Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 9. Планети-гіганти

Юпітер — п’ята та найбільша планета Сонячної системи (мал. 2.18).

Мал. 2.18

Маса його в 2,5 раза більша за масу всіх разом узятих планет системи і в 318 разів більша за масу Землі. Юпітер є газоподібним тілом з надзвичайно потужною атмосферою, яка складається переважно з водню й гелію. Діаметр планети — 43 000 км. Відстань від Сонця змінюється в межах від 4,95 до 5,45 а. о. (740-814 млн км), середня відстань — 5,203 а. о. (778,57 млн км). Орбітальний період дорівнює 11,86 року. Оскільки ексцентриситет орбіти Юпітера дорівнює 0,0488, то різниця відстаней до Сонця в перигелії та афелії становить 76 млн км. Юпітер обертається навколо своєї осі швидше, ніж будь-яка інша планета Сонячної системи. Період обертання на екваторі — 9 год 50 хв 30 с, а на середніх широтах — 9 год 55 хв 40 с. Через швидке обертання екваторіальний радіус Юпітера (71 492 км) більший від полярного (66 854 км). Відстань між Юпітером і Землею змінюється в межах від 588 до 967 млн км. Температура на поверхні — 140 °С. Під час великих протистоянь Юпітер може досягати видимої зоряної величини -2,94. Він один з найяскравіших об’єктів на нічному небі після Місяця та Венери. Природних супутників у Юпітера — 79. Це найбільша кількість відкритих супутників серед усіх планет Сонячної системи. Крім того, Юпітер має систему кілець.

Юпітер схожий на зорі, бо за середньою густиною на ньому переважають водень і гелій. На відміну від планет земної групи, у гігантів немає твердої поверхні. Те, що ми спостерігаємо, — це вершини хмар, що пливуть в атмосфері. Через швидке обертання планет-гігантів і сильні вітри хмари витягаються у смуги паралельно екватору. Хмари бувають різного кольору завдяки домішкам аміачних, метанових та інших складних сполук. Світлі й темні смуги атмосфери Юпітера пояснюються різними зонами тиску. Світлі зони — це області високого тиску, а темні — низького. Теплі гази піднімаються нагору і, досягнувши верхньої межі хмар, охолоджуються. Потім вони падають у сусідні смуги, де тиск менший.

Для Юпітера, як і для всіх планет-гігантів, характерні світлі й темні овальні плями. Найпомітніша з них — Велика Червона Пляма (мал. 2.19), що спостерігається протягом трьох століть. Це величезний і дуже стійкий вихор, схожий на земний ураган.

Мал. 2.19

У полярних хмарах Юпітера спостерігається явище, подібне до земного північного сяйва (мал. 2.20).

Мал. 2.20

Внутрішню будову Юпітера можна уявити у вигляді оболонок з густиною, що збільшується в напрямку до центра планети. На дні атмосфери завтовшки 1500 км розташований шар газорідкого водню завтовшки 7000 км. На рівні 0,88 радіуса планети, де тиск становить 0,69 · 1011 Па, а температура — 6200 °С, водень переходить у рідкомолекулярний стан і ще через 8000 км — у рідкий металевий стан. Поряд з воднем і гелієм шари містять невелику кількість важких елементів. У центрі Юпітера є тверде ядро, що складається з оксидів кремнію, магнію й заліза з домішками. Внутрішнє ядро діаметром 25 000 км — металосилікатне, із часткою води, аміаку й метану, оточене гелієм. Температура в центрі становить 23 000 °С, а тиск — 50 · 1011 Па. Така висока температура пояснюється повільним гравітаційним стисканням планети.

На рівні приблизно 0,77 радіуса планети починається оболонка, де водень набуває властивостей металу. Тут він стискається так сильно (4 · 1012 Па), що електрони залишають свої атоми і вільно переміщуються. Це є причиною появи магнітного поля Юпітера, напруженість якого на межі хмар у 12 разів вища, ніж у земного магнітного поля.

У 1979 р. космічні апарати «Вояджер-1» і «Вояджер-2» виявили в Юпітера кільця (мал. 2.21). Вони складаються з дуже дрібних пилинок (0,2-200 мкм). Ці пилинки поступово падають в атмосферу Юпітера, а їхнє місце займають інші, які утворюються під час зіткнення малих супутників, особливо Амальтеї, з метеоритними тілами.

Мал. 2.21

Система кілець Юпітера є слабкою та складається переважно з пилу. Товстий тор із частинок відомий як «кільце-гало» (англ. halo ring). Відносно яскраве, дуже тонке «головне кільце» і два широких та слабких зовнішніх кільця — «павутинні кільця» (англ. gossamer rings — кільця тонкі та прозорі, як павутина), які названо за матеріалом супутників, які їх формують: Амальтеї та Теби.

Розмір пилинок у кільцях різний, але площа поперечного перерізу найбільша для несфероїдальних частинок з радіусом 15 мкм у всіх кільцях, крім «кільця-гало». Загальна маса системи кілець невідома, але це приблизно від 1011 до 1016 кг. Вік системи кілець невідомий, але вони могли існувати з моменту остаточного формування Юпітера.

Сатурн — це друга за величиною планета-гігант, оточена гарними кільцями (мал. 2.22). Диск планети помітно сплюснутий біля полюсів. Екваторіальний радіус планети дорівнює 60 300 км, а полярний — 54 400 км.

Екваторіальний діаметр верхньої межі хмар — 120 536 км, а полярний — на кілька сотень кілометрів менший. Це спричинено тим, що в Сатурна найменша густина з усіх планет Сонячної системи. Оскільки ексцентриситет орбіти Сатурна дорівнює 0,056, то різниця у відстані до Сонця в перигелії та афелії становить 162 млн км.

Середня відстань між Сатурном і Сонцем становить 9,58 а. о. (1430 млн км). Середня температура на поверхні — 170 °С. Рухаючись із середньою швидкістю 9,69 км/с, Сатурн обертається навколо Сонця приблизно за 29,46 року (10 759 днів). Відстань від Сатурна до Землі змінюється в межах від 8,0 до 11,1 а. о. (1195-1660 млн км), середня відстань під час протистояння — близько 1280 млн км. Сатурн і Юпітер обертаються майже в точному резонансі (2:5). Періодом обертання Сатурна навколо осі вважають 10 год 34 хв 13 с. Точне значення періоду обертання внутрішніх частин планети залишається невідомим. Природних супутників — 62, найбільший з них Титан.

Кільця Сатурна (мал. 2.22) помітив ще Галілео Галілей. У 1610 р. він виявив по обидва боки диска незрозумілі придатки. Але лише Крістіан Гюйгенс у 1656 р. розрізнив тонке плоске кільце, що не стикається з планетою. Із Землі в телескоп можна побачити кілька кілець, відділених одне від одного темними проміжками.

Мал. 2.22

На основі спектральних досліджень у 1895 р. науковець Аристарх Бєлопольський (1854-1934) установив, що кільця не монолітні, а складаються з окремих дрібних тіл.

Фото, отримані космічними апаратами, показали, що кільця Сатурна утворені величезною кількістю кілець, що складаються із частинок криги, пилу, кам’яних уламків різних розмірів. Вони рухаються навколо планети, ніби супутники, і так близько розміщені одне до одного, що здалеку здаються суцільним поясом планети. Товщина кілець не перевищує 2 км, а товщина окремого кільця — понад 30 м. Учені передбачають, що в атмосфері Сатурна міститься 94 % водню і 6 % гелію (за об’ємом). Його маса в 95 разів більша за масу Землі, напруженість магнітного поля трохи слабша від земного.

Площина кілець розташована в площині екватора Сатурна, яка нахилена під кутом 27° до площини орбіти. Під час руху Сатурна по орбіті кільця, зберігаючи положення в просторі, двічі за один оберт планети навколо Сонця повернуті до Землі своєю площиною. Оскільки їхня товщина мала, то в невеликі телескопи їх у цей час не видно. Діаметр по зовнішньому краю кільця становить 272 тис. км, а по внутрішньому — 144 тис. км. Сумарна маса кілець становить приблизно 3 · 10-8 маси Сатурна.

Уран — третя за розмірами планета-гігант. Планета має дуже гарні зеленувато-блакитнуваті кольори (мал. 2.23). Причина цього — склад атмосфери планети та її температура.

Мал. 2.23

За температури -217 °С у верхніх шарах воднево-гелієвої атмосфери Урана утворюється метановий туман. Метан добре поглинає червоні промені й відбиває блакитні й зелені. Тому планета має гарні бірюзові кольори. В атмосфері Урана не спостерігається жодних помітних збурень.

Інколи Уран помітно неозброєним оком, він темнуватий і повільно рухається, тому раніше його вважали дуже віддаленою зорею. Вісь обертання Урана майже горизонтальна. Напрямок обертання протилежний до напрямку обертання навколо Сонця. Уран рухається навколо Сонця майже коловою орбітою (ексцентриситет 0,047), середня відстань від Сонця у 19 разів більша, ніж у Землі, і становить 2871 млн км. Діаметр — 51 000 км. Середня температура на поверхні -200 °С. Площина орбіти нахилена до екліптики під кутом 0,8°. Один оберт навколо Сонця Уран здійснює за 84,01 земного року. Період власного обертання Урана становить приблизно 17 годин. Природних супутників — 27. Темних кілець — 11. У складі планети є велика кількість льоду, тому її вважають крижаним гігантом.

У 1977 р. було відкрито кільця Урана. Фото, зроблені «Вояджером-2» в 1986 р., підтвердили їхнє існування. Уран оточений одинадцятьма вузькими кільцями, що розміщуються в площині екватора на відстані від 42 до 51,4 тис. км (або 1,65-2,02 радіуса) від центра планети. Типова ширина кілець від 1 до 8 км, тільки в найбільшого вона змінюється від 22 до 93 км. Товщина кілець не перевищує 1 км. Кільця Урана складаються з дрібного пилу та невеликих твердих темних частинок.

Уран важчий за Землю в 14,5 раза, що робить його найменш масивним з планет-гігантів Сонячної системи. Густина Урана — 1,270 г/см3, він другий після Сатурна за найменшою густиною серед планет Сонячної системи. Уран складається в основному з різних льодів — водного, аміачного та метанового. Їхня маса за різними оцінками становить від 9,3 до 13,5 земної маси.

Водень і гелій складають лише малу частку від загальної маси (між 0,5 і 1,5 земних мас), інша частка (0,5-3,7 земних мас) припадає на гірські породи, які становлять ядро планети.

Магнітне поле Урана має цікаву особливість. Вісь обертання планети майже збігається з площиною орбіти, і лінії магнітного поля скручені обертанням Урана в довгий вихор за планетою. Напруженість магнітного поля приблизно дорівнює земній.

Нептун — третя за масою планета Сонячної системи, рухається навколо Сонця майже коловою орбітою. Нептун став першою планетою, яку було відкрито не за спостереженнями, а завдяки математичним розрахункам у 1846 р.

Він розміщений майже на краю Сонячної системи й одержує дуже мало сонячної енергії. Але, незважаючи на це, планета дуже активна. На фото Нептуна добре видно хмари, що з’являються й зникають в атмосфері планети. Примітною деталлю Нептуна є й Велика Темна Пляма (мал. 2.24), схожа за структурою на Велику Червону Пляму Юпітера. Швидкість вітру в атмосфері Нептуна сягає рекордного значення — 640 м/с. Атмосфера складається з водню, гелію і метану. У складі планети є значна кількість льоду. Планета належить до крижаних гігантів.

Мал. 2.24

Маса Нептуна у 17,2 раза більша за земну, а діаметр екватора — у 3,9 раза (тобто Нептун має масу 1,0243 · 1026 кг та екваторіальний радіус — 24 764 км). Нептун рухається навколо Сонця еліптичною, близькою до колової, орбітою (ексцентриситет 0,009). Його середня відстань від Сонця у 30 разів більша, ніж в Землі, і становить приблизно 4497 млн км. Це значить, що світло від Сонця до Нептуна йде трохи більше ніж 4 години. Тривалість одного повного оберту навколо Сонця — 164,8 земного року. Власне обертання досить швидке — доба на Нептуні триває всього 16 годин. Прискорення вільного падіння на поверхні цієї планети в середньому в 1,14 раза більше за земне (більше має лише Юпітер). Середня густина Нептуна (1,66 г/см3) майже втричі менша за земну. Нептун має магнітне поле, напруженість якого на полюсах приблизно вдвічі більша, ніж на Землі. Ефективна температура поверхні планети становить приблизно 38 К. У центрі ядра Нептуна температура сягає 7000 К при тиску 7-8 · 1011 Па. Природних супутників — 14, кілець — 4.

Припущення про існування кілець у Нептуна було висунуто в 1984 р. на основі спостережень за перекриттям зір планетою. Одне незамкнуте і три замкнутих кільця видно на фото, отриманих космічним кораблем «Вояджер-2» у 1989 р. Розташовуються кільця на відстані від 1,7 до 2,5 радіуса планети. Ширина кілець — 1700, 15, 5000 й 50 км відповідно. Вони складаються з дрібних силікатних пилинок, що відбивають 6 % сонячного світла.

Атмосфера Нептуна складається з водню (приблизно 67 %), гелію (31 %) і метану (2 %). На верхніх шарах це 80 % водню і 19 % гелію. Крім них також є незначні домішки речовин: ацетилен C2H2, діацетилен C4H2, етилен C2H4 й етан C2H6, а також чадний газ CO і молекулярний азот N2.

Основний шар хмар (мал. 2.25) міститься на рівні тиску близько 3 атмосфер, він складається із замерзлого сірководню H2S, можливо, із невеликою домішкою аміаку NH3. Температура в цій області становить близько 100 К (-173 °С). Вище від основного шару, у холодній прозорій атмосфері конденсуються рідкісні білі хмари замерзлого метану СН4. Ці хмари підіймаються на висоту 50-150 км і відкидають тіні на основний хмарний покрив, як це видно на фото «Вояджера-2».

Мал. 2.25

Нижче від першого шару хмар, на рівні тиску близько 20 атмосфер і температури близько 200 К (-70 °С) є другий шар хмар — з гідросульфіду амонію NH4SH. Ще глибше розташовані хмари з водяного льоду.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Укажіть відмінності основних фізичних характеристик планет-гігантів від планет земної групи.
  • 2. Яка особливість обертання планет-гігантів навколо осі?
  • 3. Схарактеризуйте особливості будови планет-гігантів.
  • 4. Яка планета Сонячної системи важить більше від інших планет і Місяця, разом узятих?
  • 5. Що являють собою кільця планет? Чому іноді навіть у великі телескопи не видно кільця Сатурна? Які спостереження доводять, що кільце Сатурна не є суцільним?

Дослідіть відмінності між планетами земної групи і планетами-гігантами.