Общая характеристика планет гигантов – Астрономия и Космос

§ 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/см 3 ) 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/см 3 при давлении 10 6 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 10 4 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.

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.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Планеты-гиганты”

Мы с вами уже знаем, что в нашей Солнечной системе принято выделять восемь больших планет. По размерам, массе и общему строению их принято делить на две группы: планеты земной группы, расположенные внутри главного пояса астероидов, и планеты-гиганты — вне его.

На прошлых уроках мы с вами познакомились с особенностями строения и характеристиками планет земной группы: Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Сегодняшний наш урок будет посвящён детальному изучению оставшихся четырёх планет. И начнём мы с самого большого представителя Солнечной системы — Юпитера. Своё название планета получила в честь верховного божества древнеримской мифологии.

Юпитер как планета известен людям с глубокой древности, поскольку его можно наблюдать с Земли невооружённым глазом (по блеску на ночном небе он уступает только Луне и Венере).

Юпитер не зря называют газовым гигантом: средний радиус планеты в 11,2 раза больше радиуса Земли, и равен 69 911 километрам. Масса планеты ещё более внушительна — она почти в 2,47 раза больше массы всех остальных планет Солнечной системы, а массу Земли превосходит в 317,8. Но при этом средняя плотность Юпитера невелика — всего 1,326 г/см 3 . Такая малая плотность объясняется тем, что планета представляет собой газообразное тело с чрезвычайно мощной атмосферой, состоящей главным образом из водорода и гелия.

Среднее расстояние между Солнцем и Юпитером чуть более 5 а. е. Вокруг Солнца планета обращается почти за 11,89 года. А вот скорость вращения вокруг своей оси у Юпитера очень большая и составляет 9,925 земного часа. Из-за такого быстрого вращения облака на планете вытягиваются в полосы, параллельные экватору. Скорость ветра на Юпитере может достигать 600 км/ч.

Для Юпитера, как и для всех планет-гигантов, характерны светлые и тёмные овальные пятна — циклоны и антициклоны, которые могут сохраняться в атмосфере в течение нескольких сотен лет. Самым известным таким образованием является Большое красное пятно, открытое Робертом Гуком ещё 1644 году. Размер этого урагана существенно больше размеров Земли.

В декабре 1995 года в атмосферу Юпитера вошёл зонд «Галилео». На основе полученных данных была предложена следующая модель строения планеты. Верхний слой — атмосфера, которая в основном состоит из водорода и гелия. Температура этого слоя составляет примерно –130 о С при давлении в одну атмосферу.

На глубине в 146 километров давление возрастает до 22 атмосфер и температура повышается до 153 о С. Здесь находится слой смеси водорода и гелия толщиной порядка 21 000 километров, который плавно переходит из газообразного состояния в жидкое. Около центра планеты температура меняется от 6300 К до 21 000 К, а давление возрастает примерно от 200 до 4000 ГПа. Под таким давлением водород сжимается до чрезвычайно плотного состояния, называемого жидким металлическим водородом. Протоны и электроны в таком веществе существуют отдельно друг от друга, что обуславливает хорошую проводимость вещества. Вследствие этого магнитное поле Юпитера в 12 раз мощнее земного.

В центре Юпитера может находиться каменное ядро диаметром около 25 000 километров.

По данным на 2017 год, у Юпитера известно 69 спутников — наибольшее значение среди всех планет Солнечной системы.

В 1979 году мимо Юпитера проходил космический аппарат «Вояджер-1», который обнаружил у планеты три слабых кольца из мелких частиц пыли.

А в июле 1994 года в небе наблюдалось редкое явление: с Юпитером столкнулась комета Шумейкеров—Леви 9. Всего с планетой столкнулось 20 фрагментов. При столкновении с самым большим из них взрыв был эквивалентен взрыву 6 миллионов мегатонных атомных бомб.

Шестой планетой от Солнца и второй по величине в Солнечной системе является Сатурн, названный в честь римского бога земледелия.

Большинство людей знают о Сатурне благодаря его удивительным кольцам. В течение многих веков астрономы считали, что Сатурн — это единственная планета, имеющая кольца. Но сегодня известно, что они есть у всех четырёх газовых гигантов.

Сатурн — планета-гигант, лишь немного уступающая Юпитеру по размеру и обладающая большим сходством с ним. Средний радиус планеты равен 58 232 км, а её масса в 95 раз больше массы Земли. Но при этом средняя плотность Сатурна очень мала — всего 0,687 г/см 3 , что делает его единственной планетой Солнечной системы, чья средняя плотность меньше плотности воды.

Среднее расстояние между Сатурном и Солнцем составляет 9,58 а. е. Поэтому вокруг Солнца планета обращается примерно за 29,5 лет. Период же вращения планеты вокруг оси составляет в среднем 10 ч 32 мин 45 с.

Космические аппараты «Вояджер-1» и Вояджер-2» зафиксировали на Сатурне мощные ураганные ветры, скорость которых достигает 500 м/с.

Верхние слои атмосферы планеты на 96,3 % состоят из водорода. Ещё 3,25 % занимает гелий. Температура верхнего слоя атмосферы невелика — всего –170 о С.

Однако в глубине атмосферы Сатурна растут давление и температура, а водород переходит в жидкое состояние. На глубине примерно в 30 000 км водород становится металлическим. В центре планеты находится массивное ядро, состоящее из силикатов, металлов и, предположительно, льда.

В 80-х годах ХХ века во время пролёта около Сатурна аппарат «Вояджер-1» зафиксировал на его северном полюсе почти правильное шестиугольное устойчиво атмосферное образование с поперечником в 25 тысяч километров. Этот атмосферный феномен пока не имеет строгого научного объяснения.

Главное украшение Сатурна — его кольца, которые впервые были замечены ещё Галилеем в 1610 году, но он принял их за спутники планеты. Поэтому честь открытия колец Сатурна принадлежит Гюйгенсу. Это произошло через 46 лет после наблюдений Галилея.

Снимки, сделанные межпланетными автоматическими станциями, показали, что систему колец образуют тысячи тонких колечек, каждое из которых состоит из миллиардов мельчайших частиц (размером от одного сантиметра до десяти метров). При этом кольца Сатурна очень тонкие. При диаметре около 250 000 километров их толщина не превышает и одного километра.

На 2017 год у Сатурна известно 62 естественных спутника с подтверждённой орбитой.

На расстоянии 19,23 а. е. от Солнца располагается Уран. Это седьмая по удалённости, третья по диаметру и четвёртая по массе планета Солнечной системы. Открыта она была Уильямом Гершелем 13 марта 1781 года и названа в честь греческого бога неба Урана (таким образом, это единственная большая планета, название которой происходит не из римской, а из греческой мифологии).

Вокруг Солнца планета обращается за 84,01 земного года, а период вращения вокруг оси составляет 17 ч 14 мин 24 с. При этом, если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. Объясняется это тем, что плоскость экватора планеты наклонена к плоскости его орбиты на 97,86 о . То есть планета вращается ретроградно, «лёжа на боку слегка вниз головой».

Средний радиус Урана составляет 25 362 километра. Масса планета в 14,6 раза больше массы Земли. Однако её средняя плотность составляет всего 1,27 г/см 3 .

В отличие от газовых гигантов — Сатурна и Юпитера, состоящих в основном из водорода и гелия, в недрах Урана, как и у Нептуна, нет металлического водорода. Предполагается, что в центре Урана находится каменное ядро, которое окружено огромным количеством льда в разных модификациях.

Льды составляют большую часть планеты (до 60 % от общего радиуса). Это дало учёным основание выделить его (наравне с Нептуном) в отдельную категорию «ледяных гигантов». Однако сразу оговоримся, что 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.

Атмосфера планеты состоит в основном из гелия и молекулярного водорода, а сверху покрыта слоем метановых облаков, которые, кстати, и придают планете такой приятный бирюзовый цвет.

Самая низкая температура, зарегистрированная на Уране, составляет –224 о С, что делает планету самой холодной в Солнечной системе.

По состоянию на начало 2017 года, у Урана известно 27 естественных спутников. Так же, как и у всех планет-гигантов, у Урана была обнаружена тонкая и слабовыраженная система колец.

На краю Солнечной системы примерно в 30,10 а. е. от Солнца располагается последняя большая планета Солнечной системы — Нептун. Своё имя она получила в честь древнеримского бога морей.

Нептун — это самый маленький представитель планет-гигантов. Его масса в 17,2 раза, а диаметр экватора в 3,9 раза больше земных. Средняя же плотность планеты, как и других планет-гигантов, не велика и составляет 1,638 г/см 3 .

Вокруг Солнца планета обращается за 164,79 земных лет. А период её вращения вокруг оси составляет 15 ч 57 мин 59 с.

Кстати, Нептун, обнаруженный после полуночи 24 сентября 1846 года, стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам («на кончике пера»).

По своему составу Нептун очень похож на Уран. Однако в атмосфере планеты бушуют самые сильные ветры в Солнечной системе. По некоторым оценкам, их скорости достигают более 583 м/с. Атмосфера составляет 10—20 % общей массы планеты и состоит в основном из водорода, гелия и метана. Под толстым слоем атмосферы располагается мантия, состоящая из воды, аммиака и метанового льда. Температура мантии достигает 5000 К, хотя, по общепринятой терминологии, эту материю называют ледяной и относят Нептун в разряд ледяных-гигантов.

На глубине примерно в 7000 километров метан разлагается на алмазные кристаллы, которые «падают» на железно-никелевое ядро планеты.

На 2017 год у планеты обнаружено 14 естественных спутников. Интересно, что крупнейший спутник Нептуна — Тритон — был открыт английским астрономом Уильямом Ласселом всего через 17 дней после открытия планеты. Также Нептун, как и все планеты-гиганты, имеет систему колец, в которую входит пять компонентов.

Сатурн и Юпитер имеют в своем составе легкие вещества, такие, как водород и гелий. Нептун и Уран в огромном количестве обладают аммиаком, метаном и еще некоторые не очень тяжелые элементы. У них также имеются и другие компоненты, правда, их количество значительно ниже. Исследователи выяснили, что если растет масса планеты, то вырастает и его атмосферный слой. Поэтому наиболее широкой атмосферой наделены все планеты кроме Сатурна, потому как они схожи по своим параметрам. Различие в перечне химического состава объектов обуславливается эволюционным развитием нашей системы планет.

Как уже было отмечено ранее, главной чертой в строении представителей Юпитерианской группы является то, что они не обладают твердой оболочкой, а в имеют лишь легкие вещества в своем составе: гелий и водород. Все, что возможно разглядеть на них, творится в атмосферных слоях. На поверхности Юпитера можно увидеть полоски, которые видны даже в маленькие телескопы. Эти полоски протяженны вдоль экваториальной линии. В высших слоях атмосферы этой планеты можно обнаружить элементы, которые красят атмосферные части в разные оттенки. Плотность же гигантских планет в несколько раз меньше плотности представителей земной группы.