Давайте розглянемо детально чотири планети гіганти сонячної системи. Наш підхід полягає не просто в каталогізації їх характеристик, а в порівнянні між собою, зазначенні їх подібностей та відмінностей та спробі пов’язати їх властивості до величин їх мас та відстані від Сонця.
Планети гіганти та їх основні характеристики
Ці планети гіганти сонячної системи знаходяться дуже далеко від Сонця. Що таке планети? Цікаві факти про планети
Юпітер знаходиться більше ніж у п’ять разів дальше від Сонця, ніж відстань до Землі (5 а.о.), і йому потрібно трохи менше 12 років, щоб обійти Сонце.
Сатурн знаходиться приблизно вдвічі далі від Юпітера (майже 10 а.о).
Уран обертається на 19 а.е. від Сонця з періодом 84 роки, тоді як Нептун на 30 а. о. і йому потрібно 165 років для того, щоб здійснити коло навколо Сонця.
Юпітер і Сатурн мають багато подібностей за складом і внутрішньою будовою, хоча Юпітер майже в чотири рази масивніший. Уран і Нептун менші за своїм складом і внутрішньою будовою та значно відрізняються від своїх великих братів і сестер. Деякі основні властивості цих чотирьох планет узагальнені в таблиці 1.
| Таблиця 1. Основні властивості планет гігантів | ||||||
| Планета | Відстань (астрономічні одиниці) | Період (роки) | Діаметр (км) | Маса Землі (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 вмістити 318 Землі. Його діаметр приблизно в 11 разів більше, ніж у Землі (і приблизно становить одну десяту, ніж у Сонця). Середня щільність Юпітера становить 1,3 г / см 3 , набагато нижча, ніж у будь-якої із земних планет (Згадайте, що вода має щільність 1 г / см 3 ). Матерія Юпітера розподілений настільки великим об’ємом, що всередині нього може вміститися понад 1400 Земль.
Планети Сонячної системи: по порядку від Меркурія до Плутона та Дев’ятої планети
Маса Сатурна в 95 разів перевищує масу Землі, а його середня щільність становить лише 0,7 г / см 3 – найнижча з усіх планет. Оскільки це менше щільності води, Сатурн міг би бути досить легким, щоб плавати.
Уран і Нептун мають масу, приблизно в 15 разів більшу за земну, і, отже, лише на 5% масивніші, ніж Юпітер. Їх щільність 1,3 г / см 3 та 1,6 г / см 3 відповідно набагато вища, ніж у Сатурна. Це один доказ, який говорить нам про те, що їх склад повинен принципово відрізнятися від газових гігантів. Коли астрономи почали відкривати інші планетарні системи (екзопланети), ми виявили, що планети розміром з Уран і Нептун є досить поширеними.
Планети гіганти: зовнішній вигляд та обертання
Коли ми дивимося на планети, ми бачимо лише їх атмосферу, що складається переважно з водню та газу гелію. Найвищі хмари у Юпітера і Сатурна, частина, яку ми бачимо, дивлячись на ці планети зверху, складаються з кристалів аміаку. На Нептуні верхні хмари утворилися з метану. На Урані ми не бачимо явного ясного хмарного шару, а лише глибокий і безликий серпанок.
У телескоп Юпітер – барвиста і динамічна планета. Чіткі деталі в його хмарних моделях дозволяють нам визначити швидкість обертання її атмосфери на рівні хмар, хоча таке обертання атмосфери може мати мало спільного зі спіном основної 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) зароджується глибоко всередині планети, воно відображає обертання всередині. Період обертання, який ми вимірюємо таким чином, становить 9 годин 56 хвилин, що дає Юпітеру найкоротший “день” з усіх планет. Таким же чином ми можемо виміряти, що основний період обертання Сатурна становить 10 годин 40 хвилин. Уран і Нептун мають трохи довші періоди обертання близько 17 годин, що також визначається обертанням їх магнітних полів.
Яку структуру має наша галактика Чумацький шлях?
Планети гіганти та пори року
На Землі та Марсі є сезони, оскільки їхні осі обертання замість того, щоб „стояти прямо”, нахилені відносно орбітальної площини Сонячної системи. Це означає, що коли Земля обертається навколо Сонця, інколи одна півкуля, а потім інша “нахиляється” до Сонця.
Якими є пори року для планет-гігантів? Вісь обертання Юпітера нахилена лише на 3°, тому про сезони не можна й говорити.
Однак у Сатурна є пори року, оскільки його вісь обертання нахилена на 27 ° до перпендикуляра його орбіти.
Нептун має приблизно такий самий нахил, як Сатурн (29 °); отже, він переживає подібні сезони (лише повільніше).
Найдивніші сезони з усіх – на Урані , який має вісь обертання, нахилену на 98 ° відносно північного напрямку. Практично кажучи, ми можемо сказати, що Уран обертається на боці.
Ми не знаємо, що спричинило перекидання Урана таким чином, але одна з гіпотез – зіткнення з великим планетарним тілом, коли наша система тільки формувалася.
Незалежно від причини, цей незвичайний нахил створює драматичні сезони. Коли «Вояджер-2» прибув на Уран, коли його південний полюс був звернений прямо до Сонця. Південна півкуля переживала 21-літнє освітлене сонцем літо, тоді як у той самий період північна півкуля занурилася в темряву. Потім 21 рік освітленої північної півкулі та темної південної півкулі.
Як і на Землі, пори року на полюсах планети гіганта ще екстремальніші. Наприклад, якби встановити плавучу платформу на південному полюсі Урана, вона пережила 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.
Що таке світловий рік та які є йому альтернативи?
Склад і структура гігантів
Хоча ми не можемо побачити зсредини ці планети, астрономи впевнені, що внутрішні райони Юпітера і Сатурна складаються в основному з водню та гелію. Звичайно, ці гази вимірювались лише в їх атмосфері, але розрахунки, проведені вперше 50 років тому, показали, що ці два легкі гази – єдино можливий матеріал, з якого могла би існувати планета із спостережуваними масами і щільністю Юпітера.
Глибокі внутрішні структури цих двох планет важко передбачити. Це головним чином тому, що ці планети настільки великі, що водень і гелій у їх центрах надзвичайно стискаються і поводяться так, як ці гази ніколи не можуть поводитися на Землі. Найкращі теоретичні моделі структури Юпітера передбачають центральний тиск більше 100 мільйонів бар і центральну щільність близько 31 г / см 3 . (На відміну від цього, ядро Землі має центральний тиск 4 мільйони бар і центральну щільність 17 г / см 3 ).
Під тиском всередині планет-гігантів знайомі нам матеріали можуть набувати дивних форм. Кілька тисяч кілометрів під видимими хмарами Юпітера і Сатурна тиск стає настільки великим, що водень переходить із газоподібного в рідкий стан. Ще глибше, цей рідкий водень додатково стискається і починає діяти як метал, чого ніколи не робить на Землі. (У металі електрони не міцно прикріплені до батьківських ядер, але можуть блукати навколо них. Ось чому метали є настільки хорошими провідниками електрики.) На Юпітері більша частина внутрішньої частини – це рідкий металевий водень.
Оскільки Сатурн менш масивний, він має лише невеликий об’єм металевого водню, але більша частка його внутрішньої частини – рідина. Уран і Нептун занадто малі, щоб досягти внутрішнього тиску, достатнього для зрідження водню.
Кожна з цих планет гігантів має ядро, складене з більш важких матеріалів, як продемонстрував детальний аналіз їх гравітаційних полів. Імовірно, ці ядра є оригінальними гірсько-льодовиковими тілами, що утворилися до захоплення газу з навколишньої туманності.
Ядра існують під тиском у десятки мільйонів барів. Поки вчені говорять про гігантські ядра планет, що складаються з гірських порід та льоду, ми можемо бути впевнені, що ні скеля, ні лід не приймають жодної звичної форми за таких тисків та температур. Пам’ятайте, що під “гірською породою” насправді мається на увазі будь-який матеріал, що складається переважно із заліза, кремнію та кисню, тоді як термін “лід” у цій главі позначає матеріали, що складаються переважно з елементів вуглецю, азоту та кисню у поєднанні з воднем.
Найбільший астероїд Сонячної системи: чи це Церера?
Внутрішні джерела тепла
Через свої великі розміри, всі планети гіганти сильно нагрівалися під час свого формування внаслідок обвалення навколишнього матеріалу на їхні ядра. Юпітер, будучи найбільшим, був найгарячішим. Частина цього споконвічного тепла все ще може залишатися всередині таких великих планет.
Крім того, планети гіганти, які в основному газоподібні, можуть генерувати тепло з часу їх виникнення, повільно стискаючись. (При такій великій масі навіть незначна кількість усадки може генерувати значне тепло.) Вплив цих внутрішніх джерел енергії полягає у підвищенні температур у внутрішній частині та атмосфері планет вище, ніж ми могли б очікувати від нагрівального ефекту Сонця.
Юпітер має найбільше внутрішнє джерело енергії, яке становить 4 × 10 17 Вт; тобто він нагрівається зсередини енергією, еквівалентною 4 мільйонам мільярдів 100-ватних лампочок. Ця енергія приблизно така ж, як і повна сонячна енергія, поглинута Юпітером. Отже, атмосфера Юпітера є на кшталт чогось середнього між нормальною планетарною атмосферою (на зразок земної), яка отримує більшу частину енергії від Сонця, та атмосферою зірки, яка повністю нагрівається внутрішнім джерелом енергії. Більша 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 менша), що він виробляє вдвічі більше енергії на кілограм матеріалу, ніж Юпітер. Оскільки, як очікується, у Сатурна набагато менше первинного тепла, має діяти інше джерело, яке генерує більшу частину цієї потужності 2 × 10 17 Вт. Це джерело – відділення гелію від водню у внутрішніх місцях Сатурна. У рідкій водневій мантії важчий гелій утворює краплі, які опускаються до ядра, вивільняючи гравітаційну енергію. По суті, Сатурн все ще диференціює – дозволяючи легшим матеріалам підніматися і важчим матеріалам опускатися.
Уран і Нептун різні. Нептун має невелике внутрішнє джерело енергії, тоді як Уран не виділяє помітну кількість внутрішнього тепла. Як результат, 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.
Магнітні поля
Всі планети гіганти мають сильне магнітне поле, яке генерується електричними струмами. З магнітними полями пов’язані магнітосфери планет гігантів, які є областями навколо планети, всередині яких власне магнітне поле планети домінує над загальним міжпланетним магнітним полем. Магнітосфери цих планет – це їхні найбільші особливості, що простягаються на мільйони кілометрів у космос.
Наприкінці 1950-х років астрономи виявили, що Юпітер був джерелом радіохвиль, які ставали більш інтенсивними на довших, а не на коротших довжинах хвиль – якраз зворотне, що очікується від теплового випромінювання (випромінювання, викликане нормальними коливаннями частинок у всій речовині). Однак така поведінка є типовою для випромінювання, яке випромінюється при прискоренні електронів магнітним полем. Ми називаємо це синхротронне випромінювання, оскільки воно вперше спостерігалося на Землі в прискорювачах частинок, які називаються синхротронами.
Пізніші спостереження показали, що радіохвилі надходять з області, що оточує Юпітер, діаметр якої в кілька разів перевищує діаметр самої планети. Докази свідчать про те, що величезна кількість заряджених атомних частинок повинна циркулювати навколо Юпітера, крутячись навколо силових ліній магнітного поля, пов’язаного з планетою. Це якраз те, що ми спостерігаємо, що відбувається, але в менших масштабах, у поясі Ван Аллена навколо Землі. Магнітні поля Сатурна, Урана та Нептуна, виявлені космічним кораблем, який вперше пройшов близько до цих планет, працюють подібним чином, але не настільки сильно.
Усередині кожної магнітосфери заряджені частинки спіраллю обертаються в магнітному полі; в результаті їх можна прискорити до високих енергій. Ці заряджені частинки можуть надходити від Сонця або з околиць самої планети. У випадку Юпітера, у Іо, одного з його супутників, проходять виверження вулканів, які вибухають зарядженими частинками в космос і прямо в магнітосферу планети гіганта.
Вісь магнітного поля Юпітера (лінія, яка з’єднує магнітний північний полюс з магнітним південним полюсом) не суміщена точно з віссю обертання планети; скоріше, він нахилений приблизно на 10 °. Уран і Нептун мають ще більші магнітні нахили відповідно на 60 ° і 55 °. Поле Сатурна, навпаки, ідеально вирівняне з його віссю обертання. Чому різні планети мають такі різні магнітні нахили, поки нам недостатньо зрозуміло.
Малі тіла Сонячної системи: астероїди, комети, метеори…
Фізичні процеси навколо планети Юпітера 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 показують аналоги більш енергійних і складних космічних процесів.
Цікаві факти про планети гіганти
Юпітер у 318 разів масивніший за Землю. Сатурн приблизно на 25% масивніший, ніж Юпітер, а Уран і Нептун – лише на 5%. Всі чотири планети гіганти мають глибоку атмосферу і непрозорі хмари, і всі вони швидко обертаються з періодами від 10 до 17 годин. Юпітер і Сатурн мають великі мантії рідкого водню. Кожна планета-гігант має ядро «льоду» та «скелі» приблизно 10 земних мас. Юпітер, Сатурн і Нептун мають основні внутрішні джерела тепла, отримуючи стільки ж (або більше) енергії з їх середин, скільки від випромінювання Сонця. Уран не має внутрішнього тепла. Юпітер має найсильніше магнітне поле і найбільшу магнітосферу.
Джерело: https://courses.lumenlearning.com
