Давайте рассмотрим подробно четыре планеты гиганты солнечной системы. Наш подход заключается не просто в каталогизации их характеристик, а в сравнении между собой, указании их сходств и различий и попытке привязать их свойства к величинам их масс и расстоянию от Солнца.
Планеты гиганты и их основные характеристики
Эти планеты-гиганты солнечной системы находятся очень далеко от Солнца. Что такое планеты Интересные факты о планетах
Юпитер находится более чем в пять раз дальше от Солнца, чем расстояние до Земли (5 а.е.), и ему нужно чуть менее 12 лет, чтобы обойти Солнце.
Сатурн находится примерно вдвое дальше от Юпитера (почти 10 а.е.).
Уран вращается на 19 а.е. от Солнца с периодом 84 года, тогда как Нептун на 30 а. е. и ему требуется 165 лет для того, чтобы совершить круг вокруг Солнца.
Планеты Солнечной системы по порядку от Солнца
Юпитер и Сатурн имеют много сходства по составу и внутреннему строению, хотя Юпитер почти в четыре раза массивнее. Уран и Нептун меньше по своему составу и внутреннему строению и значительно отличаются от своих больших братьев и сестер. Некоторые основные свойства этих четырех планет обобщены в таблице 1.
Таблица 1 Основные свойства планет гигантов
| Планета | Расстояние (астрономические единицы) | Период (годы) | Диаметр (км) | Масса Земли (Земля = 1) | Плотность (г/см3) | Вращение (часы) |
| Юпитер | 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 |
Юпитер, гигант среди гигантов, имеет достаточную массу, чтобы вместить 318 Земли. Его диаметр примерно в 11 раз больше, чем у Земли (и примерно составляет одну десятую, чем у Солнца). Средняя плотность Юпитера составляет 1,3 г / см3 , намного ниже, чем у любой из земных планет (вспомните, что вода имеет плотность 1 г / см3 ). Материя Юпитера распределена настолько большим объемом, что внутри него может уместиться более 1400 Земль.
Что такое “парад планет”? Когда парад планет происходит?
Масса Сатурна в 95 раз превышает массу Земли, а его средняя плотность составляет всего 0,7 г/см3 – самая низкая из всех планет. Поскольку это меньше плотности воды, Сатурн мог бы быть достаточно легким, чтобы плавать.
Уран и Нептун имеют массу, примерно в 15 раз большую, чем у Земли, и, следовательно, только на 5% массивнее, чем Юпитер. Их плотность 1,3 г/см3 и 1,6 г/см3 соответственно намного выше, чем у Сатурна. Это одно доказательство, которое говорит нам о том, что их состав должен принципиально отличаться от газовых гигантов. Когда астрономы начали открывать другие планетарные системы (экзопланеты), мы обнаружили, что планеты размером с Уран и Нептун являются довольно распространенными.
Что такое Парадокс Ферми: где спрятались пришельцы?
Планеты гиганты: внешний вид и вращение
Когда мы смотрим на планеты, мы видим только их атмосферу, состоящую в основном из водорода и гелиевого газа. Самые высокие облака у Юпитера и Сатурна, часть, которую мы видим, глядя на эти планеты сверху, состоят из кристаллов аммиака. На Нептуне верхние облака образовались из метана. На Уране мы не видим явного ясного облачного слоя, а лишь глубокую и безликую дымку.
В телескоп Юпитер – красочная и динамичная планета. Четкие детали в его облачных моделях позволяют нам определить скорость вращения ее атмосферы на уровне облаков, хотя такое вращение атмосферы может иметь мало общего со спином основной планеты.
Гораздо более фундаментальным является вращение мантии и ядра; их можно определить периодическими вариациями радиоволн, поступающих от Юпитера, которые контролируются его магнитным полем.
Поскольку магнитное поле (о котором мы поговорим ниже) зарождается глубоко внутри планеты, оно отражает вращение внутри. Период вращения, который мы измеряем таким образом, составляет 9 часов 56 минут, что дает Юпитеру самый короткий “день” из всех планет. Таким же образом мы можем измерить, что основной период вращения Сатурна составляет 10 часов 40 минут. Уран и Нептун имеют немного более длинные периоды вращения около 17 часов, что также определяется вращением их магнитных полей.
Интересные факты о Земле: неизвестное о родной планете
Планеты гиганты и времена года
На Земле и Марсе есть сезоны, поскольку их оси вращения вместо того, чтобы “стоять прямо”, наклонены относительно орбитальной плоскости Солнечной системы. Это означает, что когда Земля вращается вокруг Солнца, иногда одно полушарие, а затем другое “наклоняется” к Солнцу.
Каковы времена года для планет-гигантов? Ось вращения Юпитера наклонена лишь на 3°, поэтому о сезонах нельзя и говорить.
Однако у Сатурна есть времена года, поскольку его ось вращения наклонена на 27° к перпендикуляру его орбиты.
Нептун имеет примерно такой же наклон, как Сатурн (29 °); следовательно, он переживает подобные сезоны (лишь медленнее).
Самые странные сезоны из всех – на Уране , который имеет ось вращения, наклоненную на 98 ° относительно северного направления. Практически говоря, мы можем сказать, что Уран вращается на боку.
Мы не знаем, что вызвало опрокидывание Урана таким образом, но одна из гипотез – столкновение с большим планетарным телом, когда наша система только формировалась.
Независимо от причины, этот необычный наклон создает драматические сезоны. Когда “Вояджер-2” прибыл на Уран, когда его южный полюс был обращен прямо к Солнцу. Южное полушарие переживало 21-летнее освещенное солнцем лето, тогда как в тот же период северное полушарие погрузилось в темноту. Затем 21 год освещенного северного полушария и темного южного полушария.
Как и на Земле, времена года на полюсах планеты гиганта еще более экстремальные. Например, если бы установить плавучую платформу на южном полюсе Урана, она пережила бы 42 года света и 42 года темноты. Любые будущие астронавты, достаточно сумасшедшие, чтобы создать там лагерь, могли бы провести большую часть своей жизни, никогда не видя Солнца.
Состав и структура гигантов
Хотя мы не можем увидеть изнутри эти планеты, астрономы уверены, что внутренние районы Юпитера и Сатурна состоят в основном из водорода и гелия. Конечно, эти газы измерялись только в их атмосфере, но расчеты, проведенные впервые 50 лет назад, показали, что эти два легких газа – единственно возможный материал, из которого могла бы существовать планета с наблюдаемыми массами и плотностью Юпитера.
Глубокие внутренние структуры этих двух планет трудно предсказать. Это главным образом потому, что эти планеты настолько велики, что водород и гелий в их центрах чрезвычайно сжимаются и ведут себя так, как эти газы никогда не могут вести себя на Земле. Лучшие теоретические модели структуры Юпитера предполагают центральное давление более 100 миллионов бар и центральную плотность около 31 г / см3 . (В отличие от этого, ядро Земли имеет центральное давление 4 миллиона бар и центральную плотность 17 г / см3 ).
Под давлением внутри планет-гигантов знакомые нам материалы могут приобретать странные формы. Несколько тысяч километров под видимыми облаками Юпитера и Сатурна давление становится настолько большим, что водород переходит из газообразного в жидкое состояние.
Еще глубже, этот жидкий водород дополнительно сжимается и начинает действовать как металл, чего никогда не происходит на Земле. (В металле электроны не прикреплены к родительским ядрам, но могут блуждать вокруг них. Вот почему металлы являются настолько хорошими проводниками электричества.) На Юпитере большая часть внутренней части – это жидкий металлический водород.
Поскольку Сатурн менее массивный, он имеет лишь небольшой объем металлического водорода, но большая часть его внутренней части – жидкость. Уран и Нептун слишком малы, чтобы достичь внутреннего давления, достаточного для сжижения водорода.
Каждая из этих планет гигантов имеет ядро, составленное из более тяжелых материалов, как продемонстрировал детальный анализ их гравитационных полей. Предположительно, эти ядра являются оригинальными горно-ледниковыми телами, образовавшимися до захвата газа из окружающей туманности.
Ядра существуют под давлением в десятки миллионов баров. Пока ученые говорят о гигантских ядрах планет, состоящих из горных пород и льда, мы можем быть уверены, что ни скала, ни лед не принимают никакой привычной формы при таких давлениях и температурах.
Помните, что под “горной породой” на самом деле подразумевается любой материал, состоящий преимущественно из железа, кремния и кислорода, тогда как термин “лед” в этой главе обозначает материалы, состоящие преимущественно из элементов углерода, азота и кислорода в сочетании с водородом.
Внутренние источники тепла
Из-за своих больших размеров все планеты-гиганты сильно нагревались во время своего формирования из-за обрушения окружающего материала на их ядра. Юпитер, будучи самым большим, был самым горячим. Часть этого изначального тепла все еще может оставаться внутри таких больших планет.
Кроме того, планеты-гиганты, которые в основном газообразны, могут генерировать тепло со времени их возникновения, медленно сжимаясь. (При такой большой массе даже незначительное количество усадки может генерировать значительное тепло). Влияние этих внутренних источников энергии заключается в повышении температур во внутренней части и атмосфере планет выше, чем мы могли бы ожидать от нагревательного эффекта Солнца.
Юпитер имеет самый большой внутренний источник энергии, который составляет 4 × 10 17 Вт; то есть он нагревается изнутри энергией, эквивалентной 4 миллионам миллиардов 100-ваттных лампочек. Эта энергия примерно такая же, как и полная солнечная энергия, поглощенная Юпитером.
Итак, атмосфера Юпитера является чем-то средним между нормальной планетарной атмосферой (вроде земной), которая получает большую часть энергии от Солнца, и атмосферой звезды, которая полностью нагревается внутренним источником энергии. Большая часть внутренней энергии Юпитера – это изначальное тепло, оставшееся от образования планеты 4,5 миллиарда лет назад.
Сатурн имеет внутренний источник энергии примерно вдвое меньше, чем у Юпитера, а это означает (поскольку его масса лишь примерно на четверть меньше), что он производит вдвое больше энергии на килограмм материала, чем Юпитер. Поскольку, как ожидается, у Сатурна гораздо меньше первичного тепла, должен действовать другой источник, который генерирует большую часть этой мощности 2 × 10 17 Вт.
Этот источник – отделение гелия от водорода во внутренних местах Сатурна. В жидкой водородной мантии более тяжелый гелий образует капли, которые опускаются к ядру, высвобождая гравитационную энергию. По сути, Сатурн все еще дифференцируется – позволяя более легким материалам подниматься и более тяжелым материалам опускаться.
Уран и Нептун разные. Нептун имеет небольшой внутренний источник энергии, в то время как Уран не выделяет заметного количества внутреннего тепла. В результате эти две планеты имеют почти одинаковую атмосферную температуру, несмотря на большее расстояние Нептуна от Солнца. Никто не знает, почему эти две планеты отличаются своим внутренним теплом.
Магнитные поля
Все планеты-гиганты имеют сильное магнитное поле, которое генерируется электрическими токами. С магнитными полями связаны магнитосферы планет-гигантов, которые представляют собой области вокруг планеты, внутри которых собственное магнитное поле планеты доминирует над общим межпланетным магнитным полем. Магнитосферы этих планет – это их самые большие особенности, простирающиеся на миллионы километров в космос.
В конце 1950-х годов астрономы обнаружили, что Юпитер был источником радиоволн, которые становились более интенсивными на более длинных, а не на более коротких длинах волн – как раз наоборот, что ожидается от теплового излучения (излучение, вызванное нормальными колебаниями частиц во всем веществе).
Однако такое поведение типично для излучения, которое излучается при ускорении электронов магнитным полем. Мы называем это синхротронное излучение, поскольку оно впервые наблюдалось на Земле в ускорителях частиц, называемых синхротронами.
Более поздние наблюдения показали, что радиоволны поступают из области, окружающей Юпитер, диаметр которой в несколько раз превышает диаметр самой планеты. Доказательства свидетельствуют о том, что огромное количество заряженных атомных частиц должно циркулировать вокруг Юпитера, крутясь вокруг силовых линий магнитного поля, связанного с планетой.
Это как раз то, что мы наблюдаем, происходящее, но в меньших масштабах, в поясе Ван Аллена вокруг Земли. Магнитные поля Сатурна, Урана и Нептуна, обнаруженные космическим кораблем, который впервые прошел близко к этим планетам, работают подобным образом, но не настолько сильно.
Внутри каждой магнитосферы заряженные частицы спиралью вращаются в магнитном поле; в результате их можно ускорить до высоких энергий. Эти заряженные частицы могут поступать от Солнца или из окрестностей самой планеты. В случае Юпитера, у Ио, одного из его спутников, проходят извержения вулканов, которые взрываются заряженными частицами в космос и прямо в магнитосферу планеты гиганта.
Ось магнитного поля Юпитера (линия, соединяющая магнитный северный полюс с магнитным южным полюсом) не совмещена точно с осью вращения планеты; скорее, он наклонен примерно на 10 °. Уран и Нептун имеют еще большие магнитные наклоны соответственно на 60 ° и 55 °. Поле Сатурна, напротив, идеально выровнено с его осью вращения. Почему разные планеты имеют такие разные магнитные наклоны, пока нам недостаточно понятно.
Физические процессы вокруг планеты Юпитера оказываются более мягкими версиями того, что астрономы находят во многих отдаленных объектах – от остатков мертвых звезд до загадочных далеких “электростанций”, которые мы называем квазарами. Одной из причин изучения магнитосфер планет-гигантов и Земли является то, что они показывают аналоги более энергичных и сложных космических процессов.
Интересные факты о планетах гигантах
- Юпитер в 318 раз массивнее Земли. Сатурн примерно на 25% массивнее, чем Юпитер, а Уран и Нептун – лишь на 5%.
- Все четыре планеты гиганты имеют глубокую атмосферу и непрозрачные облака, и все они быстро вращаются с периодами от 10 до 17 часов.
- Юпитер и Сатурн имеют большие мантии жидкого водорода.
- Каждая планета-гигант имеет ядро “льда” и “скалы” массой около 10 земных масс.
- Юпитер, Сатурн и Нептун имеют основные внутренние источники тепла, получая столько же (или больше) энергии из своих сред, сколько от излучения Солнца.
- Уран не имеет внутреннего тепла. Юпитер имеет самое сильное магнитное поле и самую большую магнитосферу.
Источник: https://courses.lumenlearning.com
