11.2: Планети-гіганти

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 11.1: Вивчення зовнішніх планет
- 11.3: Атмосфера планет-гігантів

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть основні фізичні характеристики, загальний вигляд і обертання планет-гігантів
Опишіть склад і будову Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна
Порівняйте і порівняйте внутрішні джерела тепла планет-гігантів
Опишіть відкриття та характеристики магнітних полів гігантських планет

Давайте тепер розглянемо чотири гігантські (або джовіанські) планети більш детально. Наш підхід полягає не просто в каталогізації їх характеристик, а в порівнянні їх між собою, відзначаючи їх подібності та відмінності та намагаючись пов'язати їх властивості з різними масами та відстанями від Сонця.

Основні характеристики

Планети-гіганти знаходяться дуже далеко від Сонця. Юпітер знаходиться більш ніж в п'ять разів далі від Сонця, ніж відстань Землі (5 а.о.), і займає трохи менше 12 років, щоб обвести Сонце. Сатурн знаходиться приблизно в два рази далі Юпітера (майже 10 AU) і займає майже 30 років, щоб завершити одну орбіту. Уран обертається на 19 а.е. з періодом 84 роки, в той час як Нептун, в 30 а.е., вимагає 165 років на кожен контур Сонця. Ці тривалі часові шкали ускладнюють нам короткочасним людям вивчення сезонних змін на зовнішніх планетах.

Юпітер і Сатурн мають багато подібностей за складом і внутрішньою будовою, хоча Юпітер майже в чотири рази масивніше. Уран і Нептун менші і відрізняються за складом і внутрішнім будовою від своїх великих братів і сестер. Деякі основні властивості цих чотирьох планет зведені в табл $\PageIndex{1}$ .

Таблиця $\PageIndex{1}$ : Основні властивості планет Джовіана
Планета	Відстань (AU)	Період (років)	Діаметр (км)	Маса (Земля = 1)	Щільність (г/см ³)	Обертання (години)
Юпітер	5.2	11.9	142 800	318	1.3	9.9
Сатурн	9.5	29.5	120 540	95	0.7	10.7
Уран	19.2	84.1	51 200	14	1.3	17.2
Нептун	30.0	164,8	49 500	17	1.6	16.1

Юпітер, гігант серед гігантів, має достатню масу, щоб зробити 318 Землі. Його діаметр приблизно в 11 разів більше, ніж у Землі (і приблизно в одну десяту частину від Сонця). Середня щільність Юпітера становить 1,3 г/см ³, набагато нижче, ніж у будь-якої з земних планет. (Нагадаємо, що вода має щільність 1 г/см ³.) Матеріал Юпітера розкинутий на обсяг настільки великий, що близько 1,300 Землі могли вміститися в нього.

Маса Сатурна в 95 разів більша від Землі, а його середня щільність становить лише 0,7 г/см ³ - найнижча з будь-якої планети. Оскільки це менше щільності води, Сатурн був би досить легким, щоб плавати.

Уран і Нептун мають масу приблизно в 15 разів більше, ніж у Землі, і, отже, лише на 5% такі масивні, як Юпітер. Їх щільності 1,3 г/см ³ і 1,6 г/см ³ відповідно набагато вище, ніж у Сатурна. Це один доказ, який говорить нам про те, що їх склад повинен кардинально відрізнятися від газових гігантів. Коли астрономи почали відкривати інші планетні системи (екзопланети), ми виявили, що планети розміром з Уран і Нептун є загальними, і що між Землею та цими крижаними гігантами існує ще більше екзопланет, проміжних за розміром між Землею та цими крижаними гігантами, тип планети, який не зустрічається в нашій Сонячній системі.

Зовнішній вигляд і обертання

Коли ми дивимося на планети, ми бачимо тільки їх атмосфери, складені переважно з водню і газу гелію (див. Фото глави). Найверхні хмари Юпітера і Сатурна, частина, яку ми бачимо, дивлячись на ці планети зверху, складаються з кристалів аміаку. На Нептуні верхні хмари зроблені з метану. На Урані ми взагалі не бачимо явного шару хмари, а лише глибокий і безликий серпанок.

Побачений через телескоп, Юпітер - барвиста і динамічна планета. Чіткі деталі в його хмарних схемах дозволяють визначити швидкість обертання його атмосфери на рівні хмари, хоча таке обертання атмосфери може мати мало спільного з обертанням базової планети. Набагато більш фундаментальним є обертання мантії та ядра; їх можна визначити періодичними варіаціями радіохвиль, що надходять від Юпітера, які контролюються його магнітним полем. Оскільки магнітне поле (про яке ми поговоримо нижче) бере свій початок глибоко всередині планети, воно розділяє обертання нутрощів. Період обертання, який ми вимірюємо таким чином, становить 9 годин 56 хвилин, що дає Юпітеру найкоротший «день» будь-якої планети. Таким же чином ми можемо виміряти, що основний період обертання Сатурна становить 10 годин 40 хвилин. Уран і Нептун мають трохи більш тривалі періоди обертання близько 17 годин, також визначаються з обертання їх магнітних полів.

Коротке відео, зроблене з фотографій космічного телескопа Хаббл, показує обертання Юпітера з його численними атмосферними особливостями.

Пам'ятайте, що Земля і Марс мають сезони, тому що їх спінові осі, замість того, щоб «стояти прямо», нахилені щодо орбітальної площини Сонячної системи. Це означає, що коли Земля обертається навколо Сонця, іноді одна півкуля, а іноді і інше «нахиляється» в Сонце.

Які пори року для планет-гігантів? Вісь обертання Юпітера нахилена лише на 3°, тому немає сезонів, про які можна говорити. Однак у Сатурна є пори року, оскільки його вісь обертання нахилена на 27° до перпендикуляра до його орбіти. Нептун має приблизно такий же нахил, як і Сатурн (29°); тому він переживає подібні сезони (лише повільніше). Найдивніші сезони з усіх знаходяться на Урані, який має вісь обертання, нахилену на 98° щодо північного напрямку. Практично кажучи, можна сказати, що Уран обертається навколо його боку, а його кільцева і місячна система слідують уздовж, обертаючись навколо екватора Урана (рис. $\PageIndex{1}$ ).

альт — Малюнок $\PageIndex{1}$ Інфрачервоне зображення Урана. Інфрачервона камера на космічному телескопі Хаббла зробила ці помилкові кольорові зображення планети Уран, її кільцевої системи та супутників у 1997 році. Південний полюс планети (позначений знаком «+» на зображенні праворуч) звернений до Сонця; його зелений колір показує сильну локальну серпанок. Два зображення були зняті на відстані 90 хвилин, і за цей час можна побачити п'ять червонуватих хмар обертаються навколо паралелі екватору. Кільця (які дуже слабкі у видимому світлі, але видатні в інфрачервоному) та вісім місяців можна побачити навколо екватора. Це було розташування «бичачого ока», яке «Вояджер» побачив, коли він наближався до Урана в 1986 році.

Ми не знаємо, що призвело до того, що Уран перекинувся так, але одна з можливостей - зіткнення з великим планетарним тілом, коли наша система вперше формувалася. Якою б не була причина, цей незвичайний нахил створює драматичні сезони. Коли «Вояджер 2» прибув до Урана, його південний полюс був звернений прямо в Сонце. Південна півкуля переживала 21-річне сонячне літо, тоді як в цей же період північна півкуля була занурена в темряву. Наступний 21-річний сезон Сонце світить на екваторі Урана, і обидві півкулі проходять цикли світла і темряви в міру обертання планети (рис. $\PageIndex{6}$ ). Потім є 21 рік освітленого північної півкулі і темного південного півкулі. Після цього візерунок чергування дня і ночі повторюється.

Так само, як і на Землі, сезони ще більш екстремальні на полюсах. Якби ви встановили плавучу платформу на південному полюсі Урана, наприклад, вона переживала б 42 роки світла і 42 роки темряви. Будь-які майбутні астронавти досить божевільні, щоб створити там табір, могли провести більшу частину свого життя, ніколи не бачачи Сонця.

Склад і структура

Хоча ми не можемо побачити ці планети, астрономи впевнені, що інтер'єри Юпітера і Сатурна складаються переважно з водню та гелію. Звичайно, ці гази вимірювалися тільки в їх атмосфері, але розрахунки, проведені вперше більше 50 років тому, показали, що ці два легких гази є єдино можливими матеріалами, з яких може бути побудована планета з спостережуваними масами і щільністю Юпітера і Сатурна.

Глибокі внутрішні структури цих двох планет передбачити складно. Це головним чином тому, що ці планети настільки великі, що водень і гелій в їх центрах надзвичайно стискаються і поводяться таким чином, що ці гази ніколи не можуть вести себе на Землі. Найкращі теоретичні моделі структури Юпітера прогнозують центральний тиск більше 100 мільйонів барів і центральну щільність близько 31 г/см ³. (Навпаки, ядро Землі має центральний тиск 4 мільйони барів і центральну щільність 17 г/см ³.)

При тиску всередині планет-гігантів знайомі матеріали можуть набувати дивних форм. На кілька тисяч кілометрів нижче видимих хмар Юпітера і Сатурна тиск стає настільки великим, що водень переходить від газоподібного до рідкого стану. Ще глибше цей рідкий водень ще більше стискається і починає діяти як метал, чого він ніколи не робить на Землі. (У металі електрони не міцно прикріплені до батьківських ядер, але можуть блукати навколо. Ось чому метали є такими хорошими провідниками електрики.) На Юпітері більшу частину інтер'єру займає рідкий металевий водень.

Оскільки Сатурн менш масивний, він має лише невеликий обсяг металевого водню, але більша частина його внутрішньої частини рідка. Уран і Нептун занадто малі, щоб досягти внутрішнього тиску, достатнього для розрідження водню. Ми повернемося до обговорення металевих водневих шарів, коли вивчимо магнітні поля планет-гігантів.

Кожна з цих планет має ядро, що складається з більш важких матеріалів, про що свідчить детальний аналіз їх гравітаційних полів. Імовірно, ці ядра є оригінальними кам'яно-льодовими тілами, які утворилися до захоплення газу з навколишньої туманності. Сердечники існують при тиску в десятки мільйонів барів. Хоча вчені говорять про гігантські ядра планети, що складаються з гірських порід і льоду, ми можемо бути впевнені, що ні скеля, ні лід не приймають будь-яких знайомих форм при таких тисках і температурах. Пам'ятайте, що те, що насправді мається на увазі під «гірською породою», - це будь-який матеріал, що складається переважно із заліза, кремнію та кисню, тоді як термін «лід» у цьому розділі позначає матеріали, що складаються переважно з елементів вуглецю, азоту та кисню у поєднанні з воднем.

Малюнок $\PageIndex{3}$ ілюструє ймовірні внутрішні структури чотирьох джовіанських планет. Виявляється, що всі чотири мають схожі ядра з гірської породи та льоду. На Юпітері і Сатурні ядра складають лише кілька відсотків від загальної маси, що відповідає вихідному складу сировини, наведеному в табл $11.1.1$ . Однак більша частина маси Урана і Нептуна знаходиться в цих ядрах, демонструючи, що дві зовнішні планети не змогли залучити величезну кількість водню та гелію, коли вони вперше утворювалися.

Внутрішні джерела тепла

Через своїх великих розмірів все планети-гіганти сильно нагрівалися під час свого формування шляхом розпаду навколишнього матеріалу на їх ядра. Юпітер, будучи найбільшим, був найгарячішим. Деяка частина цього споконвічного тепла ще може залишатися всередині таких великих планет. Крім того, гігантські, в основному газоподібні планети можуть генерувати тепло після утворення, повільно скорочуючись. (При такій великій масі навіть незначна кількість усадки може генерувати значне тепло.) Ефект цих внутрішніх джерел енергії полягає в підвищенні температури в інтер'єрах і атмосферах планет вище, ніж ми очікували б від нагрівального ефекту лише Сонця.

Юпітер володіє найбільшим внутрішнім джерелом енергії, що становить 4 × 10 ¹⁷ Вт; тобто він нагрівається зсередини енергією, еквівалентною 4 мільйонам мільярдів 100-ватних лампочок. Ця енергія приблизно така ж, як і загальна сонячна енергія, поглинена Юпітером. Таким чином, атмосфера Юпітера є щось середнє між нормальною планетарною атмосферою (як Земля), яка отримує більшу частину своєї енергії від Сонця, і атмосферою зірки, яка повністю нагрівається внутрішнім джерелом енергії. Велика частина внутрішньої енергії Юпітера - це споконвічне тепло, що залишилося від утворення планети 4,5 мільярда років тому.

Сатурн має внутрішнє джерело енергії приблизно вдвічі менше, ніж у Юпітера, а це означає (оскільки його маса лише приблизно на чверть менше), що він виробляє вдвічі більше енергії на кілограм матеріалу, ніж Юпітер. Оскільки очікується, що Сатурн матиме набагато менше первинного тепла, має бути інше джерело на роботі, що генерує більшу частину цієї потужності 2 × 10 ¹⁷ Вт. Це джерело - відділення гелію від водню в надрах Сатурна. У рідкій водневій мантії важчий гелій утворює краплі, які опускаються до ядра, виділяючи гравітаційну енергію. Фактично, Сатурн все ще диференціюється - дозволяючи легшому матеріалу підніматися, а важчий матеріал падає.

Уран і Нептун різні. Нептун має невелике внутрішнє джерело енергії, в той час як Уран не виділяє вимірюваної кількості внутрішнього тепла. В результаті ці дві планети мають майже однакову атмосферну температуру, незважаючи на більшу відстань Нептуна від Сонця. Ніхто не знає, чому ці дві планети відрізняються своїм внутрішнім теплом, але все це показує, як природа може зуміти зробити кожен світ трохи відмінним від своїх сусідів.

Магнітні поля

Кожна з планет-гігантів має сильне магнітне поле, що генерується електричними струмами в її швидко обертається внутрішній частині. З магнітними полями пов'язані магнітосфери планет, які є областями навколо планети, всередині яких власне магнітне поле планети домінує над загальним міжпланетним магнітним полем. Магнітосфери цих планет є їх найбільшими рисами, що тягнуться на мільйони кілометрів в космос.

Наприкінці 1950-х років астрономи виявили, що Юпітер був джерелом радіохвиль, які стали більш інтенсивними на довших, а не на коротших довжині хвиль - лише навпаки того, що очікується від теплового випромінювання (випромінювання, спричинене нормальними коливаннями частинок у всій матерії). Така поведінка характерно, однак, для випромінювання, що випромінюється при прискоренні швидкісних електронів магнітним полем. Ми називаємо це синхротронним випромінюванням, оскільки воно вперше спостерігалося на Землі в прискорювачах частинок, званих синхронітронами. Це був наш перший натяк на те, що Юпітер повинен мати сильне магнітне поле.

Пізніші спостереження показали, що радіохвилі надходять з регіону, що оточує Юпітер, діаметром в кілька разів більше, ніж у самої планети (рис. $\PageIndex{4}$ ). Докази свідчать про те, що величезна кількість заряджених атомних частинок повинна циркулювати навколо Юпітера, обертаючись навколо силових ліній магнітного поля, пов'язаного з планетою. Це саме те, що ми спостерігаємо, що відбувається, але в меншому масштабі, в поясі Ван Аллена навколо Землі. Магнітні поля Сатурна, Урана і Нептуна, виявлені космічним апаратом, який вперше пройшов близько до цих планет, працюють аналогічним чином, але не такі сильні.

Дізнайтеся більше про магнітосферу Юпітера і чому ми продовжуємо цікавитися нею з цього короткого відео НАСА.

Усередині кожної магнітосфери заряджені частинки обертаються в магнітному полі; в результаті вони можуть прискорюватися до високих енергій. Ці заряджені частинки можуть надходити від Сонця або з околиць самої планети. У випадку Юпітера Іо, одна з його супутників, виявляється, має виверження вулканів, які вибухають заряджені частинки в космос і прямо в магнітосферу Джовіана.

Вісь магнітного поля Юпітера (лінія, яка з'єднує магнітний північний полюс з магнітним південним полюсом) не вирівняна точно з віссю обертання планети; скоріше, вона перекинута приблизно на 10°. Уран і Нептун мають ще більші магнітні нахили, 60° і 55° відповідно. Поле Сатурна, з іншого боку, ідеально вирівняне з його віссю обертання. Чому різні планети мають такі різні магнітні нахили, не дуже зрозуміло.

Фізичні процеси навколо планет Джовіана виявляються більш м'якими версіями того, що астрономи знаходять у багатьох віддалених об'єктах, від залишків мертвих зірок до загадкових далеких електростанцій, які ми називаємо квазарами. Однією з причин вивчення магнітосфер планет-гігантів і Землі є те, що вони забезпечують поблизу доступні аналоги більш енергійних і складних космічних процесів.

Ключові поняття та резюме

Юпітер в 318 разів масивніше Землі. Сатурн приблизно на 25% такий же масивний, як Юпітер, а Уран і Нептун - лише 5% як масивні. Усі чотири мають глибокі атмосфери та непрозорі хмари, і всі швидко обертаються з періодами від 10 до 17 годин. Юпітер і Сатурн мають великі мантії рідкого водню. Уран і Нептун виснажуються воднем і гелієм щодо Юпітера і Сатурна (і Сонця). Кожна планета-гігант має ядро з «льоду» і «скелі» близько 10 мас Землі. Юпітер, Сатурн і Нептун мають основні внутрішні джерела тепла, отримуючи стільки (або більше) енергії зі своїх інтер'єрів, скільки випромінюванням Сонця. Уран не має вимірюваного внутрішнього тепла. Юпітер володіє найсильнішим магнітним полем і найбільшою магнітосферою будь-якої планети, вперше виявленої радіоастрономами за спостереженнями синхротронного випромінювання.

Глосарій

Синхротронне випромінювання: випромінювання, що випромінюється зарядженими частинками, прискорюється в магнітних полах і рухається зі швидкістю поблизу швидкості світла