11.1: Вивчення зовнішніх планет

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 11: Планети-гіганти
- 11.2: Планети-гіганти

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Наведіть огляд складу планет-гігантів
Хроніка роботизованого дослідження зовнішньої Сонячної системи
Підсумуємо місії, відправлені на орбіту газових гігантів

Планети-гіганти утримують більшу частину маси в нашій планетній системі. Сам Юпітер перевищує масу всіх інших планет разом узятих (рис. $\PageIndex{1}$ ). Матеріал, доступний для побудови цих планет, можна розділити на три класи за тим, з чого вони складаються: «гази», «льоди» та «скелі» (див. Таблицю $\PageIndex{1}$ ). «Гази» - це насамперед водень і гелій, найпоширеніші елементи у Всесвіті. Те, як він використовується тут, термін «льоди» відноситься лише до складу, а не до того, чи дійсно речовина знаходиться в твердому стані. «Ices» означає сполуки, які утворюються з наступних найбільш поширених елементів: кисню, вуглецю, азоту. Загальні льоди - це вода, метан та аміак, але льоди також можуть включати чадний газ, вуглекислий газ та інші. «Скелі» ще менш рясні, ніж льоди, і включають в себе все інше: магній, кремній, залізо і так далі.

альт — Малюнок $\PageIndex{1}$ Юпітера. Космічний корабель «Кассіні» зобразив Юпітер на шляху до Сатурна в 2012 році. Гігантська штормова система під назвою Велика червона пляма видно внизу праворуч. Темна пляма зліва внизу - тінь Місяця Юпітера Europa.

Таблиця $\PageIndex{1}$ : Достаток у зовнішній Сонячній системі
Тип матеріалу	Ім'я	Приблизний% (по масі)
Газ	Водень (Н ₂)	75
Газ	Гелій (He)	24
Лід	Вода (H ₂ O)	0.6
Лід	Метан (СН ₄)	0.4
Лід	Аміак (NH ₃)	0.1
Рок	Магній (Mg), залізо (Fe), кремній (Si)	0.3

У зовнішній Сонячній системі гази домінують над двома найбільшими планетами, Юпітером і Сатурном, звідси і їх прізвисько «газові гіганти». Уран і Нептун називають «крижаними гігантами», оскільки їх інтер'єри містять набагато більше «льодового» компонента, ніж їх більші двоюрідні брати. У хімії всіх чотирьох атмосфер гігантських планет переважає водень. Цей водень спричинив зменшення хімії зовнішньої Сонячної системи, а це означає, що інші елементи, як правило, спочатку поєднуються з воднем. У ранній Сонячній системі більша частина кисню об'єдналася з воднем, щоб зробити H ₂ O і, таким чином, була недоступна для утворення видів окислених сполук з іншими елементами, більш звичними для нас у внутрішній Сонячній системі (наприклад, СО ₂). Як результат, сполуки, виявлені в атмосфері планет-гігантів, - це переважно гази на основі водню, такі як метан (CH ₄) та аміак (NH ₃), або більш складні вуглеводні (комбінації водню та вуглецю), такі як етан (C ₂ H ₆) та ацетилен (C ₂ Ч ₂).

Дослідження зовнішньої Сонячної системи досі

Вісім космічних апаратів, сім з США і один з Європи, проникли за пояс астероїдів в царство гігантів. Таблиця $\PageIndex{2}$ підсумовує місії космічних апаратів до зовнішньої Сонячної системи.

Таблиця $\PageIndex{2}$ : Місії на планети-гіганти
Планета	Космічний корабель ¹	Дата зустрічі	Тип
Юпітер	Піонер 10	Грудень 1973	Flyby
	Піонер 11	Грудень 1974	Flyby
	Вояджер 1	Березень 1979	Flyby
	Вояджер 2	Липень 1979	Flyby
	Улісс	Лютий 1992	Flyby під час гравітаційної допомоги
	Галілео	Грудень 1995	Орбітальний апарат і зонд
	Кассіні	Грудень 2002	Flyby
	Нові горизонти	Лютий 2007	Flyby під час гравітаційної допомоги
	Юнона	Липень 2016	Орбітальний
Сатурн	Піонер 11	Вересень 1979	Flyby
	Вояджер 1	Листопад 1980	Flyby
	Вояджер 2	Серпень 1981	Flyby
	Кассіні	Липень 2004 (впорскування орбіти Сатурна 2000)	Орбітальний
Уран	Вояджер 2	Січень 1986	Flyby
Нептун	Вояджер 2	Серпень 1989	Flyby

Проблеми дослідження настільки далеко від Землі є значними. Час польоту до планет-гігантів вимірюється роками до десятиліть, а не місяцями, необхідними для досягнення Венери або Марса. Навіть при швидкості світла повідомлення проходять години між Землею і космічним апаратом. Якщо проблема розвивається поблизу Сатурна, наприклад, очікування годин, поки тривога досягне Землі, і інструкції, які будуть спрямовані назад до космічного корабля, може призвести до катастрофи. Тому космічний апарат до зовнішньої Сонячної системи повинен бути високонадійним і здатним до більшої ступеня незалежності та автономності. Місії зовнішньої сонячної системи також повинні нести власні джерела енергії, оскільки Сонце занадто далеко, щоб забезпечити достатню кількість енергії. Нагрівачі необхідні для підтримки приладів при належних робочих температурах, а космічні апарати повинні мати радіопередавачі, достатньо потужні, щоб надсилати свої дані приймачам на далекій Землі.

Першими космічними апаратами, які досліджували регіони повз Марса, були NASA Pioneers 10 і 11, запущені в 1972 і 1973 роках як шляхошукачі Юпітера. Однією з їх головних цілей було просто визначити, чи може космічний корабель насправді переміщатися через пояс астероїдів, який лежить за Марсом, не руйнуючись зіткненнями з астероїдним пилом. Іншою метою було вимірювання радіаційної небезпеки в магнітосфері (або зоні магнітного впливу) Юпітера. Обидва космічних апарата пройшли через пояс астероїдів без інцидентів, але енергетичні частинки в магнітному полі Юпітера майже стерли їх електроніку, надаючи інформацію, необхідну для безпечного проектування наступних місій.

Піонер 10 пролетів повз Юпітера в 1973 році, після чого він вимкнув назовні до меж Сонячної системи. Pioneer 11 взявся за більш амбітну програму, використовуючи гравітацію Юпітера, щоб націлитися в Сатурн, якого він досяг в 1979 році. Космічний корабель «Вояджер» запустив наступну хвилю дослідження зовнішньої планети в 1977 році. Вояжери 1 і 2 несли по 11 наукових приладів, включаючи камери і спектрометри, а також прилади для вимірювання характеристик планетарних магнітосфер. Оскільки вони продовжували виходити назовні після своїх планетарних зустрічей, це зараз найвіддаленіший космічний корабель, який коли-небудь запускається людством.

Voyager 1 досяг Юпітера в 1979 році і використовував гравітаційну допомогу з цієї планети, щоб взяти його на Сатурн в 1980 році. «Вояджер 2» прибув до Юпітера через чотири місяці, але потім пішов іншим шляхом, щоб відвідати всі зовнішні планети, досягнувши Сатурна в 1981 році, Урана в 1986 році і Нептуна в 1989 році. Ця траєкторія стала можливою завдяки приблизному вирівнюванню чотирьох планет-гігантів на одній стороні Сонця. Приблизно раз на 175 років ці планети знаходяться в такому положенні, і це дозволяє одному космічному кораблю відвідувати їх усіх, використовуючи гравітаційні літаки для коригування курсу для кожної наступної зустрічі; такий маневр був прозваний астрономами «Grand Tour».

Лабораторія реактивного руху має приємне відео під назвою Voyager: The Grand Tour, яке описує місію Voyager та те, що вона знайшла.

ІНЖЕНЕРІЯ І КОСМІЧНА НАУКА: НАВЧАННЯ СТАРОГО КОСМІЧНОГО КОРАБЛЯ НОВИМ ТРЮКАМ

До моменту прибуття «Вояджер-2» на «Нептун» в 1989 році, через 12 років після його запуску, космічний корабель почав проявляти ознаки старості. Рука, на якій розташовувалася камера та інші інструменти, була «артритною»: вона вже не могла легко рухатися в усіх напрямках. Система зв'язку була «погано чути»: частина її радіоприймача перестала працювати. У «мізків» були значні «втрати пам'яті»: частина пам'яті бортового комп'ютера вийшла з ладу. І весь космічний апарат починав закінчуватися енергія: його генератори почали проявляти серйозні ознаки зносу.

Щоб зробити речі ще більш складними, місія Вояджера в Нептуні була багато в чому найскладнішою з усіх чотирьох флайбісів. Наприклад, оскільки сонячне світло у Нептуна в 900 разів слабкіше, ніж на Землі, бортова камера повинна була приймати набагато довше експозиції в цьому світлоголодному середовищі. Це було нетривіальним вимогою, враховуючи, що космічний корабель мчить Нептуном на десятикратній швидкості гвинтівки кулі.

Рішення полягало в тому, щоб повернути камеру назад саме з тією швидкістю, яка б компенсувала рух вперед космічного корабля. Інженерам довелося заздалегідь запрограмувати корабельний комп'ютер, щоб виконати неймовірно складну серію маневрів для кожного зображення. Красиві зображення «Вояджера» Нептуна є свідченням винахідливості інженерів космічних апаратів.

Чиста відстань корабля від його контролерів на Землі була ще одним викликом. Voyager 2 отримав інструкцію і відправляв назад свої дані через бортовий радіопередавач. Відстань від Землі до Нептуна становить близько 4,8 мільярда кілометрів. На цій величезній відстані потужність, яка досягла нас від Voyager 2 на Нептуні, була приблизно 10—16 Вт, або в 20 мільярдів разів менше енергії, ніж потрібно для роботи з цифровим годинником. Тридцять вісім різних антен на чотирьох континентах використовувалися НАСА для збору слабких сигналів від космічного корабля та декодування дорогоцінної інформації про Нептуна, яку вони містили.

Увійдіть на орбіталі: Галілей і Кассіні, і Юнона

Місії «Піонер» і «Вояджер» були літаками планет-гігантів: кожна з них виробляла лише швидкий погляд, перш ніж космічний корабель прискорився вперед. Для більш детального вивчення цих світів нам потрібні космічні апарати, які можуть виходити на орбіту навколо планети. Для Юпітера і Сатурна цими орбітами були космічні апарати «Галілео» і «Кассіні» відповідно. На сьогоднішній день не розпочато жодних орбітальних місій для Урана і Нептуна, хоча планетарні вчені висловили живий інтерес.

Космічний корабель «Галілео» був запущений до Юпітера в 1989 році і прибув у 1995 році. Галілей розпочав свої дослідження, розгорнувши вхідний зонд в Юпітер, для перших прямих досліджень зовнішніх атмосферних шарів планети.

Зонд занурився під невеликим кутом в атмосферу Юпітера, подорожуючи зі швидкістю 50 кілометрів в секунду - це досить швидко, щоб летіти з Нью-Йорка в Сан-Франциско за 100 секунд! Це була найвища швидкість, з якою будь-який зонд досі увійшов в атмосферу планети, і він висував великі вимоги до теплового екрана, що захищає його. Висока швидкість входу була результатом прискорення сильним гравітаційним тяжінням Юпітера.

Атмосферне тертя сповільнило зонд протягом 2 хвилин, створюючи температуру на передній частині його теплового екрана до 15,000° C Коли швидкість зонда знизилася до 2500 кілометрів на годину, залишки світиться теплового екрана були скинуті, а парашут був розгорнутий для зниження інструментального зонда космічні апарати більш м'яко потрапляють в атмосферу (рис. $\PageIndex{3}$ ). Дані з зондових приладів передавалися на Землю через основний космічний апарат «Галілео».

Зонд продовжував працювати протягом години, спускаючись на 200 кілометрів в атмосферу. Через кілька хвилин поліефірний парашут розплавився, і протягом декількох годин основна алюмінієва і титанова структура зонда випаровувалася, щоб стати частиною самого Юпітера. Приблизно через 2 години після отримання остаточних даних зонда основний космічний корабель випустив свої ретро-ракети, щоб його можна було захопити на орбіту навколо планети, де його основними цілями було вивчення великих і часто загадкових супутників Юпітера.

Місія Кассіні до Сатурна (рис. $\PageIndex{2}$ ), спільне підприємство між НАСА та Європейським космічним агентством, була схожа на Галілео у своєму дворазовому підході. Запущений в 1997 році, Кассіні прибув в 2004 році і вийшов на орбіту навколо Сатурна, почавши великі дослідження його кілець і супутників, а також самої планети. У січні 2005 року Кассіні розгорнув вхідний зонд в атмосферу великого місяця Сатурна, Титану, де він успішно приземлився на поверхню. (Ми обговоримо зонд і те, що він знайшов у розділі про Кільця, Місяці та Плутон.)

Місії «Вояджер» і «Галілей» до Юпітера були в першу чергу розраховані на вивчення супутників і атмосфери планети. Наступна місія НАСА, орбітальний апарат під назвою Юнона, прибула до Юпітера в липні 2016 року. Для досягнення своїх цілей вивчення магнітосфери Джовіана вона має дуже витягнуту (ексцентричну) 55-денну орбіту, яка займає її від 4 тисяч кілометрів над вершинами хмари до 76 тисяч кілометрів. Орбіта приймає корабель над полюсами Юпітера, даючи нам чудові крупні плани полярних регіонів (попередній космічний корабель розглядав планету з нижчих широт).

Юнона спочатку була розроблена без камери, але, на щастя, вчені виправили це упущення, додавши просту кольорову камеру, що виглядає вниз, для використання під час близьких проходів повз Юпітера. Визнаючи цінність таких образів, як наукових, так і художніх, було вирішено розміщувати необроблені образи і заохочувати «вчених-громадян» до їх обробки. У продукті було багато драматичних, яскраво забарвлених поглядів Юпітера, таких як Фігура $\PageIndex{2}$ .

Ключові поняття та резюме

Зовнішня Сонячна система містить чотири планети-гіганти: Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. Газові гіганти Юпітер і Сатурн мають загальні склади, схожі на Сонце. Ці планети були досліджені космічними апаратами «Піонер», «Вояджер», «Галілей» та «Кассіні». Voyager 2, мабуть, найуспішніший з усіх космічних наукових місій, досліджував Юпітер (1979), Сатурн (1981), Уран (1986) та Нептун (1989) - грандіозний тур гігантських планет - і ці літаки були єдиними дослідженнями на сьогоднішній день крижаних гігантів Урана та Нептуна. Місії Галілео та Кассіні були довгоживучими орбітами, і кожен з них також розгорнув вхідний зонд, один в Юпітер і один на Місяць Титан Сатурна.

Виноски

¹ І космічний корабель «Улісс», і «Нові горизонти» (призначений для вивчення Сонця і Плутона відповідно) пролетіли повз Юпітера для посилення сили тяжіння (отримання енергії шляхом «викрадення» трохи від обертання планети гіганта).