Глава XII. Внутреннее строение и физика планет-гигантов

§1. Юпитер

Мы переходим к обзору строения планет-гигантов, масса которых во много раз превосходит массу геологически самой активной планеты – Земли. В науке и учебной литературе давно утвердилось представление о газообразном, преимущественно водородном, составе этих планет. Такой состав, по мнению многих исследователей, был предопределен распределением температуры в первичном пылегазовом облаке. В горячих внутренних областях конденсировались тугоплавкие элементы и силикаты, а летучие компоненты – газы и вода – выгорали. Однако уже на расстоянии 500 млн. км от центра облака температура падала, и вместе с частичками пыли в конденсации участвовали замерзшие газы водорода, метана, гелия, воды, аммиака. Таким образом, атмосфера из водорода и гелия планет-гигантов, по существующим представлениям, сложилась в ходе аккреции тела планет, т.е. изначально. Для эволюции, как видим, места не остается.

Рассматривая физику планет-гигантов, мы попытаемся обосновать иной взгляд на строение и природу их оболочек, отличный от только что изложенного.

Юпитер – самая большая планета в Солнечной системе (рис. 99). Его масса 1,9×10³⁰ г, т.е. лишь на два порядка меньше массы Солнца. Теоретически для становления на звездный путь эволюции планете не хватило всего 10 масс. На наше счастье, этого не случилось, иначе в Солнечной системе возникло бы два солнца, в пламени которых земная жизнь могла бы не состояться. Впрочем, расстояние до Юпитера больше, чем до Солнца, и он со своими 16 спутниками мог бы образовать вторую «Солнечную» систему.

Рис. 99. Юпитер, наблюдаемый «Пионером-10». Фотография получена

с расстояния 2,5 млн. км от планеты. Явно видны Большое Красное Пятно и тень Ио (НАСА)

Среднее гелиоцентрическое расстояние Юпитера 778,34 млн. км. Период обращения вокруг Солнца – 11,86 земных лет. Планета обладает высокой осевой скоростью вращения – 9 часов 50 ми­нут, причем ось почти перпендикулярна к плоскости орбиты. Поэтому смены времен года на поверхности не происходит. Радиус Юпитера измерен по вер­хней кромке его атмосферы и составляет 71350 км. Средняя плотность также дается без учета плотности возможного твердого тела планеты, а исходя из предположения ее водородно-гелиевого состава –  =1,35 г/см³. Ускорение силы тяжести – g = = 25,8 м/с².

Юпитер обладает мощной атмосферой и сильным магнитным полем – порядка 400000 нТ по экватору, что находится в полном соответствии с его гигантской массой. Магнитный момент равен 1,510¹² Ам². Состав атмосферы изучен только по ее верхней кромке. Он включает 77% водорода, около 23% гелия, небольшие примеси метана, аммиака, а также следы воды, СО, молекулы фосфина (РН₃), германа (GеН₄), дейтерия (D). Предполагается (Хаббард, 1987), что отмеченные примеси были вынесены конвективными потоками с нижних горизонтов атмосферы, где эти газы находятся в состоянии термодинамического равновесия. Это говорит о том, что на самом деле атмосфера Юпитера имеет более сложный многокомпонентный состав. Если же из преимущественно водородно-гелиевого состава верхней кромки юпитерианской атмосферы выводить и состав тела планеты, то, поступая аналогичным образом, мы получили бы водородное строение Земли. В самом деле, как мы знаем, гравитационное расслоение земной атмосферы происходит с высоты 300 км. Выше этого уровня и до высоты 20000 км атмосфера сложена исключительно поднявшимися молекулами и ионами водорода (протонами).

Судя по приведенным данным, верхние и достаточно мощные слои атмосферы Юпитера действительно сложены гравитационно расслоенным водородом и гелием. Толщина атмосферы, вероятно, достигает нескольких тысяч километров. Поэтому низы водородно-гелиевого слоя, находясь в области высоких давлений, сильно нагреты. Охлаждение же их происходит конвективным перемешиванием, этот процесс и был успешно сфотографирован «Вояджером». В ходе этого перемешивания захватываются вулканические дымы, к каковым следует относить обнаруженные примеси в водородно-гелиевой части атмосферы. Эти дымы занимают следующий, более низкий уровень юпитерианской атмосферы.

Состав ее газов аналогичен глубинным газам Земли, а имеющаяся разница обусловлена тем, что земная атмосфера при наличии океана и мощного солнечного излучения проэволюционировала значительно дольше юпитерианской.

Огромная масса Юпитера создает уникальные термодинамические условия в обширном объеме недр этой планеты – мощное жидкое ядро и, следовательно, огромную астеносферную зону – источник грандиозного вулканизма. Именно вулканизму невиданного по земным меркам размаха обязан Юпитер своей мощной атмосферой. Поскольку запасы акклюдированных на пылинках железо-силикатного состава газов и воды в зоне формирования Юпитера были значительно больше, чем на орбитах землеподобных планет, то и выработка соответствующей газовой оболочки в ходе начавшейся сразу после аккреции термохимической реакции происходила в грандиозных масштабах. Повторяем, внешний облик Юпитера, впрочем, как и других планет-гигантов, находится в полном соответствии с их гигантской массой. Давление в зоне внешнего ядра достигает 8×10⁷ атм, температура 2,5×10⁴ К (Хаббард, 1987).

По расчетам В.В. Кесарева (1976), твердое тело планеты будет иметь радиус 40420 км, а атмосфера – 29265 км, тогда средняя плотность твердого вещества планеты равна 6,84 г/см³.

Большое Красное Пятно, наблюдаемое в атмосфере Юпитера вот уже более 300 лет и сфотографированное «Вояджером», имеющее ширину 30 – 40 тыс. км – одно из доказательств мощного вулканизма, продолжающегося с неослабевающей энергией и в настоящее время. Периодически появляющиеся пятна меньших размеров свидетельствуют о действии все новых вулканов, которые после извержения затухают.

Температура верхних слоев атмосферы, по измерениям, равна ‑130С. В нижних слоях она может достигать +1000С. На твердой поверхности планеты, сложенной, как и Земля, силикатными породами, должен неизбежно возникнуть парниковый эффект, а температура достигать точек плавления коры. Поэтому выносимая с вулканизмом вода вместе с вулканическими газами поступает в атмосферу, где по мере подъема и охлаждения конденсируется в водяной пар. Свободной воды на планете нет.

В пользу высказанных соображений относительно природы и состава Юпитера свидетельствуют также наблюдения над его спутниками, и особенно галилеевыми – Ио, Европа, Ганимед, Каллисто, параметры которых приведены в табл. XII.1.

Таблица XII.1