Юпитер — царь планет
Вероятно, окончательную судьбу и состояние планет, обращающихся в настоящее время вокруг Солнца, в первую очередь предопределило распределение температуры в первичной солнечной туманности. В теплых внутренних областях туманности пылевые частицы состояли в основном из металлов, окислов и силикатов. Температура там была слишком высока, и это исключало возможность существенной конденсации таких летучих веществ, как вода, метан и аммиак. Поэтому четыре планеты, образовавшиеся вблизи первичного Солнца, должны были состоять почти целиком из твердого каменного вещества. Хотя основными веществами в солнечной туманности были водород и гелий, небольшие внутренние планеты не могли удержать ни один из этих легких газов. Сила тяжести на поверхности этих планет была слишком мала, а поверхностные температуры слишком высоки. Поэтому водород и гелий легко улетучивались в космическое пространство.
Однако на расстояниях около полумиллиарда километров от Солнца всегда было холодно. На орбите Юпитера, которая расположена в пять раз дальше от Солнца, чем орбита Земли, освещенность, создаваемая Солнцем, составляет только 1/27 от освещенности на поверхности нашей планеты. Даже в очень далекие времена температура там была чрезвычайно низкой, и поэтому первичные пылевые частицы были покрыты толстыми заиндевелыми слоями льда и замерзших метана и аммиака. Таким образом, было «предначертано», что эти летучие вещества станут существенными составляющими далеких миров, обращающихся вокруг Солнца.
На этом расстоянии от протосолнца объединение первичных пылевых частиц, покрытых льдом, должно было происходить в бешеном темпе, гораздо эффективнее, чем во внутренних областях солнечной туманности. Так быстро сформировалось большое ядро планеты - первичный зародыш, вокруг которого мог расти Юпитер. В дальнейшем благодаря низкой температуре и большой силе тяжести на поверхности массивного ядра протопланеты ее гравитационное поле могло захватить большое количество водорода и гелия. Как показали детальные расчеты этого процесса, проведенные Ф. Перри и А. Камероном, атмосфера из водорода и гелия должна была становиться гидродинамически неустойчивой. Другими словами, как только ядро планеты выросло до определенного критического размера, водород и гелий, находящиеся вблизи нее, сразу обрушились на протопланету. Таким образом сформировалась самая большая планета в Солнечной системе, содержащая 82% водорода, 17% гелия и 1% прочих веществ, т.е. ее состав по существу оказался очень близким к составу первичной солнечной туманности. Можно полагать, что состав и размеры Сатурна объясняются примерно теми же общими процессами (вероятно, образование Урана и Нептуна происходило подобным образом, но гораздо менее интенсивно).
Юпитер-огромен. Его диаметр в 11,25 раза больше диаметра Земли: если бы Юпитер был полый, то внутри его могло бы поместиться 1400 земных шаров.
Юпитер-массивен. Его масса в 318 раз больше массы Земли и в 2,5 раза больше массы всех остальных тел Солнечной системы - планет, спутников, астероидов, метеоритов и комет, вместе взятых.
Юпитер вращается очень быстро. Вокруг своей оси он вращается быстрее любой другой планеты в Солнечной системе. «День» на Юпитере длится всего только 9 ч 55 мин. Фактически планета вращается не как твердое тело: экваториальные области вращаются чуть быстрее (9 ч 50 мин), чем среднеширотные и полярные. Это, конечно, объясняется тем, что планета состоит не из твердого вещества.
Быстрым вращением непосредственно обусловлены многие замечательные свойства Юпитера. Его форма отлична от сферической. Юпитер чуть «сплюснут» по экватору: экваториальный диаметр Юпитера приблизительно на 9000 км больше диаметра, проведенного от южного полюса планеты к северному.
Быстрое вращение Юпитера во многом определяет и общий облик планеты. Даже небольшого любительского телескопа достаточно, чтобы увидеть характерную полосатую структуру верхнего слоя облаков Юпитера. В верхней атмосфере обнаруживается серия светлых и темных полос, обращающихся параллельно юпитерианскому экватору. Светлые белесые полосы принято называть зонами, а более темные, красновато-коричневыми полосами. Те, кто следит за сообщениями о погоде, передаваемыми в вечерних последних известиях, знают, что на метеорологические условия на нашей планете сильно влияет перемещение областей высокого и низкого давлений в атмосфере. В областях высокого давления атмосферное давление выше среднего значения. Если бы мы могли увидеть земную атмосферу из космического пространства, то заметили бы в ней выпуклость там, где скопилось «избыточное» количество воздуха. «Избыток» воздуха создает дополнительное давление на земную поверхность; это и есть области высокого давления. В областях низкого давления атмосферное давление ниже среднего. Такие области выглядели бы из космоса как впадины в атмосфере, возникающие там, где на земную поверхность давит масса воздуха меньше средней. Подобно тому как вода течет под гору, воздушный поток имеет преобладающее направление от областей высокого давления к областям низкого давления. Дождь и снег, облака и солнечный свет появляются и исчезают по мере того, как области высокого и низкого давления постепенно проходят по нашей небольшой, медленно вращающейся планете.
В начале 70-х годов XX века два космических аппарата пролетели мимо Юпитера, передав на Землю множество фотографий и разнообразных данных об атмосфере Юпитера и о его окрестностях. Из полученных сведений вскоре стало ясно, что светлые зоны - это области высокого атмосферного давления - на Юпитере, а темные полосы-области низкого давления. Теплые газы поднимаются вверх в области зон и остывают, достигнув верхней границы облаков. Затем, охладившиеся газы «падают» в соседние полосы, где давление низкое. Вследствие быстрого вращения планеты сильные пассаты и мощные струйные потоки текут по границам между полосами и зонами. В действительности картина крупномасштабной циркуляции в атмосфере Юпитера точно такая, какую мы могли бы получить, если бы «растянули» области высокого и низкого давления в земной атмосфере вокруг всей планеты. Иначе говоря, из-за быстрого вращения Юпитера циклоны и антициклоны, связанные с областями высокого и низкого давления, полностью «обвивают» гигантскую планету. В высоких широтах, в южной и северной полярных областях, упорядоченная картина зон с высоким давлением и полос с низким давлением разбивается на беспорядочные ураганы.
При помощи небольшого телескопа кроме полос и зон нетрудно также увидеть одну замечательную и маломеняющуюся деталь в атмосфере Юпитера - так называемое Большое Красное Пятно. Первым увидел Большое Красное Пятно итальянский астроном Джованни Доменико Кассини в 1665 г. Хотя яркость окраски пятна порою несколько блекнет, эту деталь астрономы наблюдают уже в течение трех столетий.
Подобно самой планете Большое Красное Пятно - огромно. Его ширина составляет приблизительно 14000 км, а длина в течение веков менялась от 30000 до 40000 км, т.е. на Большом Красном Пятне могли бы удобно разместиться рядом три земных шара.
Большое Красное Пятно расположено в хорошо изученной зоне, лежащей к югу от юпитерианского экватора, называемой Южной Тропической зоной. Данные, полученные «Пионером-10» и «Пионером-11», показали, что имеющая цвет ржавчины верхняя граница облаков Большого Красного Пятна простирается на несколько километров выше окружающей верхней границы облаков Южной Тропической зоны. Но, как мы уже знаем, Южная Тропическая зона сама является областью высокого давления на Юпитере, так как граница облачного слоя зон на несколько километров выше границы облачного слоя полос. Таким образом, Большое Красное Пятно представляет собой область высокого давления, расположенную в зоне, где давление само по себе выше среднего. Поэтому Большое Красное Пятно иногда называют суперзоной.
В Большом Красном Пятне ветры направлены против часовой стрелки. Подобно огромному вихрю, в области которого давление высоко, Большое Красное Пятно вращается, делая один оборот за 12 земных суток. Расчеты, недавно выполненные Эндрю Ингерсолом при помощи ЭВМ, показали, что циркуляция такого масштаба в атмосфере Юпитера сравнительно устойчива и происходит без трения. Другими словами, подобно колесу, катящемуся между двумя поверхностями, движущимися в противоположных направлениях (рис. 73), Большое Красное Пятно вращается практически без трения или торможения. Поэтому-то такой огромный вихрь и может бушевать в течение трех столетий. Если бы Большое Красное Пятно было гораздо меньше, то оно испытывало бы более сильное торможение, и тогда вихрь скоро бы исчез. Действительно, на планете изредка наблюдались «небольшие красные пятна». Эти ураганы меньших размеров (величиной всего лишь с Землю) обычно через год-два иссякали.
Хотя ученые начинают понимать динамику метеорологических условий на Юпитере, цвета и оттенки, наблюдаемые в его атмосфере, остаются совершенно непостижимыми.
Как мы уже знаем, Юпитер в основном (на 99%) состоит из водорода и гелия. Ни один из этих бесцветных газов не может придать атмосфере планеты окраску и оттенки, в действительности преобладающие в ее внешнем облике. Известно, что в атмосфере Юпитера присутствуют и другие вещества, а именно метан, аммиак и водяной пар. Хотя это тоже бесцветные газы, присутствие кристаллов аммиачного льда может объяснить светлую окраску верхней границы облаков в области зон. Здесь температура падает до —130° С, и аммиак кристаллизуется в белесые снежные хлопья.
Но почему облака приобретают красноватый цвет, когда эти газы «переваливаются» из зон в соседние полосы? Некоторые ученые полагают, что при воздействии ультрафиолетового излучения Солнца на определенные вещества, содержащиеся на верхней границе облаков Юпитера, могут происходить фотохимические реакции. Проще говоря, ультрафиолетовое излучение вызывает реакцию, которая превращает какие-то (пока еще не открытые) химические соединения в новое вещество красновато-коричневого цвета. Когда это темное вещество опускается из зон в полосы, оно диссоциирует обратно на свои первоначальные компоненты и, поднимаясь через зоны, вновь оказывается чистым и бесцветным.
Но есть и другое объяснение, исходящее из заманчивой возможности протекания на Юпитере каких-то биологических процессов.
В начале 50-х годов Гарольд Юри и Стенли Миллер провели классический эксперимент: они поместили в колбу газовую смесь, состоящую из аммиака, метана, водяного пара и водорода, и затем пропускали через нее искровые разряды. Таким путем ученые просто пытались воспроизвести условия, существовавшие в первичной атмосфере Земли. Через несколько дней в колбе были обнаружены аминокислоты-«строительные блоки» молекул белков.
В последующие годы этот эксперимент многократно осуществлял Сирил Поннамперума в лаборатории химической эволюции в университете штата Мэриленд. Мы, разумеется, далеки от того, чтобы считать себя способными сотворить жизнь непосредственно из неорганических химических веществ, однако совершенно очевидно, что в описанных экспериментах образуются многие из молекулярных строительных блоков живой материи. Примечательно, что темное «варево», которое возникает в этих экспериментах, имеет характерный красновато-коричневый цвет, т.е. точно такую же окраску и те же оттенки, которые наблюдаются в полосах Юпитера.
По-видимому, вполне разумно предположить, что подобные химические реакции происходят в турбулентной атмосфере Юпитера. В 1955 г. радиоастрономы открыли, что мощные перемежающиеся всплески помех земной радиосвязи обусловлены излучением Юпитера. Очевидным объяснением этих помех может быть то, что в облаках Юпитера проходят грозовые фронты и непрерывно сверкают молнии. Соответствующие химические соединения в атмосфере Юпитера есть, электрические разряды происходят. Так почему бы там не быть аминокислотам и нуклеотидам? И поскольку такая химическая «обработка» происходила миллиарды лет (а не в течение нескольких дней, как в лабораторных экспериментах), возможно, что уже прошло достаточно времени для развития живых организмов. Всего только на 100 км ниже верхней границы облаков Юпитера температура и давление вполне подходят для этого, даже по земным стандартам. Простые одноклеточные организмы легко могли бы там выжить, плавая среди облаков.
Поскольку биологические эксперименты, проведенные «Викингами» на Марсе, дали отрицательные результаты, облака Юпитера, возможно, послужат новой мишенью для поисков внеземной жизни.
В 1977 г. Карл Везе из университета штата Иллинойс сообщил об открытии формы жизни, не известной ранее на Земле. В отличие от бактерий, а также растений и животных организмов вновь открытая форма жизни существует только в бескислородной среде - она была обнаружена в глубоких горячих источниках Йеллоустонского национального парка (США) и на дне океана. Эти простейшие организмы, внешне похожие на бактерии, усваивают углекислый газ, воду и водород, а выделяют метан. Вполне возможно, что названные одноклеточные организмы относятся к первичным организмам, из которых в конечном счете развилась вся жизнь на Земле. Эти древние организмы идеально приспособлены к первичной атмосфере Земли и могли бы также существовать в облаках Юпитера. Конечно, думать, что метан (часто называемый «болотным газом»), обнаруживаемый в атмосфере Юпитера, в действительности мог бы частично образоваться в результате биологических процессов, происходящих в полосах и зонах, -это значит дразнить себя ложными надеждами.
При проектировании космических аппаратов для полетов к Юпитеру следует уделять больше внимания экранированию приборов от интенсивного воздействия частиц высоких энергий. Юпитер, как и Земля, имеет магнитное поле, которое захватывает заряженные частицы (протоны и электроны) из солнечного ветра. В окрестностях Земли частицы захватываются в два гигантских тороидальных пояса, образуя так называемые радиационные пояса Земли (или пояса ван Аллена), которые полностью окружают Землю. Радиационные пояса занимают внутренние области земной магнитосферы. Внешние ее области находятся под сильным воздействием солнечного ветра. Там, где солнечный ветер, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью, внезапно замедляется при первом столкновении с геомагнитным полем, образуется ударная волна. За фронтом ударной волны находится турбулентная область - магнито-слой, в котором солнечный ветер стремится обтекать Землю. Внутренняя граница магнитослоя называется магнитопаузой; здесь давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Из-за постоянного обдувания солнечным ветром магнитосфера Земли сносится в направлении от Солнца подобно гигантской невидимой комете.
Астрономам давно известно, что у Юпитера должно быть сильное магнитное поле. Существование глобального магнитного поля дает самое простое объяснение постоянным радиопомехам, обусловленным радиоизлучением Юпитера, которые впервые были открыты в конце 50-х годов XX века. Многие из этих непрерывных помех легко можно объяснить движением электронов с большой скоростью в магнитном поле планеты. Но более глубокое изучение магнитосферы Юпитера должны были осуществить аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11» в начале 70-х годов. Эти полеты показали, что магнитное поле Юпитера примерно в 10 раз сильнее земного. Кроме того, силовые линии магнитного поля Юпитера оказались направленными противоположно силовым линиям земного магнитного поля. На Юпитере стрелка компаса указывала бы направление на южный полюс.
Предполагается, что магнитное поле Земли является результатом существования электрических токов в жидкой части железного ядра Земли. Подобно гигантскому динамо эти токи при вращении Земли порождают общее магнитное поле нашей планеты. Однако у Юпитера нет железного ядра, поскольку он в основном состоит из водорода. Так что же может служить источником сильного магнитного поля Юпитера? Глубоко под верхним слоем облаков Юпитера атмосферное давление должно быть колоссальным. Сокрушающий вес триллионов триллионов тонн газа, давящий сверху, создает условия, невообразимые на Земле. Действительно, приблизительно на половине расстояния от поверхности до ядра Юпитера давление так велико, что находящийся там в жидком состоянии водород фактически переходит в металлическое состояние. Хотя жидкий металлический водород никогда не удавалось наблюдать в земных лабораториях, ученые вполне уверенно предсказывают существование жидкого металлического водорода при чрезвычайно высоких давлениях. По мнению ученых, большая часть недр Юпитера состоит из жидкого металлического водорода. Электрические токи в жидких металлических недрах Юпитера, вероятно, являются источником его магнитного поля, точно так же, как токи в жидком железном ядре Земли создают ее магнитное поле.
Так как магнитное поле Юпитера много сильнее земного, магнитосфера Юпитера поистине колоссальна. Если бы можно было увидеть магнитосферу Юпитера ночью невооруженным глазом, она казалась бы в 16 раз больше полной Луны, хотя сам Юпитер выглядит на нашем небе не более чем очень яркой звездой.
Магнитосфера Юпитера, как и магнитосфера Земли, ограничена фронтом ударной волны, магнитослоем и магнитопаузой. Но вследствие быстрого вращения планеты на заряженные частицы, находящиеся внутри магнитосферы Юпитера, действуют центробежные силы большей величины. Поэтому частицы не захватываются тороидальными радиационными поясами, а отбрасываются в гигантский плоский слой, называемый токовым кольцом, которое расположено примерно параллельно плоскости магнитного экватора планеты.
В протяженной магнитосфере Юпитера наблюдаются такие сложные явления, которые просто невозможны на нашей планете. Дело в том, что орбиты пяти из четырнадцати спутников Юпитера расположены внутри его магнитосферы. Орбиты всех четырех гигантских галилеевых спутников (Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто), а также крошечной Амальтеи проходят так близко к Юпитеру, что они постоянно выметают из магнитосферы заряженные частицы, оставляя позади себя пустые коридоры. Это приводит к временному уменьшению интенсивности радиации вблизи Юпитера; есть даже некоторые свидетельства того, что, возможно, каждые 10 ч магнитосфера Юпитера полностью опустошается.
Изучение магнитосферы Юпитера определенно является одной из главных целей космических полетов, планируемых в США на 80-е годы. Конечно, это было бы лучше сделать при помощи орбитальных космических аппаратов, чем при кратких пролетах «Пионера-10» и «Пионера-11», а также «Вояджера-1» и «Вояджера-2». Если бы представилась благоприятная возможность изучить галилеевы спутники с близкого расстояния, то это было бы большой удачей таких полетов. Каждая из этих четырех лун Юпитера по размерам не уступает Меркурию, и всем им по праву полагалось бы считаться планетами. По-видимому, каждая из них имеет свои отличительные особенности. Ио состоит главным образом из твердых пород. Европа, вероятно, покрыта толстым слоем льда. У Ганимеда и Каллисто также возможны существенные запасы воды под поверхностью. Можно предполагать, что будущие полеты позволят обнаружить там множество интереснейших деталей, которые не в силах создать наша даже самая необузданная фантазия.
|
|
Читайте в рубрике «Планета Юпитер»: |