Ю П И Т Е Р
Рис. 1. Общий вид Юпитера (Фото с «Вояджер-2»)
Краткие сведения
Масса
317,9 массы Земли (1,9х1027 кг)
Диаметр
11,2 диаметра Земли ( 142 984 км )
Плотность
1,33 г/см3
Температура видимой поверхности
-160°С
Длительность звездных суток
9,93 часа
Среднее расстояние от Солнца
5,20 а.е. ( 778,33 млн. км)
Период обращения по орбите
11,86 земных лет
Наклон экватора к орбите
+3°05`
Эксцентриситет орбиты
0,048
Наклонение орбиты к эклиптике
1,31°
Долгота восходящего узла
100°31`
Средняя скорость движения по орбите
13,06 км/сек
Расстояние от Земли
от 591 млн. до 965 млн. км
Планета – гигант – Юпитер
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».
В октябре 1991 г., проходя через пояс астероидов, аппарат сфотографировал малую планету Гаспра. Вернувшись к Земле второй раз в декабре 1992 г. и получив новое ускорение, он устремился к основной цели своего путешествия – Юпитеру. Оказавшись в августе 1993 г. снова в поясе астероидов, он сфотографировал ещё одну малую планету, Иду.
Спустя два года «Галилео» достиг окрестностей Юпитера. По команде с Земли от него отделился спускаемый зонд и в течение пяти месяцев совершал самостоятельный полёт к границам атмосферы Юпитера со скоростью 45 км/с. За счёт сопротивления её верхних слоев в течение двух минут скорость снизилась до нескольких сот метров в секунду. При этом перегрузки превосходили земную силу тяжести в 230 раз. Аппарат проник в атмосферу на глубину 156 км и функционировал в течение 57 мин. Данные об атмосфере ретранслировались через основной блок «Галилео».
Спутники Юпитера:
Ио
Исследователь
Galileo (S.Marius?)
Год открытия
1610
Орбита
421 600 км от Юпитера
Длительность суток
1.769 дня
Наклон орбиты
0.04 градуса
Радиус
1815 км
Масса
8.933•1022 кг
Плотность
3.533 г/см3
Эксцентриситет орбиты
0,004
Ио – третий по величине и ближайший спутник Юпитера. Ио немного больше, чем Луна – спутник Земли. Ио была первой возлюбленной Зевса (Юпитера), которую он превратил в корову, чтобы попытаться скрыть от ревнивой Геры. Ио открыли Галилей и Мариус в 1610 году.
Рис. 14. Общий снимок Ио.
Истинное цветное изображение Ио сделанное Орбитальным аппаратом Galileo. Поверхность – имеет мягкий, желтый оттенок с черными, коричневыми, зелеными, оранжевыми и красными областями, соответствующими активным вулканическим центрам. Солнце освещает изображение из-за камеры, что помогает восприятию цветных вариации. Разрешающая способность – 1.3 километров на пиксель. Некоторые из вулканических центров имеют яркие и цветные потоки лавы, которые состоят из потоков серы.
В отличие от большинства спутников во внешней солнечной системе Ио и Европа подобны по составу пла- нетам земной группы, прежде всего
наличием силикатных горных пород. Последние данные со спутника «Галилео» показывают, что Ио имеет железное ядро (возможно, смесь железа с сульфидом железа) радиусом по крайней мере 900 км.
Поверхность Ио радикально отличается от поверхности любого другого тела Солнечной системы. Это было совершенно неожиданным открытием, сделанным учеными с помощью корабля «Вояджер». Они ожидали увидеть поверхность, покрытую кратерами, как на других телах с твердой поверхностью, и оценить по ним возраст поверхности Ио. Но на Ио найдено очень мало кратеров, следовательно, его поверхность очень молода.
Вместо кратеров «Вояджер-1» обнаружил сотни вулканов. Некоторые из них активны! Фотографии извержений с факелами высотой 300 км были переданы на Землю кораблями «Вояджером» и «Галилео».
Рис. 15. Изображение Ио над Юпитером
Изображение Ио над Юпитером было получено 1 января 2001 года. Расстояние между Ио и верхним слоем облаков Юпитера составляет 2,5 диаметра Юпитера.
Это было первое реальное доказательство того, что ядра других тел земной группы также горячи и активны. Материал, прорывающийся из вулканов Ио, является некоторой разновидностью серы или двуокиси серы. Вулканические извержения быстро изменяются. Только за четыре месяца, прошедшие между полетами «Вояджер-1» и «Вояджер-2», некоторые из вулканов перестали действовать, но появились другие.
Рис. 16. Различия в снимках «Вояджера» и «Галилео»
Сравнение между изображениями Ио, сделанные «Вояджером» (слева) и «Галилео» (справа), показывает различия между ними. Наиболее очевидная разность – улучшенная разрешающая способность в снимках Galileo. Другие различия между двумя изображениями – в вулканическом действии, которое произошло в 1917 годах.
Изображения с «Галилео» также показывают много изменений со времени полета Вояджеров. Эти наблюдения подтверждают, что поверхность Ио действительно очень активна.
Ландшафты Ио удивительно разнообразны: котлованы глубиной до нескольких километров, озера расплавленной серы, горы, которые не являются вулканами, потоки из какой-то вязкой жидкости (некая разновидность серы?), тянущиеся на сотни километров, и вулканические жерла. Сера и серосодержащие смеси дают широкий диапазон цветов, которые наблюдаются на снимках Ио.
Анализ снимков, полученных Вояджером, приводил ученых к предположению о том, что потоки лавы на поверхности Ио состоят главным образом из расплавленной серы с различными примесями. Однако последовательные наземные инфракрасные исследования указывают, что они слишком горячи для того, чтобы быть жидкой серой. Одна из идей по этому поводу состоит в том, что лава на Ио является расплавленной силикатной горной породой. Недавние наблюдения указывают, что это вещество может содержать натрий.
Некоторые из самых горячих пятен на Ио достигают температур 1500 K, хотя средняя температура намного ниже, приблизительно 130 K.
Энергию для всей этой активности Ио, возможно, получает благодаря приливным взаимодействиям с Европой, Ганимедом и Юпитером. Хотя Ио, подобно Луне, всегда повернута одной и той же стороной к Юпитеру, все же влияние Европы и Ганимеда вызывает небольшие колебания. Эти колебания вытягивают и изгибают поверхность Ио на целых 100 метров и генерируют теплоту, в результате чего поверхность нагревается.
Ио пересекает линии магнитного поля Юпитера, генерируя электрический ток. Хотя он мал по сравнению с приливным нагревом, этот ток может нести более чем 1 триллион Вт. Недавние данные с «Галилео» указывают, что Ио может иметь собственное магнитное поле, как Ганимед. На Ио очень разряженная атмосфера, состоящая из двуокиси серы и, возможно, некоторых других газов. В отличие от других спутников Юпитера, на Ио очень мало или вообще нет воды.
Согласно последним данным космического корабля «Галилео» вулканы на Ио очень горячи и включают в себя незнакомые ингредиенты. Спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, установленный на «Галилео», обнаружил чрезвычайно высокие температуры внутри вулканов. Они оказались намного выше, чем считалось ранее. Спектрометр способен обнаруживать тепло вулкана и указывать расположение различных материалов на поверхности Ио.
Внутри вулкана Пеле (Pele), названного по имени мифологической Полинезийской богини огня, температура намного выше температуры внутри любого из вулканов на Земле – она составляет около 1500° С. Возможно, что миллиарды лет назад вулканы на Земле были такими же горячими. Теперь ученых интересует следующий вопрос: все ли вулканы на Ио извергают такую горячую лаву, или большинство вулканов подобны базальтовым вулканам на Земле, которые выбрасывают лаву с более низкими температурами – около 1200° С?
Еще до того, как «Галилео» подлетел близко к Ио в конце 1999 – начале 2000 года, было известно, что на Ио есть два больших вулкана с очень высокой температурой. Теперь же «Галилео» обнаружил, что на Ио существует больше высокотемпературных районов, чем показывали отдаленные наблюдения. Это означало, что на Ио могут быть и намного меньшие вулканы с очень горячей лавой.
Один из наиболее активных вулканов на Ио – вулкан Прометей. Его выбросы газа и пыли были зафиксированы и ранее космическим кораблем «Вояджер», и теперь – «Галилео». Вулкан окружен кольцом яркой двуокиси серы.
Рис. 17. Ио – снимок вулкана Прометей
Ио имеет твердое металлическое ядро, окруженное каменной мантией, как у Земли. Но под действием гравитации Луны форма Земли искажается слабо.
Рис. 18. Ио – факела из области Masubi
Факел газа и частиц выброшен приблизительно на 100 км над поверхностью Ио. Причина – вулканическое действие около области Masubi. Этот факел наблюдался еще «Вояджером-1» в 1979 году
А вот форма Ио под влиянием Юпитера искажается гораздо сильнее. Фактически, Ио постоянно имеет овальную форму из-за вращения и приливного влияния Юпитера. Корабль «Галилео» измерил полярную гравитацию Ио, когда облетал его в мае 1999 года. При известном гравитационном поле можно определить внутреннюю структуру Ио. Взаимосвязь между полярной и экваториальной гравитацией показывает, что Ио имеет большое металлическое ядро, по большей части железное. Металлическое ядро Земли генерирует магнитное поле. Пока не известно, генерирует ли металлическое ядро Ио свое магнитное поле.
Европа
Исследователь
Galileo (S.Marius?)
Год открытия
1610
Орбита
670 900 км от Юпитера
Длительность суток
3.551 дня
Наклон орбиты
0.47 градуса
Радиус
1569 км
Масса
4.8•1022 кг
Плотность
2.97 г/см3
Эксцентриситет орбиты
0,009
Рис. 19. Европа
Комбинация снимков с Орбитального аппарата «Галилео» была объединена, чтобы создать снимок с высоким разрешением. Изображение объединило 12 изображений с разрешающей способностью 1 км на пиксель с более низким разрешением – от 7 до 13 км на пиксель. Заметны и особенности поверхности – трещины в корке льда и в других областях, которые возможно были вызваны временами года
Рис. 20. Естественные и фильтрованные цвета Европы
Левый снимок показал естественный цвет Европы. Правое изображение показывает в цвете различия в корке льда на Европе. Темные коричневые области представляют скалистый материал, который заметен из-за случаев столкновения с другими объектами. Яркие полярные области показанные в оттенках синих, чтобы
показать различия между крупнозернистым (темно-синим) и мелкозернистым льдом (ярко-синий). Яркая область в правой части – молодой кратер 50 км в диаметре.
Рис. 21. Кратер Pwyll на Европе
Здесь показан перспективный снимок кратера Pwyll на поверхности Европа. Это моделируемый снимок сделан с юго-запада под углом в 45°. Цветом показаны различные уровни высот, синим самые низкие, красным самые высокие. Pwyll имеет размер приблизительно 26 км поперек. Это – необычный кратер, потому что его дно имеет ту же высоту, что и окружающий пейзаж. Его центральный пик приблизительно на 600 м выше окружающего края.
Рис. 22. Модель подслоев Европы
Юпитерская луна Европа имеет почти тот же самый размер как наша собственная луна. Что находится ниже льда все еще является тайной, хотя диаграммы показавают две возможных теории. Первая модель говорит, что под уровнем льда может существовать более теплые слои. Альтернативная теория говорит, что теплый жидкий океан может располагаться на глубину до 100 км ниже 15 км корки льда. Если бы такой объем воды существовал или в жидкой форме или в форме льда, то это содержало бы вдвое больше воды чем в океанах и реках на Земле.
Ганимед
Исследователь
Galileo (S.Marius?)
Год открытия
1610
Орбита
1 070 000 км от Юпитера
Длительность суток
7.155 дня
Наклон орбиты
0.21 градуса
Радиус
2634 км
Масса
1.48•1023 кг
Плотность
1.94 г/см3
Эксцентриситет орбиты
0,002
Ганимед является седьмым и самым большим спутником Юпитера. Ганимед был открыт Галилеем и Мариусом в 1610 году.
Ганимед – самый большой спутник в Солнечной системе и своими размерами превосходит еще и две планеты – Меркурий и Плутон. Его диаметр больше диаметра Меркурия, но его масса составляет только приблизительно половину массы Меркурия. Ганимед намного больше, чем Плутон.
Рис. 23. Цветной снимок Ганимеда
Этот снимок сделан с орбитального аппарата «Галилео». Коричнево-серая поверхность имеет такой цвет из-за смеси скалистой поверхности и льда. Яркие пятна – недавние кратеры.
Рис. 24. Дальняя сторона Ганимеда
Цветной снимок дальней стороны Ганимеда. Цвета показывают замерзшие полярные шапки. Множество кратеров и связанные особенности лучей имеют сходство с нашей луной. Замороженные полярные области кажутся фиолетовыми и растягиваются по широте ниже 25°.
До того, как корабль «Галилео» совершил свой полет к Ганимеду, предполагали, что Ганимед и Каллисто состоят из каменного ядра, окруженного большой мантией из воды или льда с ледяной поверхностью (подобно тому, как и Титан, и Тритон). Данные, полученные «Галилео», показали, что Каллисто имеет однородный состав, в то время как Ганимед разделяется на три структурных уровня: малое ядро из расплавленного железа или железа и серы, окруженное скалистой силикатной мантией с ледяной оболочкой на поверхности. Фактически, Ганимед подобен Ио с дополнительным внешним слоем льда.
Поверхность Ганимеда представляет собой в основном два типа местности: очень старые, с большим количеством кратеров, темные области, и несколько более молодые, более светлые, области с протяженным рядами канав и горных кряжей. Они явно имеют тектонический характер происхождения, но детали неизвестны. В этом отношении Ганимед более подобен Земле, чем Венера или Марс. Оба типа местности содержат кратеры. Плотность образования кратеров указывает на возраст от 3 до 3.5 миллиардов лет, подобно Луне. Есть и относительно молодые кратеры с лучами выбросов.
В отличие от Луны, однако, кратеры Ганимеда совершенно плоские, они не окружены кольцевыми горами, как кратеры на Луне и Меркурии.
Первый пролет «Галилео» над Ганимедом обнаружил, что этот спутник имеет собственное поле магнитосферы, простирающееся внутрь огромного Юпитера.
Поверхность Ганимеда покрыта большим количеством льда. Согласно измерениям, проведенным инфракрасным спектрометром «Галилео», состав некоторых минералов на поверхности Ганимеда дает основание предположить, что в прошлом на поверхности Ганимеда могла присутствовать соленая вода. Возможно, она поднималась на поверхность через трещины в ледяной корке.
Рис. 25. Сравнение Ганимеда и Европы
Эти фотографии, полученные «Галилео», показывают в одном и том же масштабе местность под названием Arbela Sulcus (светлая полоса) на Ганимеде (слева) и местность на Европе (справа), которая также является спутником Юпитера и под поверхностной толщей льда содержит океан воды. Полоса Arbela Sulcus – одна из самых гладких местностей на Ганимеде, на ней видны очень тонкие продольные полоски и она четко выделяется на фоне окружающей ее более темной местности с большим количеством кратеров.
Ганимед имеет собственное сильное магнитное поле. Специалисты из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе, занимающиеся обработкой данных, полученных с помощью «Галилео», считают, что для того, чтобы обладать такими характеристиками магнитного поля, какие найдены у Ганимеда, необходимо иметь что-то более электрически проводящее, чем твердый лед. Они считают, что на глубине от 150 до 200 километров под поверхностью Ганимеда располагается толстый слой соленой воды, подобной воде земных океанов. Этот слой воды находится между двумя слоями льда, а в жидком состоянии ее поддерживает природная радиоактивность Ганимеда, которая и обеспечивает необходимый нагрев.
В отличие от Ганимеда основным источником внутреннего тепла Европы являются приливные смещения внутренних структур этого спутника под действием мощного гравитационного поля Юпитера.
Рис. 26. Фрагмент Ганимеда шириной 24 километра
Фрагмент Arbela Sulcus шириной 24 километра. В целом эта полоса лежит ниже, чем весь окружающий ее темный район под названием Nicholson Regio, находящийся в южном полушарии Ганимеда.
Рис. 27. Архитектура на Ганимеде
Эта особенность имеющая форму глаза находится на поверхности Ганимедам. Снимок покрывает расстояние в 80 км шириной и находится между старыми и молодыми областями ландшафта. Эта форма получилась вероятно из-за сдвига поверхности, где две области двигались друг друга и слегка вращались. В нескольких местах заметны яркие гребни, которые переходят в темные канавки.
Рис. 28. Недавние столкновения с Ганимедом
На снимке показаны два недавних кратера около северного полюса Ганимеда. Эти кратеры более новые чем их окружающие, так как каждый окружен большим количеством крошечных кратеров, которые сформировались избыточным материалом. Кратер Гула ( Gula ) на севере имеет диаметр в 38 км и заметный центральный пик. Южный кратер Achelous чуть меньше – 32 км в диаметре.
Каллисто
Исследователь
Galileo (S.Marius?)
Год открытия
1610
Орбита
1 883 000 км от Юпитера
Длительность суток
16.689 дня
Наклон орбиты
0.51 градуса
Радиус
2400 км
Масса
1.08•1023 кг
Плотность
1.86 г/см3
Эксцентриситет орбиты
0,007
Каллисто – восьмой из известных спутников Юпитера и второй по величине. Он относится к внешним Галилеевым лунам Юпитера. Каллисто – это имя нимфы, которую любил Зевс и ненавидела Гера, превратившая ее в медведицу. Позже Зевс поместил ее на небо в виде созвездия Большой Медведицы.
Каллисто был открыт Галилеем и Мариусом в 1610 году.
Каллисто ненамного меньше Меркурия, но его масса составляет всего третью часть массы Меркурия.
В отличие от Ганимеда Каллисто, кажется, не имеет такой разнообразной внутренней структуры. Согласно последним данным Галилео» есть признаки, по которым можно судить о том, что процент горной породы увеличивается к центру. Каллисто в основном состоит приблизительно на 40 % из льда и на 60 % из камня / железа, подобно Титану и Тритону.
Поверхность Каллисто полностью покрыта кратерами. Она очень стара, подобно горным ландшафтам Луны и Марса. Покрытая кратерами поверхность Каллисто имеет возраст больше, чем любая другая поверхность какого-либо тела в Солнечной системе; ее возраст оценивается в 4 миллиарда лет.
Самые большие кратеры окружены рядами концентрических колец, которые выглядят как огромные трещины, которые пригладились медленными тысячелетними перемещениями льдов. Самый большой из них был называется Валгалла. Он является примером многокольцевого бассейна с диаметром 4000 км.
Подобно Ганимеду, древнейшие кратеры Каллисто сократились в размерах. Они не окружены высокими кольцевыми горами, не имеют радиальных расходящихся лучей, как кратеры на Луне и Меркурии.
Рис. 29. Каллисто
Снимок Каллисто сделанный с расстояния в 1.2 миллиона км сделанный «Вояджером-1». Снимок показывает полное полушарие, которое было позже отображенно с высоким разрешением. Видимое около верхнего левого края бассейно-подобная область, которая является намного более яркой чем окружающая поверхность. Подобные особенности могут также быть замечены около южного полюса. Эти особенности, как полагают, являются такими яркими, потому что они содержат более высокий процент чистого льда по сравнению с остальной частью луны.
Рис. 30. Кратер Asgard и Doh на Каллисто
Изображение справа показывает структуру Asgard. Asgard имеет диаметр в 1,700 км и содержит яркое ядро, окруженное кольцами. Эти кольцевые особенности были созданы деформациями в льдистой корке сразу после столкновения. Изображение слева сделано с более высоким разрешением показывает третью область кратера названную Doh. Doh – имеет диаметр в 55 км и центральный купол с диаметром 25 км.
Рис. 31. Кратер Tindr на Каллисто
Этот кратер имеет диаметр приблизительно 70 км. Длинные тени, вызванные низким углом солнца, улучшают природу ландшафта. Сложная форма кратера появилась вероятно из-за косого удара. Моделирование столкновения и его влияние на основной ландшафт разрешило ученым оценить возраст. Его примерный возраст находится между 1 и 3.9 миллиардами лет. Если бы это был более молодой возраст, это подразумевало бы удар с кометой.
Другая интересная особенность – длинная последовательность кратеров, выстроенных в прямую линию.
Каллисто имеет очень незначительную атмосферу, состоящую из двуокиси углерода.
В отличие от Ганимеда с его сложными местностями, на Каллисто нет существенного доказательства тектонической активности. В то время как Каллисто очень похож в целом на Ганимед, очевидно, он имеет намного более простую геологическую хронологию.
Рис. 32. Откос Asgard на Каллисто
Комбинация цветных снимок низкого разрешения была объединена со снимком с высоким разрешением, чтобы произвести сложное изображение Asgard. Asgard – огромная область с диаметром в 1,700 км. Столкновение создало гладкую центральную область, окруженную рядом концентрических колец. Особенность была создана вначале истории Каллисто, поскольку оно уже изменено более современным, меньшими кратерами. На севере – кратер Точильный камень (Burr), который частично затеняет меньшую кольцевую структуру с диаметром в 500 км. Яркие, чистые, льдистые материалы изгнаны более современными столкновения.
Рис. 33. Откос в Области Валгалла (Valhalla) на Каллисто
Слово Валгалла означает рай, куда попадают воины, погибшие в битве. Эта мозаика из двух изображений показывает откос поперек поверхности Каллисто. Откос создан в его ранней истории. Хотя угол солнца низок, все равно создаются длинные тени
Новые спутники Юпитера
Группа астрономов Гавайского университета объявила в январе 2001 года об открытии десяти новых спутников Юпитера, которые получили обозначения с S/2000 J2 по S/2000 J11. Наблюдения проводились в конце ноября – начале декабря с помощью широкоугольной камеры, установленной на 2,2 – метровом телескопе университета.
На основе оценок альбедо (отражательных способностей) новых спутников получены их примерные размеры. Все они очень малы – не более пяти километров в диаметре каждый. Все десять спутников имеют умеренно эллиптические орбиты с углом наклона от 15° до 30°. Девять из десяти облетают Юпитер по орбитам в направлении, противоположном направлению движения остальных спутников Юпитера. Среднее расстояние новых спутников от Юпитера составляет от 21 до 24 миллионов километров.
На январь 2001 года число известных естественных спутников Юпитера стало равно 28. Из них 12 спутников были открыты за один 2000 год. Первенство же по количеству спутников в Солнечной системе по прежнему держит Сатурн. На сегодняшний день у этой планеты известно 30 спутников. Третье место принадлежит Урану – у него известен 21 спутник
Сводная таблица спутников Юпитера
Спутник
Расстояние от Юпитера (тыс. км)
Радиус (км)
Масса (кг)
Год
открытия
Автор
открытия
Метида
128
20
9,5 * 1016
1979
Синнот
Адрастея
129
10
1,91 * 1016
1979
Джевитт
Амальтея
181
98
7,17 * 1017
1892
Барнард
Тебе
222
50
7,77 * 1017
1979
Синотт
Ио
422
1815
8,94 *1022
1610
Галилей
Европа
617
1569
4,8 * 1022
1610
Галилей
Ганимед
1070
2631
1,48 * 1023
1610
Галилей
Каллисто
1883
2400
1,08 * 1023
1610
Галилей
Леда
11094
8
5,68 * 1015
1974
Ковал
Гималия
11480
93
9,56 * 1018
1904
Перрин
Лизистея
11720
18
7,77 * 1016
1938
Никольсон
Илара
11737
38
7,77 * 1017
1905
Перрин
Анаке
21200
15
3,82 * 1016
1951
Никольсон
Карме
22600
20
9,56 * 1016
1938
Никольсон
Пасифе
23500
25
1,91 * 1017
1908
Миллот
Синопе
23700
18
7,77 *1016
1914
Никольсон