова, наиболее удалённую часть газообразной оболочки принято называть его атмосферой. Атмосферу условно можно разделить на 3 части: тропосфера (-300 км-50 км; давление составляет 100-0,1 бар), стратосфера (50-4000 км; давление составляет 0,1-10 бар) и термосфера/атмосферная корона (4000-50000 км от поверхности). Мезосфера у Урана отсутствует.

Состав атмосферы Урана заметно отличается от остального состава планеты благодаря высокому содержанию молекулярного водорода и гелия. Гелий не локализован в центре планеты, что характерно для других газовых гигантов. Третья составляющая атмосферы Урана – метан. Присутствие метана, поглощающего свет красной части спектра, придаёт планете её зелёно-голубой цвет. Распространённость менее летучих соединений, таких как аммиак, вода и сероводород, в глубине атмосферы известна плохо. Кроме того, в верхних слоях Урана обнаружены следы этана, метилацетилена и диацетилена. Эти углеводороды, как предполагают, являются продуктом фотолиза метана солнечной ультрафиолетовой радиацией. Спектроскопия также обнаружила следы водяного пара, угарного и углекислого газов. Вероятно, они попадают на Уран из внешних источников (например, из пролетающих мимо комет).

Тропосфера – самая нижняя и самая плотная часть атмосферы – характеризуется уменьшением температур с высотой. Температура падает от 320 К в самом начале тропосферы (на глубине в 300 км) до 53 К на высоте в 50 км. Температура в самой верхней части тропосферы (тропопаузе) варьирует от 57 до 49 К в зависимости от широты. Тропопауза ответственна за большую часть инфракрасного излучения (в дальней инфракрасной части спектра) планеты и позволяет определить эффективную температуру планеты (59,1 ± 0,3 K). Тропосфера обладает сложным строением: предположительно, водные облака могут находиться в промежутке давления от 50 до 100 бар, облака гидросульфида аммония – в диапазоне 20-40 бар, облака аммиака и сероводорода – в диапазоне 3-10 бар. Метановые же облака могут быть расположены в промежутке между 1 и 2 барами. Тропосфера – очень динамичная часть атмосферы, и в ней хорошо видны сезонные изменения, облака и сильные ветры

После тропопаузы начинается стратосфера, где температура не понижается, а, наоборот, увеличивается с высотой: с 53 К в тропопаузе до 800-850 К в основной части термосферы. Нагревание стратосферы вызвано поглощением солнечной инфракрасной и ультрафиолетовой радиации метаном и другими углеводородами, образующимися благодаря фотолизу метана. Кроме того, стратосфера нагревается также и термосферой. Этан и ацетилен имеют свойство уплотняться в более холодной и низкой части стратосферы и тропопаузе, формируя туманы.

Наиболее удалённая от поверхности часть атмосферы (термосфера/корона) имеет температуру в 800-850 К (как и стратосфера), но причины такой температуры пока не поддаются анализу. Ни солнечная ультрафиолетовая радиация, ни полярные сияния не могут обеспечить нужную энергию. В дополнение к молекулярному водороду, термосфера содержит большое количество свободных водородных атомов. Их маленькая молекулярная масса и большая температура могут помочь объяснить, почему термосфера простирается на 50 000 км. Эта расширенная термосфера/корона является уникальной особенностью планеты. Именно она является причиной уменьшения пылевых частиц в кольцах Урана. Термосфера Урана и верхний слой стратосферы образуют ионосферу, которая занимает высоту от 2000 до 10000 км. Ионосфера, главным образом, поддерживается солнечной ультрафиолетовой радиацией и целиком зависит от солнечной активности.

Атмосфера Урана – необычно спокойная по сравнению с атмосферами других планет-гигантов. Такое спокойствие в атмосфере может быть объяснено чрезвычайно низкой внутренней температурой.

В структуре облаков двух полушарий имеются различия: северные облака менее крупные, более яркие и более вытянутые. Судя по всему, они расположены на большей высоте. Хотя погода на Уране спокойная, на нём были отмечены «тёмные пятна» (атмосферные вихри).

Отслеживание различных облаков позволило определить зональные ветры, дующие в верхней тропосфере Урана. На экваторе ветры являются ретроградными, то есть дуют в обратном по отношению к вращению планеты направлении, и их скорости (так как движение обратно вращению) составляют 100 и 50 м/с. Скорости ветров стремятся к нулю с увеличением расстояния от экватора вплоть до широты ± 20°, где ветра почти нет. Ветра начинают дуть в направлении вращения планеты вплоть до полюсов. Скорости ветров начинают расти, достигая своего максимума в широтах ±60° и падая практически до нуля на полюсах. Максимальная же скорость ветра, замеченная на планете, была зарегистрирована на северном полушарии на широте +50° и равняется более чем 240 м/с.

В течение короткого периода с марта по май 2004 года в атмосфере Урана было замечено более активное появление облаков. Наблюдения зарегистрировали скорость ветра до 229 м/с (824 км/ч) и постоянную грозу, названную «фейерверком четвёртого июля». 23 августа 2006 года Институт исследования космического пространства и Университет Висконсина наблюдали тёмное пятно на поверхности Урана, что позволило расширить знания о смене времён года на этой планете.

Почему происходит такое повышение активности, точно неизвестно – возможно, «экстремальный» наклон оси Урана приводит к «экстремальным» же сменам сезонов. Фотометрия, начатая примерно в 1950-е годы, показала вариации яркости планеты в двух диапазонах: с максимумами, приходящимися на периоды солнцестояний, и минимумами во время равноденствий. Стратосферные температурные измерения, появившиеся в 1970-е, также позволили выявить максимумы во время солнцестояний (в частности, в 1986 году). Большинство этих изменений предположительно происходит из-за асимметрии планеты.

Тем не менее, как показывают исследования, сезонные изменения на Уране не всегда зависят от факторов, указанных выше. Детальный анализ визуальных и микроволновых измерений показал, что увеличение яркости не всегда происходит во время солнцестояния. Механизм, управляющий сезонными изменениями, всё ещё недостаточно изучен.

Магнитосфера Урана

До начала исследований с помощью «Вояджера-2» никаких измерений магнитного поля Урана не проводилось. Предполагалось, что оно будет соответствовать направлению солнечного ветра. В этом случае геомагнитные полюса должны были бы совпадать с географическими, которые лежат в плоскости эклиптики. Измерения «Вояджера-2» позволили обнаружить у Урана весьма специфическое магнитное поле, которое не направлено из геометрического центра планеты и наклонено на 59 градусов относительно оси вращения. Фактически магнитный диполь смещён от центра планеты к южному полюсу примерно на 1/3 от радиуса планеты. Одна из теорий объясняет данный феномен тем обстоятельством, что магнитное поле у планет земной группы и других планет-гигантов генерируется в центральном ядре, а магнитное поле у «ледяных гигантов» формируется на относительно малых глубинах: например, в океане жидкого аммиака, в тонкой конвективной оболочке, окружающей жидкую внутреннюю часть, имеющую стабильную слоистую структуру.

Тем не менее, общее строение магнитосферы Урана имеет схожую структуру с другими планетами Солнечной системы. Головная ударная волна простирается на 23 планетарных радиуса — перед магнитопаузой, простирающейся на 18 радиусов Урана. Имеются развитые магнитный хвост и радиационные пояса. Магнитный хвост Урана тянется за планетой на миллионы километров и поперечным вращением планеты искривлён «в штопор». Важную роль в магнитосфере Урана играют его спутники, образующие большие полости в магнитном поле. На Уране хорошо развиты полярные сияния, которые видны как яркие дуги вокруг обоих полярных полюсов.

Формирование Урана

Имеется много аргументов в пользу того, что отличия между ледяными и газовыми гигантами зародились ещё при формировании Солнечной системы. Как полагают, Солнечная система сформировалась из гигантского вращающегося шара, состоящего из газа и пыли и известного как Протосолнечная туманность. Потом шар уплотнился, и сформировался диск с Солнцем в центре. Бо́льшая часть водорода с гелием пошла на формирование Солнца. А частицы пыли стали собираться вместе, чтобы впоследствии сформировать протопланеты. Поскольку планеты увеличивались в размерах, некоторые из них обзавелись достаточно сильным магнитным полем, позволившим им сконцентрировать вокруг себя остаточный газ. Они продолжали набирать газ до тех пор, пока не достигали предела, и дальше их размеры увеличивались по экспоненте. Ледяным же гигантам удалось «получить» значительно меньше газа.

Современные теории формирования Солнечной системы имеют некоторые трудности в объяснениях формирования Урана и Нептуна. Эти планеты слишком крупные для расстояния, на котором они находятся от Солнца. Возможно, ранее они были ближе к Солнцу, но потом каким-то образом поменяли орбиты. Впрочем, новые методы планетарного моделирования показывают, что Уран и Нептун действительно могли сформироваться на своём теперешнем месте, и, таким образом, их настоящие размеры согласно этим моделям не являются помехой в теории происхождения Солнечной системы.

Кольца Урана.

У Урана есть слабо выраженная система колец, состоящая из частиц диаметром от нескольких миллиметров до 10 метров. На данный момент у Урана известно 13 колец, самым ярким из которых является кольцо ε (эпсилон). Кольца Урана, вероятно, весьма молоды – на это указывают промежутки между ними, а также различия в их прозрачности. Это говорит о том, что кольца не были сформированы вместе с планетой. Возможно, ранее кольца были одним из спутников Урана, который разрушился либо при столкновении с неким небесным телом, либо под действием приливообразующих сил.

В апреле 2006 года изображения колец, полученные обсерваторией Кек на Гавайских островах, позволили различить цвета внешних колец. Одно из них было красным, а другое (самое внешнее) – синим. Предполагают, что синий цвет внешнего кольца обусловлен тем, что оно состоит из мелких частиц водяного льда с поверхности Маб. Внутренние кольца планеты выглядят серыми.

Спутники Урана

В системе Урана открыто 27 естественных спутников. Названия для них выбраны по именам персонажей произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Можно выделить пять основных самых крупных спутников: это Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон.

Луны Урана – это скопления льда и горных пород в соотношении примерно 50 на 50. Лёд может включать в себя аммиак и углекислый газ. Среди спутников у Ариэля, судя по всему, самая молодая поверхность с наименьшим количеством кратеров. Поверхность Умбриэля, судя по степени кратерированности, скорее всего, самая старая. На Миранде имеются каньоны до 20 километров глубиной, террасы и хаотичный ландшафт. Одна из теорий объясняет это тем, что когда-то Миранда столкнулась с неким небесным телом и развалилась на части, хотя потом «собралась» силами притяжения снова.