Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун представляют юпитерову группу планет, или группу планет-гигантов, хотя их большие диаметры не единственная черта, отличающая эти планеты от планет земной группы. Планеты-гиганты имеют небольшую плотность, краткий период суточного вращения и, следовательно, значительное сжатие у полюсов; их видимые поверхности хорошо отражают, или, иначе говоря, рассеивают солнечные лучи. Уже довольно давно установили, что атмосферы планет-гигантов состоят из метана, аммиака, водорода, гелия. Полосы поглощения метана и аммиака в спектрах больших планет видны в огромном количестве. Причем с переходом от Юпитера к Нептуну метановые полосы постепенно усиливаются, а полосы аммиака слабеют. Основная часть атмосфер планет-гигантов заполнена густыми облаками, над которыми простирается довольно прозрачный газовый слой, где “плавают” мелкие частицы, вероятно, кристаллики замерзших аммиака и метана. Вполне естественно, что среди планет-гигантов лучше всего изучены две ближайшие к нам — Юпитер и Сатурн. Поскольку Уран и Нептун сейчас не привлекают к себе особенного внимания ученых, остановимся более подробно на Юпитере и Сатурне. К тому же значительная часть вопросов, которые можно решить в связи с описанием Юпитера и Сатурна, относится также и к Нептуну.

ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ

Юпитер является одной из наиболее удивительных планет Солнечной системы. Необычайным в этой планете является не ее полосатое тело с довольно быстрым перемещением темных полос и изменением их ширины и не огромное красное пятно, диаметр которого около 60 тыс. км., изменяющее время от времени свой цвет и яркость, и, наконец, не его “господствующее” по размеру и массе положение в планетной семье. Необычайное заключается в том, что Юпитер, как показали радио­астрономические наблюдения, является источником не только теплового, а и так называемого нетеплового радиоизлучения. Вообще для планет, которым присущи спокойные процессы, нетепловое радиоизлучение является совсем неожиданным. То, что Венера, Марс, Юпитер и Сатурн являются источниками теплового радиоизлучения, теперь твердо установлено и не вызывает у ученых никакого сомнения. Это радиоизлучение целиком совпадает с тепловым излучением планет и является “остатком”, а точнее—низкочастотным “хвостом” теплового спектра нагретого тела. Поскольку механизм теплового радио­излучения хорошо известен, такие наблюдения позволяют измерять температуру планет. Тепловое радиоизлучение регистрируется с помощью радиотелескопов сантиметрового диапазона. Уже первые наблюдения Юпитера на волне 3 см дали температуру радиоизлучения такую же, как и радиометрические наблюдения в инфракрасных лучах. В среднем эта температура составляет около— 150°С. Но случается, что отклонения от этой средней температуры достигают 50—70, а иногда 140°С, как, например, в апреле — мае 1958 г. К сожалению, пока не удалось выяснить, связаны ли эти отклонения радиоизлучения, наблюдаемые на одной и той же волне, с вращением планеты. И дело тут, очевидно, не в том, что угловой диаметр Юпитера в два раза меньше наилучшей разрешающей способности крупнейших радиотелескопов и что, следовательно, невозможно наблюдать отдельные части поверхности. Существующие наблюдения еще очень немногочисленны для того, чтобы ответить на эти вопросы. Что касается затруднений, связанных с низкой раз­решающей способностью радиотелескопов, то в отношении Юпитера можно попробовать их обойти. Нужно только надежно установить на основании наблюдений период аномального радиоизлучения, а потом сравнить его с периодом вращения отдельных зон Юпитера. Вспомним, что период 9 час. 50 мин.,   — это период вращения его экваториальной зоны. Период для зон умеренных широт на 5—6 мин. больший (вообще на поверхности Юпитера на­считывается до 11 течений с разными периодами). Таким образом, дальнейшие наблюдения могут привести нас к окончательному результату. Вопрос о связи аномального радиоизлучения Юпитера с периодом его вращения имеет немаловажное значение. Если, например, выяснится, что источник этого излучения не связан с поверхностью Юпитера, то возникнет необходимость в более старательных поисках его связи с солнечной активностью. Не так давно сотрудники Калифорнийского технологического института Ракхакришнан и Робертс наблюдали радиоизлучения Юпитера на дециметровых волнах (31 см). Они использовали интерферометр с двумя параболическими зеркалами. Это позволило им разделить угловые размеры источника, который представляет собой кольцо в плоскости экватора Юпитера, диаметром около трех диаметров планеты. Температура Юпитера, которую определили на дециметровых волнах, оказалась слишком высокой для того, чтобы можно было считать природу источника этого радиоизлучения тепловой. Очевидно, тут мы имеем дело с излучением, происходящим от заряженных частиц, захваченных магнитным полем Юпитера, а также сконцентрированных вблизи планеты благодаря значительному гравитационному полю. Итак, радиоастрономические наблюдения стали мощным способом исследования физических условий в атмосфере Юпитера. Мы кратко рассказали о двух видах радиоизлучения Юпитера. Это, во-первых, главным образом тепловое радиоизлучение атмосферы, которое наблюдается на сантиметровых волнах. Во-вторых, радиоизлучение на дециметровых волнах, имеющее, по всей вероятности, нетепловую природу. Остановимся кратко на третьем виде радиоизлучения Юпитера, которое, как упоминалось выше, является необычным для планет. Этот вид радиоизлучения имеет также нетепловую природу и регистрируется на радиоволнах длиной в несколько десятков метров. Ученым известны интенсивные шумовые бури и всплески “возмущенного” Солнца. Другой хорошо известный источник такого радиоизлучения — это так называемая Крабовидная туманность. Согласно пред­ставлению о физических условиях в атмосферах и на поверхностях планет, которое существовало до 1955 г., никто не надеялся, что хотя бы одна из планет в состоянии “дышать” по образцу разных по природе объектов — Солнца или Крабовидной туманности. Поэтому не удивительно, что когда в 1955 г. наблюдатели за Крабовидной туманностью зарегистрировали дискретный источник радиоизлучения переменной интенсивности, они не сразу решились отнести его на счет Юпитера. Но никакого другого объекта в этом направлении не было обнаружено, поэтому всю “вину” за возникновение довольно значи­тельного радиоизлучения в конце концов возложили на Юпитер.

Характерной особенностью излучения Юпитера является то, что радиовсплески длятся недолго (0,5—1,5 сек.). Поэтому в поисках механизма радиоволн в этом случае приходится исходить из предположения либо о дискретном характере источника (подобного разрядам), либо о довольно узкой направленности излучения, если источник действует непрерывно. Одну из возможных причин происхождения радиовсплесков Юпитера объясняла гипотеза, согласно которой в атмосфере планеты возникают электрические разряды, напоминающие молнию. Но позднее выяснилось, что для образования столь интенсивных радиовсплесков Юпитера мощность разрядов должна быть почти в миллиард раз большей, чем на Земле. Это значит, что, если радиоизлучение Юпитера возникает благодаря электрическим разрядам, то последние должны носить совершенно иной характер, чем возникающие во время грозы на Земле. Из других гипотез заслуживает внимания предположение, что Юпитер окружен ионосферой. В этом случае источником возбуждения ионизованного газа с частотами 1—25 мгц могут быть ударные волны. Для того чтобы такая модель согласовалась с периодическими кратковременными радиовсплесками, следует сделать предположение о том, что радиоизлучение выходит в мировое пространство в границах конуса, вершина которого совпадает с положением источника, а угол у вершины составляет около 40°. Не исключено также, что ударные волны вызываются процессами, происходящими на поверхности планеты, или конкретнее, что тут мы имеем дело с проявлением вулканической деятельности. В связи с этим необходимо пересмотреть модель внутреннего строения планет-гигантов. Что же касается окончательного выяснения механизма происхождения низкочастотного радиоизлучения Юпитера, то ответ на этот вопрос следует отнести к будущему. Теперь же можно сказать лишь то, что источники этого излучения на основании наблюдений в течение восьми лет не изменили своего положения на Юпитере. Следовательно, можно думать, что они связаны с поверхностью планеты. Таким образом, радионаблюдения Юпитера за последнее время стали одним из наиболее эффективных методов изучения этой планеты. И хотя, как это часто случается в начале нового этапа исследований, толкование результатов радионаблюдений Юпитера связано с большими трудностями, мнение в целом о нем как о холодной и “спокойной” планете довольно резко изменилось. Наблюдения показывают, что на видимой поверхности Юпитера есть много пятен, различных по форме, размеру, яркости и даже цвету. Расположение и вид этих пятен изменяются довольно быстро, и не только благодаря быстрому суточному вращению планеты. Можно назвать несколько причин, вызывающих эти изменения. Во-первых, это интенсивная атмосферная циркуляция, подобная той, которая происходит в атмосфере Земли благодаря наличию разных линейных скоростей вращения отдельных воздушных слоев; во-вторых, неодинаковое нагревание солнечными лучами участков планеты, расположенных на разных широтах. Большую роль может играть также внутреннее тепло, источником которого является радиоактивный распад элементов. Если фотографировать Юпитер на протяжении длительного времени (скажем, в течение нескольких лет) в моменты наиболее благоприятных атмосферных условий, то можно заметить изменения, происходящие на Юпитере, а точнее — в его атмосфере. Наблюдениям над этими изменениями (с целью их объяснения) сейчас уделяют большое внимание астрономы разных стран. Греческий астроном Фокас, сравнивая карты Юпитера, созданные в разные периоды (иногда с интервалом в десятки лет), пришел к заключению: изменения в атмосфере Юпитера связаны с процессами, происходящими на Солнце. Нет сомнений, что темные пятна Юпитера принадлежат плотному слою сплошных облаков, окружающих планету. Над этим слоем находится довольно разреженная газовая оболочка. Атмосферное давление, создаваемое газовой частью атмосферы Юпитера на уровне облаков, вероятно, не превышает 20—30 мм. рт. ст. По крайней мере, газовая оболочка во время наблюдения Юпитера через синий светофильтр едва заметно уменьшает контрасты между темными пятнами и яркой окрестностью. Следовательно, в целом газовый слой атмосферы Юпитера довольно прозрачный. Об этом свидетельствуют также фотометрические измерения распределения яркости вдоль диаметра Юпитера. Выяснилось, что уменьшение яркости к краю изображения планеты почти одинаковое как в синих, так и в красных лучах. Следует заметить, что между слоями облаков и газа на Юпитере резкой границы, безусловно, нет, а поэтому приведенное выше значение давления на уровне облаков надо считать приближенным. Химический состав атмосферы Юпитера, как и других планет, начали изучать еще в начале XX ст. Спектр Юпитера имеет большое количество интенсивных полос, расположенных как в видимом, так и в инфракрасном участке. В 1932 г. почти каждая из этих полос была отождествлена с метаном или аммиаком. Американские астрономы Данхем, Адель и Слайфер провели специальные лабораторные исследования и установили, что количество аммиака в атмосфере Юпитера эквивалентно слою толщиной 8 м при давлении 1 атм., в то время как количество метана — 45 м при давлении 45 атм. Основной составной частью атмосферы Юпитера является, вероятно, водород. За последнее время это предположение подтверждено наблюдениями. Сатурн, бесспорно, — самая красивая планета Солнечной системы. Почти всегда в поле зрения телескопа наблюдатель видит эту планету, окруженную кольцом, которое при более внимательном наблюдении представляет собой систему трех колец. Правда, эти кольца отделены друг от друга, слабоконтрастными промежутками, поэтому не всегда все три кольца удается рассмотреть. Если наблюдать Сатурн при наилучших атмосферных условиях (при незначительном турбулентном дрожании изображения и т.п.) и с увеличением в 700—800 раз, то даже на каждом из трех колец едва заметны тонкие концентрические полосы, напоминающие промежутки между кольцами. Самое светлое и самое широкое — среднее кольцо, а самое слабое по яркости — внутреннее. Внешний диаметр системы колец почти в 2,4, а внутренний в 1,7 раза больше диаметра планеты. За последнее время наиболее серьезным исследованием колец Сатурна в нашей стране занимается московский астроном М. С. Бобров. Используя данные наблюдений изменения яркости колец в зависимости от их размещения по отношению к Земле и Солнцу или от так называемого угла фазы, он определил размеры частиц, из которых состоят кольца. Оказалось, что частицы, входящие в состав колец, в поперечнике достигают нескольких сантиметров и даже метров. По расчетам М. С. Боброва, толщина колец Сатурна не превышает 10—20 км. Как и на Юпитере, на Сатурне видны темные полосы, расположенные параллельно экватору. Так же как и для Юпитера, для Сатурна характерна разная скорость вращения для зон с различными широтами. Правда, полосы на диске Сатурна более стойкие и количество деталей меньше, чем у Юпитера.

СПУТНИКИ ПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ

Само семейство больших планет включает в себя много твердых тел. Это их спутники, охватывающие широкий диапазон размеров — от сопоставимых с планетами земной группы до небольших астероидов.

К сожалению, сведения о большинстве этих тел, основанные на наземных наблюдениях, весьма ограничены. Касается это в первую очередь самых внешних спутников Юпитера, Сатурна и Нептуна, обладающих наибольшими наклонениями и эксцентриситетами орбит. Примерно четверть из них обращается вокруг своих планет не в прямом, а в обратном направлении. Уже сам этот факт определенно указывает на то, что эти спутники, вероятно, представляют собой захваченные астероиды, имеющие неправильную форму, и что основные черты их поверхностей не претерпели заметных изменений после захвата (за исключением возможно более интенсивной бомбардировки при нахождении в окрестности крупного гравитирующего тела). В то же время природа других, особенно близких к планете больших спутников, скорее всего, является иной, тесно связанной с периодом формирования самой планеты. Можно предположить, что при очень низких температурах конденсации во внешних областях Солнечной системы и при сравнительно малых размерах этих тел значительная часть слагающего вещества представляет собой водяной, метановый и аммонийный лед, который во многих случаях должен обнаруживаться на поверхности. Наиболее вероятным кажется наличие водяного льда вследствие его большого содержания в Солнечной системе, а также более высокой стабильности по сравнению с аммонийным и метановым льдом. Что же наблюдается на самом деле? Водяной лед действительно был обнаружен на трех из четырех галилеевых спутников Юпитера и на шести спутниках Сатурна. Основой для этого вывода послужили спектры отражения галилеевых спутников в сопоставлении со спектром льда из Н2О, которые показали, что характерные признаки ледяного поглощения особенно четко присутствуют в спектрах Европы и Ганимеда, в значительно меньшей степени они проявляются у Каллисто, а у Ио вообще отсутствуют. Это привело к представлениям о существенных различиях поверхностей этих тел и разных путях их тепловой эволюции. Аналогичная ситуация наблюдается у спутников Сатурна. Покрытые водяным льдом поверхности (а некоторые — возможно и целиком ледяной состав) имеют все спутники внутри орбиты Титана — Янус, Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея. На других спутниках Сатурна, а также спутниках Урана и Нептуна, каких-либо свидетельств присутствия водяного или образующегося при еще более низких температурах конденсации аммиачного или метанового льда не найдено. У них низкая отражательная способность, что сближает характеристики их поверхностей. Это спутники Сатурна Гиперион и Феба, спутники Урана Титания и Оберон, спутник Нептуна Тритон. В то же время для спутника Сатурна Япета характерно то, что у него одна сторона (в направлении движения по орбите) светлая, с высокой отражательной способностью, а противоположная сторона темная. Приемлемого объяснения такой асимметрии пока не найдено. К сожалению, ничего не известно о поверхности самого большого спутника Сатурна — Титана, по размерам превышающего Меркурий. Объясняется это тем, что изучению отражательных свойств его поверхности мешает атмосфера. Предполагали, что поверхность Титана может состоять из водяного или метанового льда. Выдвигалась гипотеза, согласно которой она может быть покрыта густой органической массой. В основе последней лежали результаты лабораторных исследований, показавшие, что в метаново-водородных атмосферах под воздействием ультрафиолетового излучения образуются сложные углеводороды — такие, как этан, этилен и ацетилен. Как здесь не вспомнить существовавшие еще в 50-х годах нашего столетия близкие к этим представления о поверхности Венеры: ведь и на ней предполагалось обилие угле­водородов, моря нефти и даже пышная растительность. К сожалению, реальность уже не раз опровергала экзотические ожидания; очевидно, не будет исключением и Титан с его недавно открытой холодной азотной атмосферой.

Планеты-гиганты активно изучаются и в наше время. Но  до сих пор многие явления, происходящие на планетах- гигантах, остаются неизведанными и привлекают внимание ученых всего мира. И следует полагать, что мы когда-нибудь  все-таки будем иметь полное представление о этих красивых,  необычных планетах.