Учебник для 11 класса

Астрономия

§ 9. Планеты гиганты

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• почему планеты-гиганты не имеют твердой поверхности;
• станет ли Юпитер звездой;
• о странной смене времен года на Уране.

Общая характеристика планет-гигантов

Планеты-гиганты в отличие от планет земной группы не имеют твердой поверхности, по химическому составу (99 % водорода и гелия) и плотности ( 1 г/см³) они напоминают звезды. Большая масса этих планет способствует нагреву ядер до температуры свыше + 10000°С (рис. 9.1). Кроме того, планеты-гиганты довольно быстро обращаются вокруг оси и имеют большое количество спутников (см. § 10).

Рис. 9.1. Относительные размеры планет-гигантов

Главной загадкой всех планет-гигантов является источник внутренней энергии, которую излучают эти планеты в инфракрасной части спектра. Источником энергии не могут быть термоядерные реакции, потому что масса планет-гигантов недостаточна для превращения их в звезды. Не исключена возможность, что гиганты излучают энергию, которая была накоплена при образовании Солнечной системы. Возможно, что в прошлом Юпитер имел достаточно высокую температуру на поверхности и светился на небе молодой Земли в 100 раз ярче Луны.

Юпитер

Юпитер был назван в честь могущественного бога римской мифологии. Это самая большая планета Солнечной системы. Основными компонентами атмосферы Юпитера являются водород — 86,1% и гелий — 13,8%, а в облаках замечено присутствие метана, аммиака и водяного пара. Верхний слой светлых облаков, где атмосферное давление достигает 1 атм, имеет температуру -107 °С и состоит из кристалликов аммиака.

Рис. 9.2. Строение атмосферы Юпитера по результатам исследований АМС «Галилей» (США). Уровень, где давление достигает 1 атм, считают своего рода «поверхностью» планеты

Расположенный ниже слой облаков с примесями серы — красного цвета (рис. 9.2—9.4). Ниже всего находятся облака из водяного пара, которые образуются на глубине 80 км от верхних светлых облаков. Температура и атмосферное давление с глубиной постепенно растут.

Рис. 9.3. Полосы облаков в атмосфере. Из недр Юпитера поступает поток энергии, который вызывает конвекцию — теплые слои воздуха поднимаются вверх, а холодные — опускаются вниз. Сильные горизонтальные ветры возникают из-за суточных перепадов температуры между ночным и дневным полушариями планеты

Недавно появились гипотезы о возможности существования жизни в облаках Юпитера, ведь его атмосфера имеет все компоненты, которые были необходимы для появления жизни на Земле. Некоторые слои облаков теплые и относительно комфортные для существования даже земных микроорганизмов.

Рис. 9.4. Большое Красное Пятно, которое находится в южном полушарии Юпитера и по размерам почти вдвое больше, чем Земля, является огромным вихрем в атмосфере, в котором ветер дует с ураганной скоростью до 100 м/с (фото АМС «Вояджер», США). Почему этот вихрь, который заметили еще 300 лет назад, существует до настоящего времени, остается загадкой

Для любознательных

На глубине 20000 км водород переходит в металлическое состояние, и его физические свойства напоминают расплавленный металл, который хорошо проводит электрический ток. Такого агрегатного состояния водорода (плотность 4 г/см³ при давлении 10⁶ атм) на Земле не существует. Благодаря электрическому току, который генерируется в этой металлической оболочке, возникает мощное магнитное поле, поэтому вокруг Юпитера образуются радиационные пояса, которые в 10⁴ раза интенсивнее земных. Юпитер является мощным источником радиоизлучения. В центре Юпитера существует твердое ядро, по химическому составу подобное планетам земной группы, которое может состоять из скальных пород.

Сатурн

Сатурн — самая удаленная планета, которую знали астрономы в древности,— названа в честь отца главного бога Юпитера. После изобретения телескопа обнаружили, что Сатурн является самой красивой планетой Солнечной системы, так как его сказочное кольцо завораживает как детей, так и взрослых (о природе кольца см. § 10). Сатурн не имеет того разнообразия красок, который наблюдается в атмосфере Юпитера, но структура атмосфер этих планет очень похожа. Желтоватый цвет верхним слоям атмосферы Сатурна придают снежные облака из аммиака (рис. 9.5). На глубине 300 км от верхних слоев облаков располагаются облака воды, в которых при повышении температуры снег превращается в дождь.

Рис. 9.5. Верхние слои облаков получают энергию как от Солнца, так и из глубин Сатурна. В результате взаимодействия этих потоков энергии возникают сильные ветры, направленные преимущественно с запада на восток, скорость которых достигает 400 м /с. Из-за ветров образуются темные полосы облаков, которые располагаются параллельно экватору.

Средняя плотность Сатурна меньше, чем воды, что свидетельствует о небольшом количестве тяжелых химических элементов в ядре планеты.

Сатурн, как и Юпитер, имеет магнитное поле, радиационные пояса и является источником радиоизлучения.

Для любознательных

Сатурн излучает в космос больше энергии, чем получает от Солнца. Астрономы недавно обнаружили дефицит гелия в атмосфере Сатурна по сравнению с атмосферой Юпитера и предложили интересную гипотезу о возможном источнике его энергии. На Сатурне гелий не полностью растворяется в водороде. В водородной атмосфере Сатурна он образует капли, которые конденсируются в атмосфере как своеобразный туман и затем выпадают в виде дождя. Такие гелиевые осадки в верхних слоях атмосферы могут быть источником внутренней энергии, поскольку более плотный гелий (по сравнению с водородом) опускается ближе к центру. Потенциальная энергия капель гелия превращается в кинетическую, что приводит к повышению температуры в недрах. Со временем гелиевые дожди прекратятся и температура на Сатурне снизится.

Уран

Планета названа в честь бога неба Урана и является истинно голубой, так как одну седьмую ее атмосферы составляет метан. Существует одна особенность, которая выделяет Уран среди всех планет Солнечной системы: его экватор наклонен к плоскости орбиты под углом 98°. Такой большой угол наклона приводит к уникальной в Солнечной системе смене времен года — полярные круги располагаются почти на экваторе, а тропики — у полюсов. Это означает, что Солнце освещает один из полюсов планеты почти 42 земных года, в то время как на другом полюсе столько же длится полярная ночь (рис. 9.6). Уран получает от Солнца гораздо меньше энергии, чем Земля, и температура верхних слоев атмосферы не поднимается выше -215 °С.

Астрономы долгое время наблюдали за Ураном, но не обнаружили существенных изменений цвета или образований в атмосфере. Только в 2007 г., когда Солнце освещало одновременно оба полушария Урана (рис. 9.6), в телескопы были замечены полосы облаков.

Рис. 9.6. Ось вращения Урана лежит почти в плоскости орбиты, поэтому там тропики совпадают с полярным кругом. Продолжительность сезонов на Уране 21 земной год. Осевое вращение Урана происходит в направлении, противоположном направлению вращения других планет

Нептун

Планета, которую назвали в честь бога подводного мира, находится на окраине Солнечной системы и имеет период обращения 164,8 земного года. Со времени своего открытия в 1846 г. Нептун сделал полный оборот вокруг Солнца только в 2011 г. Планета имеет сильный внутренний источник энергии и излучает в космос тепла почти втрое больше, чем получает от Солнца.

Под облаками температура атмосферы постепенно повышается до +700 °С, поэтому вода там не может находиться в жидком состоянии. Более реальна гипотеза о водяных облаках с раствором аммиака, плотность которых может превосходить плотность жидкой воды в несколько раз (рис. 9.7). Скорость ветров в облаках достигает 500 м/с. Почему возникают сильные ветры на такой холодной планете — это еще одна неразгаданная тайна Нептуна.

Рис. 9.7. На Нептуне обнаружен гигантский вихрь с диаметром более 1000 км, который называется Большое Черное Пятно

Выводы

По химическому составу планеты-гиганты напоминают звезды. У них нет твердой поверхности, и потому на эти планеты никогда не совершат посадку пилотируемые космические корабли. Под холодными облаками гиганты имеют горячие недра, температура которых достигает десятков тысяч градусов. Одной из тайн остается источник внутренней энергии планет-гигантов, так как все они, за исключением Урана, излучают в космос больше энергии, чем получают от Солнца.

Тесты

1. Какие планеты излучают в космос больше энергии, чем получают от Солнца?
   А. Все планеты-гиганты.
   Б. Юпитер, Сатурн, Нептун.
   В. Юпитер, Сатурн, Уран.
   Г. Уран.
2. Какие планеты вращаются вокруг оси в обратном направлении?
   А. Венера, Юпитер.
   Б. Все планеты-гиганты.
   В. Юпитер, Сатурн.
   Г. Уран, Венера.
3. На поверхности какой из этих планет наблюдается самая большая продолжительность дня?
   А. На Венере.
   Б. На Марсе.
   В. На Юпитере.
   Г. На Уране.
   Д. На Земле.
4. Сколько времени длится день на полюсах Урана?
   А. 21 земной год.
   Б. 17 ч 14 мин.
   В. 1 месяц.
   Г. 1 земной год.
   Д. 42 земных года.
5. Какие особенности у планет-гигантов?
6. Почему Юпитер можно считать очень похожим на звезду?
7. Что вызывает гелиевые дожди на Сатурне?
8. Чем обусловлена смена времен года на Уране?
9. Вычислите наименьшее и наибольшее расстояния между Землей и Юпитером (см. прил. 3, 4).
10. С помощью подвижной карты звездного неба определите, в какое время планеты-гиганты восходят и заходят в день вашего рождения в текущем году.

Диспуты на предложенные темы

1. Почему возникли гипотезы о возможной жизни в облаках Юпитера?

Задания для наблюдений

1. С помощью астрономического календаря отыщите на небе Юпитер и Сатурн и определите, в каком созвездии наблюдаются эти планеты.
2. Какие планеты-гиганты видны сегодня в вечернее время?

Ключевые понятия и термины:

Большое Красное Пятно, Большое Черное Пятно, планеты-гиганты, слои облаков, полосы облаков.