© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Атмосфера Юпитера

БКП и белый овал

Экваториальная зона

Атмосфера Юпитера состоит в основном из молекулярного водорода (76,1 % по массе) и гелия (23,8% по массе). В незначительном количестве присутствуют метан (0,21%), аммиак, инертные газы, а также кристаллики водяного льда. На поверхности Юпитера постоянно дуют сильные ветры. На Земле ветры со скоростью 150 м/с мы назвали бы ураганными, а для Юпитера такие ветры – нормальное явление. Установлено, что в северной полусфере Юпитера потоки атмосферного ветра достигают 600 км/ч (это 166 м/с).

Чёткой границы между поверхностью и атмосферой на Юпитере, как и на других газообразных планетах, не существует. Для определения такой границы астрономы ввели понятие условной «нулевой высоты», на которой происходит смена градиента температуры на обратный, т.е. начинается обратный отсчет температуры. Для точного определения нулевой высоты на Юпитере его атмосфера ещё недостаточно изучена. За верхнюю границу атмосферы планеты взят уровень давления в 1 нбар. При измерении физических свойств атмосферы зондом Галилео использовалась точка отсчёта с давлением в 1 атмосферу.

По данным зонда Галилео скорость ветра сначала растёт с глубиной, а потом становится постоянной. На уровне давления 0,5 атм. скорость ветра составила 90 м/сек, достигла 170 м/сек на уровне 4 атм. и далее почти не менялась.

Скорость / направление зональных ветров на Юпитере в зависимости от широты

В экваториальной области Юпитера ветры дуют в прямом направлении, т.е. в направлении вращения планеты, со скоростью ок. 70-140 м/сек. Но уже на 15-18 градусах северной и южной широт направление потоков газа меняется на обратное, где достигает скорости 50-60 м/сек. В дальнейшем атмосферные течения прямого и обратного направления несколько раз сменяют друг друга, а скорость ветра в них уменьшается с увеличением широты. В приполярных широтах зональная скорость ветра близка к нулю.

Установлено, что в атмосфере Юпитера присутствуют три слоя облаков. Наверху расположены облака́ из оледеневшего аммиака, ниже – кристаллы сероводорода аммония и метана, а в самом нижнем слое – водяной лёд и, возможно, жидкая вода.

Атмосфера Юпитера отличается высокой электрической активностью. Грозы там гремят непрерывно. Молнии достигают длины 1000 км и даже больше. В атмосфере Земли молнии длиной 50 км являются большой редкостью.

Вспышки молний в атмосфере Юпитера. Снимок ночной стороны планеты.

Внутреннее строение Юпитера

По современным представлениям, наружный слой Юпитера толщиной в 0,15 радиуса планеты, т.е. около 10000 км состоит из газа (смесь водорода и гелия). За этим слоем находится слой жидкого молекулярного водорода (смесь жидкого водорода и гелия). Толщина этого слоя составляет около 0,75 радиуса планеты, т.е. около 54 тысяч км. температура жидкого водорода в этом слое достигает 2000°С. Далее, на глубине до 0,9 радиуса планеты (около 65 тысяч км) водород находится в твёрдом металлическом состоянии с плотностью 11 (г/см³) и температурой 20000°С. Давление в этой зоне достигает 5 миллионов земных атмосфер.

Ядро Юпитера представляет собой твёрдое образование из железосиликатных и каменистых пород. Радиус ядра может составлять от 0,1 до 0,15 радиуса планеты, а его масса составляет около 4% общей массы Юпитера.

Под металлическим водородом понимается такое его агрегатное состояние, когда под давлением в несколько миллионов земных атмосфер электроны атомов водорода теряют связь с протонами и свободно перемещаются внутри окружающего вещества. Подобным образом ведут себя электроны в металлах.

Находясь на огромном расстоянии от Солнца, Юпитер получает в 27 раз меньше солнечного тепла, чем Земля. Измерения, выполненные с Земли и автоматическими зондами, показали, что энергия инфракрасного излучения Юпитера примерно в 1,5 раза превышает тепловую энергию, получаемую планетой от далёкого Солнца. Значит, Юпитер имеет внутренние запасы тепла. Считается, что эти запасы тепловой энергии являются остаточными с момента образования планеты. Гадать о том, каких значений может достигать температура в недрах Юпитера, не имеет смысла, хотя некоторые авторы и называют возможный уровень от 23000°C до 100000°C.

Поверхность Юпитера прогревается слабо из-за низкой теплопроводности веществ, составляющих внутренние слои планеты. Поэтому на поверхности Юпитера царит ужасный холод – до минус 150°C. В то же время действие внутреннего источника тепла на Юпитере проявляется в том, что в его атмосфере постоянно бушуют циклоны и антициклоны, беспрерывно дуют сильные ветры то с запада на восток, то с востока на запад. Для подобных проявлений атмосферной активности тепловой энергии, получаемой Юпитером от Солнца, было бы совершенно недостаточно. Это подтверждается метеорологическими расчётами.

Магнитное поле Юпитера

До 1979 года учёные не имели никаких данных о наличии или отсутствии магнитного поля у Юпитера. Из научной информации, полученной в марте 1979 года от автоматической межпланетной станции «Вояджер-1», а позднее и от АМС «Одиссей», стало ясно, что Юпитер обладает сильнейшим магнитным полем. По некоторым оценкам, напряженность магнитного поля на Юпитере почти в 50 раз выше, чем на Земле. Магнитная ось наклонена на 10,2 ± 0,6° по отношению к оси вращения Юпитера. Магнитные полюса́ Юпитера инвертированы по отношению к полюсам планеты. Поэтому стрелка ко́мпаса на Юпитере своим северным концом показала бы на юг. Предполагается, что магнитное поле на Юпитере генерирует хорошо проводящий электрический ток металлический водород вследствие быстрого вращения планеты.

Смелость такого предположения заключается в том, что на Земле никто и никогда не видел металлический водород и, соответственно, никто не изучал свойства этого, в общем-то гипотетического, вещества. Но в данном случае фантазия учёных совпадает с реальностью: ведь магнитное поле Юпитера существует реально.

Магнитное поле Юпитера простирается на огромное расстояние от планеты, не менее ста юпитерианских радиусов, т.е. достигает Сатурна. Если бы магнитосферу Юпитера можно было видеть с поверхности Земли, то её угловые размеры превышали бы размеры полной Луны, видимой с Земли.

Магнитное поле Юпитера создаёт вокруг планеты мощные радиационные пояса, т.е. области, заполненные заряженными частицами. Радиационные пояса Юпитера по интенсивности излучения в 40 тысяч раз превышают радиационные пояса Земли.

Аврора на Юпитере

Модель магнитосферы Юпитера

Наличие в магнитосфере Юпитера заря́женных частиц служит причиной полярных сияний, которые возникают в атмосфере высоких широт обоих полушарий планеты. Полярные сияния на Юпитере очень интенсивны, их можно наблюдать даже с Земли.

В то же время вокруг Юпитера установлено наличие плазменного кольца, т.е. зоны, где заря́женные частицы отсутствуют. Существование плазмы объясняется возможной ионизацией под действием солнечной радиации выбросов вулканов, действующих на спутнике Ио.

Ко́льца Юпитера

Система колец Юпитера сфотографированная аппаратом Галилео

В 1979 году зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» открыли ко́льца, окружающие Юпитер. Система этих колец состоит из двух наружных и одного внутреннего. Ко́льца расположены в экваториальной плоскости Юпитера и находятся на расстоянии 55000 км от верхнего слоя атмосферы. Ко́льца представляют собой мелкие каменистые фрагменты, пыль и кусочки льда, вращающиеся вокруг планеты. Отражающая способность основной массы вещества колец низкая, поэтому заметить ко́льца с Земли чрезвычайно трудно. В этом состоит отличие колец Юпитера от колец другого газообразного гиганта – Сатурна, которые хорошо отражают солнечный свет и доступны наблюдению. Самая яркая и заметная часть юпитерианских колец составляет около 6400 км в ширину (точнее – в глубину) и до 30 км в толщину. С точки зрения небесной механики кольца Юпитера – это сотни тысяч мелких и мельчайших спутников, вращающихся вокруг этой планеты. Но астрономическая наука, конечно, не рассматривает в качестве спутников каменную мелочь, кусочки льда и прочий космический мусор, вращающийся вокруг каждой планеты.