Ciśnienie Jowisza. Atmosfera i budowa wewnętrzna Jowisza. Pole magnetyczne i pierścienie na Jowiszu. Warstwy atmosferyczne Jowisza
Przeczytaj także
Jowisz jest największą planetą Układ Słoneczny. Znajduje się na piątej orbicie od Słońca.
Należy do kategorii gazowe olbrzymy iw pełni uzasadnia poprawność takiej klasyfikacji.
Jowisz otrzymał swoją nazwę na cześć starożytnego najwyższego boga piorunów. Zapewne ze względu na to, że planeta znana jest od czasów starożytnych i czasami spotykana w mitologii.
Waga i rozmiar.
Jeśli porównasz rozmiary Jowisza i Ziemi, możesz zrozumieć, jak bardzo się różnią. Jowisz przekracza promień naszej planety ponad 11 razy.
Jednocześnie masa Jowisza jest 318 razy większa niż masa Ziemi! Wpływa na to również niewielka gęstość giganta (jest prawie 5 razy gorsza od Ziemi).
Struktura i skład.
Rdzeń planety, co jest bardzo interesujące, to kamień. Jego średnica wynosi około 20 tysięcy kilometrów.
Następnie następuje warstwa metalicznego wodoru, mająca dwukrotnie większą średnicę rdzenia. Temperatura tej warstwy waha się od 6 do 20 tysięcy stopni.
Kolejna warstwa to substancja wodoru, helu, amoniaku, wody i innych. Jego grubość to również około 20 tysięcy kilometrów. Co ciekawe, na powierzchni warstwa ta ma postać gazową, która stopniowo przechodzi w ciecz.
Cóż, ostatnia, zewnętrzna warstwa - składa się w większości z wodoru. Jest też trochę helu i trochę mniej innych pierwiastków. Ta warstwa jest gazowa.
Orbita i obrót.
Prędkość orbity Jowisza nie jest zbyt duża. Planeta dokonuje pełnej rewolucji wokół gwiazdy centralnej w ciągu prawie 12 lat.
Wręcz przeciwnie, prędkość obrotu wokół własnej osi jest wysoka. A nawet więcej - najwyższy spośród wszystkich planet systemu. Obrót zajmuje nieco mniej niż 10 godzin.
Informacje o planecie Jowisz
Atmosfera.
Atmosfera Jowisza zawiera około 89% wodoru i 8-10% helu. Pozostałe okruchy spadają na metan, amon, wodę i inne.
Z daleka widoczne są pasma Jowisza - warstwy atmosfery różniące się składem, temperaturą i ciśnieniem. Mają nawet różne kolory – jedne są jaśniejsze, inne ciemniejsze. Czasami poruszają się po planecie w różnych kierunkach i prawie zawsze z różnymi prędkościami, co jest dość piękne.
W atmosferze Jowisza zachodzą wyraźne zjawiska: błyskawice, burze i inne. Są znacznie większe niż na naszej planecie.
Temperatura.
Pomimo odległości od Słońca temperatury na planecie są bardzo wysokie.
W atmosferze - od około -110 ° C do +1000 ° C. Cóż, wraz ze zmniejszaniem się odległości od centrum planety wzrasta również temperatura.
Ale to nie dzieje się równomiernie. Zwłaszcza ze względu na jego atmosferę - zmiana temperatury w jej różnych warstwach następuje w dość nieoczekiwany sposób. Do tej pory nie udało się wyjaśnić wszystkich takich zmian.
- Ze względu na szybki obrót wokół własnej osi Jowisz ma nieco wydłużoną wysokość. Tak więc promień równikowy przekracza promień polarny o prawie 5 tys. km (odpowiednio 71,5 tys. km i 66,8 tys. km).
- Średnica Jowisza jest jak najbardziej zbliżona do limitu dla planet o tego typu strukturze. Przy teoretycznym dalszym wzroście planety zaczęłaby się ona kurczyć, podczas gdy jej średnica pozostałaby prawie niezmieniona. Ten, który ma teraz.
Takie skurczenie doprowadziłoby do pojawienia się nowej Gwiazdy.
- W atmosferze Jowisza panuje nieustanny gigantyczny huragan - tzw. Czerwona plama Jowisza(ze względu na swój kolor, gdy jest obserwowany). Rozmiar tego miejsca przekracza kilka średnic Ziemi! 15 do 30 tysięcy kilometrów - w przybliżeniu takie są jego wymiary (a także zmniejszyła się 2 razy w ciągu ostatnich 100 lat).
- Planeta ma 3 bardzo cienkie i niepozorne pierścienie.
Na Jowisza pada deszcz diamentów.
- Jowisz ma największa liczba satelitów wśród wszystkich planet Układu Słonecznego - 67.
Na jednym z tych satelitów, Europie, znajduje się globalny ocean, który osiąga głębokość 90 kilometrów. Objętość wody w tym oceanie jest większa niż objętość oceanów Ziemi (chociaż satelita jest zauważalnie mniejszy niż Ziemia). Być może w tym oceanie są żywe organizmy.
Jowisz to piąta planeta od Słońca w Układzie Słonecznym. To gigantyczna planeta. Średnica równikowa Jowisza jest prawie 11 razy większa od średnicy Ziemi. Masa Jowisza przewyższa masę Ziemi 318 razy.
Planeta Jowisz znana jest ludziom od czasów starożytnych: podobnie jak Merkury, Wenus, Mars, Saturn, można ją zobaczyć gołym okiem na nocnym niebie. Kiedy pod koniec XVI wieku w Europie zaczęły pojawiać się pierwsze niedoskonałe teleskopy, włoski naukowiec Galileo Galilei postanowił zrobić dla siebie taki instrument. Przypuszczał też, że użyje go z korzyścią dla astronomii. W 1610 Galileusz zobaczył przez teleskop maleńkie „gwiazdy” krążące wokół Jowisza. Te cztery satelity odkryte przez Galileusza (satelity Galileusza) zostały nazwane Io, Europa, Ganimedes, Callisto.
Starożytni Rzymianie utożsamiali wielu swoich bogów z Grekami. Jowisz - najwyższy rzymski bóg jest identyczny z najwyższym bogiem Olimpu - Zeusem. Satelity Jowisza otrzymały imiona postaci ze środowiska Zeusa. Io jest jednym z jego wielu kochanków. Europa to piękna Fenicka, którą porwał Zeus, zamieniając się w potężnego byka. Ganimedes to przystojny młody podczaszy, który służy Zeusowi. Nimfa Callisto z zazdrości, żona Zeusa, Hera, zamieniła się w niedźwiedzia. Zeus umieścił go na niebie w postaci konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy.
Przez prawie trzy stulecia tylko satelity Galileusza pozostały znane nauce jako satelity Jowisza. W 1892 roku odkryto piątego satelitę Jowisza, Amalteę. Amalthea to boska koza, która karmiła Zeusa swoim mlekiem, gdy jego matka została zmuszona do schronienia nowo narodzonego syna przed niepohamowanym gniewem jego ojca, boga Kronosa. Róg Amaltei stał się bajecznym rogiem obfitości. Po Amalthei odkrycia księżyców Jowisza spadły jak róg obfitości. Obecnie znane są 63 księżyce Jowisza.
Jowisz i jego księżyce są nie tylko badane przez naukowców z Ziemi przy użyciu nowoczesnych metod naukowych, ale także z bliższej odległości za pomocą statku kosmicznego. Amerykańska międzyplanetarna automatyczna stacja „Pioneer-10” po raz pierwszy zbliżyła się na stosunkowo bliską odległość do Jowisza w 1973 roku, „Pioneer-11” – rok później. W 1979 roku amerykańskie statki kosmiczne Voyager 1 i Voyager 2 zbliżyły się do Jowisza. W 2000 roku obok Jowisza przeszła automatyczna stacja międzyplanetarna Cassini, przekazując na Ziemię zdjęcia i unikalne informacje o planecie i jej satelitach. W latach 1995-2003 sonda Galileo działała w systemie Jowisza, którego misją było szczegółowe badanie Jowisza i jego satelitów. Statek kosmiczny nie tylko pomógł zebrać dużą ilość informacji o Jowiszu i jego wielu satelitach, ale także odkrył pierścień wokół Jowisza, składający się z małych cząstek stałych.
Cały rój księżyców Jowisza można podzielić na dwie grupy. Jeden z nich jest wewnętrzny (położony bliżej Jowisza), w skład którego wchodzą cztery satelity Galileusza i Amaltea. Wszystkie z nich, z wyjątkiem stosunkowo małej Amalthei, są dużymi ciałami kosmicznymi. Średnica najmniejszego z satelitów galileuszowych - Europy - wynosi około 0,9 średnicy naszego księżyca. Średnica największego - Ganimedesa jest 1,5 razy większa od średnicy księżyca. Wszystkie te satelity poruszają się po swoich prawie kołowych orbitach w płaszczyźnie równika Jowisza w kierunku obrotu planety. Podobnie jak nasz Księżyc, galileuszowe satelity Jowisza są zawsze zwrócone do swojej planety tą samą stroną: czas obrotu każdego satelity wokół własnej osi i wokół planety jest taki sam. Większość naukowców uważa, że te pięć księżyców Jowisza uformowało się wraz z ich planetą.
Ogromna liczba zewnętrznych satelitów Jowisza to małe ciała kosmiczne. Satelity zewnętrzne w swoim ruchu nie przylegają do płaszczyzny równika Jowisza. Większość zewnętrznych satelitów krąży wokół Jowisza w kierunku przeciwnym do obrotu planety. Najprawdopodobniej wszyscy są „obcymi” w świecie Jowisza. Być może są to fragmenty dużych ciał kosmicznych, które zderzyły się w pobliżu Jowisza, lub jeden protoplasta, który rozpadł się w silnym polu grawitacyjnym.
Obecnie naukowcy zebrali dużą ilość informacji o planecie Jowisz i jej satelitach, statki kosmiczne przesłały na Ziemię ogromną liczbę zdjęć wykonanych ze stosunkowo bliskich odległości. Ale prawdziwą sensacją, która przełamała dotychczasowe wyobrażenia naukowców o satelitach planet, był fakt, że na satelicie Jowisza Io dochodzi do erupcji wulkanicznych. Małe ciała kosmiczne w czasie swojego istnienia schładzają się w przestrzeni kosmicznej, w ich głębi nie powinno być dużej temperatury niezbędnej do podtrzymania aktywności wulkanicznej.
Io to nie tylko ciało, które wciąż zachowuje pewne ślady aktywności podpowierzchniowej, ale najbardziej aktywne ciało wulkaniczne w Układzie Słonecznym znane obecnie. Erupcje wulkanów na Io można uznać za prawie ciągłe. A w swojej sile są wielokrotnie większe niż erupcje ziemskich wulkanów.
Charakterystyka Jowisza
Co daje „życie” małemu ciału kosmicznemu, które już dawno powinno zamienić się w martwą bryłę. Naukowcy uważają, że ciało planety jest stale nagrzewane w wyniku tarcia w skałach tworzących satelitę, pod wpływem ogromnej siły grawitacyjnej Jowisza oraz sił przyciągania z Europy i Ganimedesa. Przy każdym obrocie Io dwukrotnie zmienia swoją orbitę, poruszając się promieniowo 10 km w kierunku i od Jowisza. Okresowe ściskanie i rozluźnianie ciała Io nagrzewa się tak, jak nagrzewa się wygięty drut.
Zaangażuj dzieci w znane fakty, a jeszcze nieodkryte tajemnice Jowisza i członków jego dużej rodziny. Internet daje możliwość zaspokojenia zainteresowania tym tematem.
4.14. Jowisz
4.14.1. Charakterystyka fizyczna
|
|
Jowisz (olbrzym gazowy) to piąta planeta w Układzie Słonecznym.
Promień równikowy: 71492 ± 4 km, promień biegunowy: 66854 ± 10 km.
Masa: 1,8986 × 1027 kg lub 317,8 mas Ziemi.
Średnia gęstość: 1,326 g/cm³.
Sferyczne albedo Jowisza wynosi 0,54.
Przepływ ciepła wewnętrznego na jednostkę powierzchni „powierzchni” Jowisza jest w przybliżeniu równy przepływowi otrzymanemu od Słońca. Pod tym względem Jowisz jest bliżej gwiazd niż planet ziemskich. Jednak źródłem energii wewnętrznej Jowisza nie są oczywiście reakcje jądrowe. Zapas energii zgromadzony podczas grawitacyjnego skurczu planety jest wypromieniowywany.
4.14.2. Elementy orbitalne i funkcje ruchu
Średnia odległość Jowisza od Słońca wynosi 778,55 mln km (5,204 j.a.). Mimośród orbity wynosi e = 0,04877. Okres rewolucji wokół Słońca to 11,859 lat (4331,572 dni); średnia prędkość orbitalna wynosi 13,07 km/s. Nachylenie orbity do płaszczyzny ekliptyki wynosi 1,305°. Nachylenie osi obrotu: 3,13°. Ponieważ płaszczyzna równika planety jest zbliżona do płaszczyzny jej orbity, na Jowiszu nie ma pór roku.
Jowisz obraca się szybciej niż jakakolwiek inna planeta w Układzie Słonecznym, a kątowa prędkość obrotu maleje od równika do biegunów. Okres rotacji wynosi 9,925 godzin. Ze względu na szybką rotację kompresja biegunowa Jowisza jest bardzo zauważalna: promień biegunowy jest o 6,5% mniejszy niż promień równikowy.
Jowisz ma największą atmosferę spośród planet Układu Słonecznego, która rozciąga się na głębokość ponad 5000 km. Ponieważ Jowisz nie ma stałej powierzchni, wewnętrzna granica atmosfery odpowiada głębokości, na której ciśnienie wynosi 10 barów (tj. około 10 atm).
Atmosfera Jowisza składa się głównie z wodoru cząsteczkowego H 2 (około 90%) i helu He (około 10%). Atmosfera zawiera również proste związki molekularne: wodę, metan, siarkowodór, amoniak, fosfinę itp. Znaleziono także ślady najprostszych węglowodorów - etanu, benzenu i innych związków.
Atmosfera ma wyraźną prążkowaną strukturę, składającą się ze stref jasnych i stref ciemnych, które są wynikiem manifestacji prądów konwekcyjnych, które przenoszą wewnętrzne ciepło na powierzchnię.
W obszarze stref świetlnych występuje zwiększone ciśnienie odpowiadające przepływom wznoszącym. Chmury tworzące strefy znajdują się na wyższym poziomie, a ich jasna barwa wynika najwyraźniej ze zwiększonego stężenia amoniaku NH 3 i podsiarczku amonu NH 4 HS.
Uważa się, że ciemne chmury pasa poniżej zawierają związki fosforu i siarki, a także niektóre z najprostszych węglowodorów. Te w normalnych warunkach związki bezbarwne, w wyniku ekspozycji na promieniowanie UV ze Słońca, nabierają ciemnego koloru. Ciemne chmury mają wyższą temperaturę niż strefy jasne i są obszarami z prądami zstępującymi. Strefy i pasy mają różne prędkości ruchu w kierunku obrotu Jowisza.
|
Jowisz w podczerwieni |
Na granicach pasów i stref, gdzie obserwuje się silne turbulencje, powstają struktury wirowe, których najbardziej uderzającym przykładem jest Wielka Czerwona Plama (GRS) – gigantyczny cyklon w atmosferze Jowisza, który istnieje od ponad 350 lat. Gaz w BKP obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara z okresem rotacji wynoszącym około 6 dni ziemskich. Prędkość wiatru wewnątrz spotu przekracza 500 km/h. Jasnopomarańczowy kolor plamy jest najwyraźniej związany z obecnością siarki i fosforu w atmosferze.
Jowisz jest najbardziej masywną planetą
BKP ma około 30 000 km długości i 13 000 km szerokości (znacznie większy niż Ziemia). Wielkość plamy ulega ciągłym zmianom i istnieje tendencja do jej zmniejszania, gdyż 100 lat temu BKL był około 2 razy większy. Plamka porusza się równolegle do równika planety.
4.14.4. Struktura wewnętrzna
|
Wewnętrzna struktura Jowisza |
Obecnie przyjmuje się, że Jowisz ma w swoim centrum stałe jądro, za którym znajduje się warstwa ciekłego metalicznego wodoru z niewielką ilością helu oraz warstwa zewnętrzna składająca się głównie z wodoru cząsteczkowego. Mimo ogólnej, ogólnie ukształtowanej koncepcji, zawiera jednak znacznie więcej niejasnych i niejasnych szczegółów.
Do opisu jądra najczęściej stosuje się model kamiennego jądra planety, jednak ani właściwości substancji przy ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach osiąganych w jądrze (co najmniej 3000–4500 GPa i 36000 K), ani jej szczegółowy skład jest znany. Obecność stałego jądra o masie od 12 do 45 mas Ziemi (czyli 3-15% masy Jowisza) wynika z pomiarów pola grawitacyjnego Jowisza. Ponadto, stały (lodowy lub kamienny) embrion protojowisza do późniejszej akrecji lekkiego wodoru i helu jest niezbędnym elementem we współczesnych modelach pochodzenia układów planetarnych (patrz Rozdział 4.6).
Rdzeń otoczony jest warstwą metalicznego wodoru z domieszką skondensowanego w krople helu i neonu. Ta powłoka rozciąga się na około 78% promienia planety. Aby osiągnąć stan ciekłego metalicznego wodoru, konieczne jest (według szacunków) ciśnienie co najmniej 200 GPa i temperatura około 10 000 K.
Nad warstwą metalicznego wodoru znajduje się powłoka składająca się z gazowo-cieczowego (będącego w stanie nadkrytycznym) wodoru z domieszką helu. Górna część tej powłoki płynnie przechodzi w zewnętrzną warstwę - atmosferę Jowisza.
W ramach tego prostego modelu trójwarstwowego nie ma wyraźnej granicy między głównymi warstwami, jednak obszary przejścia fazowego mają również niewielką grubość. W związku z tym można przyjąć, że prawie wszystkie procesy są zlokalizowane, co umożliwia rozpatrywanie każdej warstwy z osobna.
Jowisz ma silne pole magnetyczne. Natężenie pola na poziomie widocznej powierzchni chmur wynosi 14 erstedów na biegunie północnym i 10,7 erstedów na południu. Oś dipola jest nachylona do osi obrotu o 10°, a biegunowość jest przeciwna do biegunowości ziemskiego pola magnetycznego. Istnienie pola magnetycznego tłumaczy się obecnością metalicznego wodoru w jelitach Jowisza, który będąc dobrym przewodnikiem, obracając się z dużą prędkością, wytwarza pola magnetyczne.
Jowisz otoczony jest potężną magnetosferą, która po stronie dziennej rozciąga się na odległość 50-100 promieni planety, a po stronie nocnej wykracza poza orbitę Saturna. Gdyby magnetosferę Jowisza można było zobaczyć z powierzchni Ziemi, to jej wymiary kątowe przekraczałyby wymiary Księżyca.
W porównaniu z magnetosferą ziemską, magnetosfera Jowisza jest nie tylko duża i potężna, ale także ma nieco inny kształt i wraz z dipolem ma wyraźne składowe kwadrupolowe i ośmiopolowe. Kształt magnetosfery Jowisza wynika z dwóch dodatkowych czynników, których nie ma w przypadku Ziemi - szybkiego obrotu Jowisza oraz obecności bliskiego i silnego źródła plazmy magnetosferycznej - satelity Jowisza Io.
|
Jowisz w radiu |
Dzięki aktywności wulkanicznej Io, znajdujące się w odległości zaledwie około 4,9 R J od górnej warstwy planety, co sekundę dostarcza do magnetosfery Jowisza nawet 1 tonę gazu obojętnego bogatego w siarkę, dwutlenek siarki, tlen i sód. Gaz ten jest częściowo zjonizowany i tworzy torus plazmy w pobliżu orbity Io.
W wyniku wspólnego działania szybkiej rotacji i wewnątrzmagnetosferycznego formowania plazmy powstaje dodatkowe źródło pola magnetycznego - dysk magnetyczny Jowisza. Plazma jest skoncentrowana w jądrze magnetosfery w rejonie niskich szerokości geograficznych, tworząc magnetodysk - cienką warstwę prądu, w którym prąd azymutalny zmniejsza się proporcjonalnie do odległości od planety. Całkowity prąd w magnetodysku osiąga wartość około 100 milionów amperów.
Elektrony poruszające się w pasach radiacyjnych Jowisza są źródłem potężnego, niespójnego promieniowania synchrotronowego magnetosfery w zakresie radiowym.
4.14.6. Ogólna charakterystyka satelitów i pierścieni Jowisza
Obecnie wiadomo, że Jowisz ma 63 naturalne księżyce i układ pierścieni. Wszystkie satelity są podzielone na dwie kategorie: regularne i nieregularne.
Osiem regularnych satelitów krąży wokół Jowisza zgodnie z kierunkiem jego obrotu po niemal kołowych orbitach. Z kolei zwykłe satelity dzielą się na wewnętrzne (satelity z grupy Amalthea) i główne (lub galilejskie).
Towarzysze pasterza. Cztery wewnętrzne księżyce Jowisza - Metis (60 × 40 × 34 km), Adrastea (20 × 16 × 14 km), Amalthea (250 × 146 × 128 km) i Theba (116 × 98 × 84 km) - mają nieregularny kształtują i pełnią rolę tzw. księżyce pasterskie, które zapobiegają rozpadowi pierścieni Jowisza.
Pierścienie Jowisza. Jowisz ma słabe pierścienie, które znajdują się na wysokości 55 000 km od atmosfery. Istnieją dwa pierścienie główne i jeden bardzo cienki wewnętrzny, o charakterystycznym pomarańczowym zabarwieniu. Główna część pierścieni ma promień 123–129 tys. km. Grubość słojów to około 30 km. Dla ziemskiego obserwatora pierścienie są prawie zawsze zwrócone krawędzią, dlatego przez długi czas pozostawały niezauważone. Same pierścienie składają się głównie z kurzu i drobnych drobinek kamieni, które słabo odbijają promienie słoneczne, przez co trudno je odróżnić.
Satelity galilejskie. Cztery galileuszowe księżyce Jowisza (Io, Europa, Ganimedes i Callisto) należą do największych księżyców w Układzie Słonecznym. Całkowita masa satelitów Galileusza wynosi 99,999% wszystkich obiektów krążących wokół Jowisza (więcej szczegółów na temat satelitów Galileusza znajduje się w dalszej części rozdziału 4.14.7).
nieregularne satelity. Zwyczajowo nazywa się takie satelity nieregularne, których orbity mają duże mimośrody; lub satelity krążące w przeciwnym kierunku; lub satelity, których orbity charakteryzują się dużymi nachyleniami do płaszczyzny równikowej. Nieregularne satelity to najwyraźniej asteroidy przechwycone spośród „trojanów” lub „greków”.
Nieregularne satelity krążące wokół Jowisza zgodnie z kierunkiem jego obrotu:
Themisto (nie tworzy rodziny);
grupa Himalia (Leda, Himalia, Lysitia, Elara, S/2000 J 11);
Carpo (nie tworzy rodziny).
Nieregularne satelity, które krążą wokół Jowisza w przeciwnym kierunku:
S/2003 J 12 (nie tworzy rodziny);
grupa Carme (13 satelitów);
grupa Ananke (16 satelitów);
grupa Pasiphe (17 satelitów);
S/2003 J 2 (nie tworzy rodziny).
4.14.7. Satelity galilejskie: Io, Europa, Ganimedes i Callisto
Galilejskie satelity Jowisza (Io, Europa, Ganimedes i Callisto) zostały odkryte przez Galileo Galilei (od którego zostały nazwane) 8 stycznia 1610 roku.
Satelity Galileusza obracają się synchronicznie i zawsze są skierowane do Jowisza tą samą stroną (tj. znajdują się w rezonansie spinowo-orbitalnym 1:1) z powodu wpływu potężnych sił pływowych gigantycznej planety. Ponadto Io, Europa i Ganimedes znajdują się w rezonansie orbitalnym - ich okresy orbitalne odpowiadają 1:2:4. Stabilność rezonansów orbitalnych satelitów galileuszowych obserwuje się od momentu odkrycia, tj. przez 400 lat ziemskich i ponad 20 tysięcy lat „satelitarnych” (Ganimedesa) (okres rewolucji Ganimedesa to 7,155 dni ziemskich).
I o(średnia średnica - 3640 km, masa - 8,93 × 10 22 kg lub 0,015 masy Ziemi, średnia gęstość - 3,528 g/cm 3) jest bliżej niż inne satelity galileuszowe do Jowisza (średnio w odległości 4,9 R J od jego powierzchni) niż , najwyraźniej i ze względu na aktywność wulkaniczną - najwyższy w Układzie Słonecznym. Jednocześnie na powierzchni Io może wybuchnąć ponad 10 wulkanów. W rezultacie topografia Io zmienia się całkowicie w ciągu kilkuset lat. Największe erupcje wulkanów jońskich wyrzucają materię z prędkością 1 km/s na wysokość do 300 km. Podobnie jak ziemskie wulkany, wulkany na Io emitują siarkę i dwutlenek siarki. Kratery uderzeniowe na Io są praktycznie nieobecne, ponieważ są niszczone przez ciągłe erupcje i wylewy lawy. Oprócz wulkanów, Io ma niewulkaniczne góry, jeziora stopionej siarki i lepką lawę o długości setek kilometrów. W przeciwieństwie do innych księżyców galilejskich, Io nie ma wody ani lodu.
Europa(średnica – 3122 km, masa – 4,80×10 22 kg lub 0,008 mas Ziemi, średnia gęstość – 3,01 g/cm 3) znajduje się średnio w odległości 8,4R J od powierzchni Jowisza. Europa jest całkowicie pokryta warstwą wody o grubości podobno około 100 km (częściowo w postaci lodowej skorupy powierzchniowej o grubości 10–30 km; częściowo, jak się uważa, w postaci podpowierzchniowego płynnego oceanu). Dalej leżą skały, a pośrodku prawdopodobnie znajduje się mały metalowy rdzeń. Głębokość oceanu wynosi do 90 km, a jego objętość przekracza objętość oceanu światowego Ziemi. Ciepło potrzebne do utrzymania go w stanie ciekłym jest prawdopodobnie generowane przez oddziaływania pływowe (w szczególności pływy podnoszą powierzchnię satelity na wysokość do 30 metrów). Powierzchnia Europy jest bardzo płaska, z kilkoma formacjami przypominającymi wzgórza o wysokości kilkuset metrów. Wysokie albedo (0,67) satelity wskazuje, że lód na powierzchni jest dość czysty. Liczba kraterów jest niewielka, istnieją tylko trzy kratery o średnicy większej niż 5 km.
Silne pole magnetyczne Jowisza powoduje prądy elektryczne w słonym oceanie Europy, które tworzą jego niezwykłe pole magnetyczne.
Bieguny magnetyczne znajdują się w pobliżu równika satelity i stale się przesuwają. Zmiany natężenia i orientacji pola korelują z przejściem Europy przez pole magnetyczne Jowisza. Zakłada się, że życie może istnieć w oceanie Europy.
Na powierzchni Ganimedesa występują zasadniczo dwa rodzaje regionów: bardzo stare, pokryte kraterami, ciemne regiony i bardziej „młode” (ale wciąż starożytne) jasne regiony, naznaczone wydłużonymi rzędami grzbietów i zagłębień. Pochodzenie jasnych regionów jest oczywiście związane z procesami tektonicznymi. Liczne kratery uderzeniowe znajdują się na obu typach powierzchni Ganimedesa, co wskazuje na ich starożytność - do 3–3,5 miliarda lat (podobnie jak powierzchnia Księżyca).
Kallisto(średnica – 4821 km, masa – 1,08×10 23 kg lub 0,018 mas Ziemi, średnia gęstość – 1,83 g/cm3) znajduje się średnio w odległości 25,3R J od powierzchni Jowisza. Callisto jest jednym z najbardziej pokrytych kraterami ciał w Układzie Słonecznym. W konsekwencji powierzchnia satelity jest bardzo stara (około 4 miliardów lat), a jego aktywność geologiczna jest niezwykle niska. Callisto ma najniższą gęstość ze wszystkich satelitów galileuszowych (istnieje tendencja: im dalej satelita znajduje się od Jowisza, tym mniejsza jego gęstość) i prawdopodobnie składa się w 60% z lodu i wody oraz 40% ze skał i żelaza. Przyjmuje się, że Kallisto pokryta jest skorupą lodową o grubości 200 km, pod którą znajduje się warstwa wody o grubości około 10 km. Głębsze warstwy wydają się składać ze sprasowanych skał i lodu, ze stopniowym wzrostem ilości skał i żelaza w kierunku środka.
Dodatkowa literatura:
T. Owen, S. Atreya, H. Nieman. „Nagłe zgadywanie”: pierwsze wyniki sondowania atmosfery Tytana przez statek kosmiczny „Huygens”
Podstawowe dane
| Obiekt | promień orbity, miliony km Krótki opis planety Jowisz |
orbitalny okres obiegu |
promień, tysiąc km | waga (kg | okres obiegu wokół własnej osi, dni |
przyspieszenie swobodnego spadania, g | temperatura powierzchni, K |
| Słońce | — | — | 695 | 2*10^30 | 24,6 | ||
| Rtęć | 58 | 88 dni | 2,4 | 3,3*10^23 | 58,6 | 0,38 | 440 |
| Wenus | 108 | 225 dni | 6,1 | 4,9*10^24 | 243 (arr) | 0,91 | 730 |
| Ziemia | 150 | 365 dni | 6,4 | 6*10^24 | 1 | 1 | 287 |
| Mars | 228 | 687 dni | 3,4 | 6,4*10^23 | 1,03 | 0,38 | 218 |
| Jowisz | 778 | 12 lat | 71 | 1,9*10^27 | 0,41 | 2,4 | 120 |
| Saturn | 1429 | 29 lat | 60 | 5,7*10^26 | 0,45 | 0,92 | 88 |
| Uran | 2871 | 84 lata | 26 | 8,7*10^25 | 0,72 (próbka) | 0,89 | 59 |
| Neptun | 4504 | 165 lat | 25 | 1,0*10^26 | 0,67 | 1,1 | 48 |
Największe satelity planet
| Obiekt | promień orbity, tys. km. |
orbitalny okres obiegu, dni |
promień, km | waga (kg | kręci się wokół |
| gannymede | 1070 | 7,2 | 2634 | 1,5*10^23 | Jowisz |
| Tytan | 1222 | 16 | 2575 | 1,4*10^23 | Saturn |
| Kallisto | 1883 | 16,7 | 2403 | 1,1*10^23 | Jowisz |
| I o | 422 | 1,8 | 1821 | 8,9*10^22 | Jowisz |
| Księżyc | 384 | 27,3 | 1738 | 7,4*10^22 | Ziemia |
| Europa | 671 | 3,6 | 1565 | 4,8*10^22 | Jowisz |
| Tryton | 355 | 5,9 (arr) | 1353 | 2,2*10^22 | Neptun |
arr - obraca się w kierunku przeciwnym do orbity
Jowisz jest największą planetą w Układzie Słonecznym, jego średnica jest 11 razy większa od średnicy Ziemi, a masa 318 razy większa od masy Ziemi. Orbita Jowisza wokół Słońca trwa 12 lat, podczas gdy średnia odległość do Słońca wynosi 800 milionów km. Pasy chmur w atmosferze i Wielka Czerwona Plama sprawiają, że Jowisz jest bardzo malowniczą planetą.
Jowisz nie jest stałą planetą. W przeciwieństwie do czterech stałych planet znajdujących się najbliżej Słońca, Jowisz jest ogromną kulą gazu. Istnieją jeszcze trzy gazowe olbrzymy, które są jeszcze bardziej oddalone od Słońca: Saturn, Uran i Neptun. Pod względem składu chemicznego te gazowe planety są bardzo podobne do Słońca i bardzo różnią się od stałych planet wewnętrznych Układu Słonecznego. Na przykład atmosfera Jowisza składa się w 85% z wodoru i około 14% z helu. Chociaż w głębi planety nie widać żadnej twardej, skalistej powierzchni przez chmury Jowisza, wodór jest pod takim ciśnieniem, że przyjmuje pewne cechy metalu.
Jowisz obraca się wokół swojej osi niezwykle szybko - wykonuje jeden obrót w ciągu 10 godzin. Prędkość obrotowa jest tak duża, że planeta wybrzusza się wzdłuż równika. Ta szybka rotacja jest również przyczyną bardzo silnych wiatrów w górnych warstwach atmosfery, gdzie chmury są rozciągnięte w długie kolorowe wstęgi. Różne części atmosfery obracają się z nieco różnymi prędkościami i to właśnie ta różnica powoduje powstawanie pasm chmur. Chmury nad Jowiszem są niejednorodne, burzliwe, więc wygląd pasm chmur może się zmienić w ciągu zaledwie kilku dni. W obłokach Jowisza znajduje się dodatkowo bardzo duża liczba wirów i dużych plam. Największym z nich jest tak zwana Wielka Czerwona Plama, która jest większa od Ziemi. Można to zobaczyć nawet przez mały teleskop. Wielka Czerwona Plama to potężna burza w atmosferze Jowisza obserwowana od 300 lat. Okrąża Jowisza co najmniej 16 księżyców. Jeden z
im, jest największym satelitą i naszym układem słonecznym; jest większa niż planeta Merkury.
Podróż do Jowisza
Pięć statków kosmicznych zostało już wysłanych na Jowisza. Piąty z nich, Galileo, został wysłany w sześcioletnią podróż w październiku 1989 roku. Sonda Pioneer 10 i Pioneer 11 wykonały pierwsze pomiary. Za nimi podążały dwa statki kosmiczne Voyager, które w 1979 roku wykonały zapierające dech w piersiach zbliżenia. Po 1991 roku sfotografowanie Jowisza zostało wykonane przez Teleskop Kosmiczny Hubble'a, a te zdjęcia nie są gorszej jakości niż te wykonane przez Voyagers. Ponadto Kosmiczny Teleskop Hubble'a będzie robił zdjęcia przez kilka lat, podczas gdy Voyagerowie mieli tylko krótki czas, gdy przelatywali obok Jowisza.
chmury trującego gazu
Ciemne, czerwonawe pasma na Jowiszu nazywane są pasami, podczas gdy jaśniejsze pasma nazywane są strefami. Zdjęcia wykonane przez sondę kosmiczną i Kosmiczny Teleskop Hubble'a skłaniają do tego, że już po kilku tygodniach zauważalne są zmiany w pasach i pośladkach. Wynika to z faktu, że charakterystyczne cechy Jowisza, które widzimy, to w rzeczywistości kolorowe i białe chmury w górnej atmosferze. W pobliżu Wielkiej Czerwonej Plamy chmury tworzą piękne wzory z wirami i falami. Kłębiące się w wirach chmury są zdmuchiwane wzdłuż pasm przez najsilniejsze wiatry, których prędkość przekracza 500 km/h.
Duża część atmosfery Jowisza byłaby śmiertelna dla ludzi. Oprócz dominujących gazów, wodoru i helu, zawiera również metan, trujący amoniak, parę wodną i acetylen. Znalazłbyś takie miejsce śmierdzące. Ten skład gazu jest podobny do słońca.
Białe chmury zawierają kryształy zamrożonego amoniaku i lodu wodnego. Brązowe, czerwone i niebieskie chmury mogą zawdzięczać swój kolor chemikaliom, takim jak nasze barwniki, lub siarki. Przez zewnętrzne warstwy atmosfery widać pioruny.
Aktywna warstwa chmur jest dość cienka, mniej niż jedna setna promienia planety. Pod chmurami temperatura stopniowo rośnie. I choć na powierzchni warstwy chmur jest -160°C, to schodząc przez atmosferę zaledwie 60 km, znaleźlibyśmy taką samą temperaturę jak na powierzchni Ziemi. I trochę głębiej, temperatura już osiąga punkt wrzenia wody.
Niezwykła substancja
W głębi Jowisza materia zaczyna się unosić w bardzo niezwykły sposób. Chociaż nie można wykluczyć, że w centrum planety znajduje się małe żelazne jądro, to jednak największa część głębokiego obszaru składa się z wodoru. Wewnątrz planety, pod ogromnym ciśnieniem, wodór z gazu zamienia się w ciecz. Na coraz głębszych poziomach ciśnienie wciąż próbuje z powodu kolosalnego ciężaru górnych warstw atmosfery.
Na głębokości około 100 km znajduje się bezkresny ocean ciekłego wodoru. Poniżej 17 000 km wodór jest tak mocno sprężony, że jego atomy ulegają zniszczeniu. A potem zaczyna zachowywać się jak metal; w tym stanie z łatwością przewodzi prąd. Prąd elektryczny płynący w metalicznym wodorze wytwarza silne pole magnetyczne wokół Jowisza.
Metaliczny wodór i głębia Jowisza to przykład niezwykłego rodzaju materii, którą astronomowie mogą badać, a która jest prawie niemożliwa do odtworzenia w warunkach laboratoryjnych.
Prawie gwiazda
Jowisz uwalnia więcej energii niż otrzymuje od Słońca. Pomiary wykonane przez sondę kosmiczną wykazały, że Jowisz emituje około 60 procent więcej energii cieplnej niż otrzymuje z promieniowania słonecznego.
Uważa się, że dodatkowe ciepło pochodzi z trzech źródeł: z rezerw ciepła pozostałych po powstaniu Jowisza; szlam uwolnionej energii i proces powolnego kurczenia się, kurczenia się planety; i wreszcie z energii rozpadu radioaktywnego.
Planeta Jowisz
Ciepło to nie wynika jednak z przemiany wodoru w hel, jak to ma miejsce w gwiazdach. W rzeczywistości nawet najmniejsze gwiazdy, które wykorzystują energię takiego zakończenia, są około 80 razy masywniejsze niż Jowisz. Oznacza to, że w innych „układach słonecznych” mogą znajdować się planety większe od Jowisza, choć mniejsze od gwiazdy.
Stacja radiowa Jowisza
Jupiter to naturalna stacja radiowa. Nie można wydobyć żadnego znaczenia z sygnałów radiowych Jowisza, ponieważ składają się one w całości z szumu. Te sygnały radiowe są tworzone przez elektrony przeskakujące przez bardzo silne pole magnetyczne Jowisza. Potężne burze i uderzenia piorunów nakładają się na chaotyczny huk radia. Jowisz posiada silne pole magnetyczne, które rozciąga się na 50 średnic planet we wszystkich kierunkach. Żadna inna planeta w Układzie Słonecznym nie ma tak silnego magnetyzmu i nie wytwarza tak silnej emisji radiowej.
Księżyce Jowisza
Rodzina 16 księżyców Jowisza to jakby miniaturowy układ słoneczny, w którym Jowisz pełni rolę Słońca, a jego lupy pełnią rolę planet. Największym księżycem jest Ganimedes, jego średnica wynosi 5262 km. Pokryta jest grubą warstwą lodu pokrywającą skalisty rdzeń. Istnieją liczne ślady bombardowań meteorytów, a także ślady zderzenia z gigantyczną asteroidą 4 miliardy lat temu.
Kallisto jest prawie tak duża jak Ganimedes, a cała jej powierzchnia jest gęsto usiana kraterami. Europa ma najlżejszą powierzchnię. Jedna piąta Europy składa się z wody, która tworzy na niej skorupę lodową o grubości 100 km. Ta pokrywa lodowa odbija światło tak silnie, jak chmury Wenus.
Ze wszystkich pętli najbardziej malowniczy jest Io, który obraca się najbliżej Jowisza. Cyst Io jest dość nietypowa – to mieszanka czerni, czerwieni i żółci. Tak niesamowity kolor wynika z faktu, że duża ilość siarki wystrzeliła z głębin Io. Kamery Voyagera pokazały kilka aktywnych wulkanów na Io; wyrzucają fontanny siarki na wysokość 200 km nad powierzchnię. Lawa siarkowa wylatuje z prędkością 1000 mi sekundę. Część tego materiału lawowego ucieka przed zerową grawitacją Io i tworzy pierścień otaczający Jowisza.
Powierzchnia Io jest zmielona. Możemy to obiecać, ponieważ są na nim prawie notatki kraterów po meteorycie. Orbita Io znajduje się mniej niż 400 000 km od Jowisza. Dlatego na Io działają ogromne siły pływowe. Ciągła przemiana pływów rozciągających i ściskających wewnątrz Io generuje intensywne tarcie wewnętrzne. Dzięki temu wnętrze jest gorące i roztopione, pomimo ogromnej odległości Io od Słońca.
Oprócz czterech dużych księżyców Jowisz ma również małe „pętle”. Cztery z nich lecą niżej na powierzchni Jowisza niż Io, a naukowcy uważają, że są to po prostu duże fragmenty innych księżyców, które przestały istnieć.
Jowisz to największa planeta. Średnica planety jest 11 razy większa od średnicy Ziemi i wynosi 142 718 km.
Wokół Jowisza otacza go cienki pierścień. Gęstość pierścienia jest bardzo mała, więc jest niewidoczny (jak Saturn).
Okres obrotu Jowisza wokół własnej osi wynosi 9 godzin 55 minut. Jednocześnie każdy punkt równika porusza się z prędkością 45 000 km/h.
Ponieważ Jowisz nie jest stałą kulą, ale składa się z gazu i cieczy, jego części równikowe obracają się szybciej niż regiony polarne. Oś obrotu Jowisza jest prawie prostopadła do jego orbity, dlatego zmiana pór roku na planecie jest słabo wyrażona.
Masa Jowisza znacznie przekracza masę wszystkich innych planet Układu Słonecznego łącznie i wynosi 1,9. 10 27 kg. W tym przypadku średnia gęstość Jowisza wynosi 0,24 średniej gęstości Ziemi.
Ogólna charakterystyka planety Jowisz
Atmosfera Jowisza
Atmosfera Jowisza jest bardzo gęsta. Składa się z wodoru (89%) i helu (11%), przypominającego składem chemicznym Słońce (rys. 1). Jego długość wynosi 6000 km. kolor pomarańczowy atmosfera
dają związki fosforu lub siarki. Dla ludzi jest śmiertelny, ponieważ zawiera toksyczny amoniak i acetylen.
Różne części atmosfery planety obracają się z różnymi prędkościami. Ta różnica dała początek pasom chmur, z których Jowisz ma trzy: powyżej - chmury lodowatego amoniaku; pod nimi znajdują się kryształy siarkowodoru amonu i metanu, aw najniższej warstwie - lód wodny i ewentualnie woda w stanie ciekłym. Temperatura górnych chmur wynosi 130 °C. Ponadto Jowisz ma koronę wodorową i helową. Wiatry na Jowiszu osiągają prędkość 500 km/h.
Symbolem Jowisza jest Wielka Czerwona Plama obserwowana od 300 lat. Został odkryty w 1664 roku przez angielskiego przyrodnika Robert hooke(1635-1703). Teraz jego długość sięga 25 000 km, a 100 lat temu było to około 50 000 km. Miejsce to zostało po raz pierwszy opisane w 1878 roku i naszkicowane 300 lat temu. Wydaje się żyć własnym życiem – rozszerza się, potem kurczy. Zmienia się również jego kolor.
Amerykańskie sondy Pioneer 10 i Pioneer 11, Voyager 1 i Voyager 2, Galileo odkryły, że plama nie ma stałej powierzchni, obraca się jak cyklon w ziemskiej atmosferze. Uważa się, że Wielka Czerwona Plama jest zjawiskiem atmosferycznym, prawdopodobnie wierzchołkiem cyklonu szalejącego w atmosferze Jowisza. W atmosferze Jowisza znaleziono również białą plamę o wielkości ponad 10 000 km.
Na dzień 1 marca 2009 r. Jowisz posiada 63 znane satelity. Największe z nich to No i Europa wielkości Merkurego. Są one zawsze zwrócone do Jowisza z jednej strony, jak Księżyc do Ziemi. Satelity te nazywane są Galileuszami, ponieważ zostały po raz pierwszy odkryte przez włoskiego fizyka, mechanika i astronoma. Galileo Galilei(1564-1642) w 1610, testując swój teleskop. Io ma aktywne wulkany.
Ryż. 1. Skład atmosfery Jowisza
Dwadzieścia zewnętrznych księżyców Jowisza jest tak daleko od planety, że są niewidoczne z jej powierzchni gołym okiem, a Jowisz na niebie najdalszego z nich wygląda na mniejszy od Księżyca.
Jowisz wszedł do sondy ze statku kosmicznego Galileo. Sonda uzyskała ważne dane na temat budowy warstwy chmur Jowisza i składu chemicznego jego atmosfery. Atmosfera Jowisza składa się głównie z wodoru i helu. Co więcej, hel okazał się być zauważalnie mniejszy niż w pierwotnym składzie Słońca. Wyjaśnia to fakt, że hel, jako cięższy, osadza się w niższych warstwach atmosfery. Z udziału pozostałych pierwiastków pozostaje tylko 1% masy. Węgiel i siarka okazały się 2-3 razy większe niż w składzie Słońca. Wyniki Galileo pokazują, że temperatura jądra Jowisza wydaje się wynosić co najmniej 20 000 K.
paski
Europa
Już pierwsze zdjęcia z Voyagera zwróciły uwagę na Europę, księżyc Jowisza. Na Europie znaleziono gęstą sieć krzyżujących się linii. Bardziej szczegółowe badania powierzchni Europy, przeprowadzone w szczególności przez AMS Galileo, wykazały, że powierzchnia Europy to gigantyczna pokrywa lodowa poprzecinana licznymi pęknięciami. Grubość okładki wciąż nie jest znana. Według różnych szacunków waha się od 10 do 20 km. To prawda, że w ostatnich czasach uważa się, że grubość pokrywy lodowej jest znacznie mniejsza.
Kilka lat temu odkryto, że w szczelinach poruszają się ogromne bryły lodu, co zinterpretowano jako znak obecności wody w stanie ciekłym na Europie. Obecność wody w stanie ciekłym jest warunkiem koniecznym istnienia życia. Jednak obecnie nie są możliwe żadne badania, które mogłyby potwierdzić lub obalić to założenie.
Warstwy chmury: gdy ciśnienie atmosfery Jowisza osiągnie ciśnienie atmosfery ziemskiej, zatrzymamy się i rozejrzymy. Powyżej widać jak zwykle błękitne niebo, gęste białe chmury skondensowanego amoniaku wirują wokół. Jego zapach jest nieprzyjemny dla człowieka, więc nie warto wietrzyć naszego punktu obserwacyjnego; dodatkowo na zewnątrz jest mroźno: - 100°C.
Czerwonawy kolor części obłoków Jowisza wskazuje, że istnieje wiele złożonych związków chemicznych. Różnorodne reakcje chemiczne w atmosferze są inicjowane przez słoneczne promieniowanie ultrafioletowe, potężne wyładowania atmosferyczne (burza na Jowiszu musi być imponującym widokiem!), a także ciepło pochodzące z wnętrza planety. Atmosfera Jowisza oprócz wodoru (81%) i niewielkiej frakcji helu (18%), zawiera niewielkie ilości metanu, amoniaku i pary wodnej. Naukowcy odkryli również ślady acetylenu, etanu, tlenku węgla, kwasu cyjanowodorowego, wodorku germanu, fosfiny i propanu. Z tej chemicznej „owsianki” trudno jest wybrać głównych pretendentów do roli pomarańczowego barwnika atmosfery: mogą to być fosfor, siarka lub związki organiczne.
Kolejna warstwa chmur składa się z czerwono-brązowych kryształów podsiarczku amonu o temperaturze -10°C. Para wodna i kryształki wody tworzą dolną warstwę chmur o temperaturze 20°C i ciśnieniu kilku atmosfer - prawie powyżej samą powierzchnię oceanu Jowisza. (Chociaż niektóre modele pozwalają na obecność czwartej warstwy chmur - z ciekłego amoniaku.)
Grubość warstwy atmosferycznej, w której powstają wszystkie te niesamowite struktury chmur, wynosi 1000 km. Ciemne paski i jasne strefy równoległe do równika odpowiadają prądom atmosferycznym w różnych kierunkach (niektóre pozostają w tyle za rotacją planety, inne wyprzedzają). Prędkości tych prądów dochodzą do 100 m/s. Na granicy prądów wielokierunkowych tworzą się gigantyczne wiry. Szczególnie imponująca jest Wielka Czerwona Plama - kolosalny wir atmosferyczny. Nie wiadomo, kiedy powstał, ale był obserwowany w teleskopach od 300 lat.
Ostatnie badania pokazują, że im dalej planeta znajduje się od Słońca, tym mniej burzliwa jest jej atmosfera, tym mniej intensywna jest wymiana ciepła między sąsiednimi obszarami i tym mniej energii jest rozpraszana. W atmosferze dużych planet procesy fizyczne polegają na tym, że energia z poszczególnych małych obszarów jest przekazywana do większych, a następnie akumulowana w globalnych strukturach powietrznych – przepływach strefowych. Strumienie te to pasy chmur, które można zobaczyć nawet za pomocą małego teleskopu. Sąsiednie strumienie poruszają się w przeciwnych kierunkach. Ich kolor może się nieznacznie różnić w zależności od składu chemicznego. Kolorowe chmury znajdują się w najwyższych warstwach Jowisza (ich głębokość wynosi około 0,1-0,3% promienia planety). Pochodzenie ich zabarwienia pozostaje tajemnicą, choć podobno można argumentować, że jest ono związane ze śladowymi składnikami atmosfery i wskazuje na zachodzące w niej złożone procesy chemiczne. Na podstawie badań przeprowadzonych pod koniec 2000 roku przez sondę Cassini stwierdzono, że jasne pasma i Wielka Czerwona Plama (olbrzymia burza o wielkości osi wielkiej około 35 tys. km, a oś mała 14 tys. km) są związane z prądami zstępującymi (pionowa cyrkulacja mas atmosferycznych); chmury są tu wyższe, a temperatura niższa niż w innych miejscach. Kolor chmur koreluje z wysokością: niebieskie struktury są na górze, brązowe leżą pod nimi, a następnie białe. Najniższe są czerwone struktury. Czerwonawy odcień planety przypisywany jest głównie obecności w atmosferze czerwonego fosforu i prawdopodobnie materii organicznej powstającej w wyniku wyładowań elektrycznych. W obszarze, w którym ciśnienie wynosi około 100 kPa, temperatura wynosi około 160 K. W atmosferze Jowisza zaobserwowano burze z piorunami. Temperatura górnych chmur wynosi -130°C. Jowisz uwalnia o 60% więcej energii niż otrzymuje od Słońca. Atmosfera odbija 45% wpadającego światła słonecznego. Stwierdzono również obecność jonosfery, której długość na wysokości wynosi około 3000 km.
Wielka czerwona plama: Powierzchni Jowisza nie można zaobserwować bezpośrednio ze względu na gęstą warstwę chmur, która jest wzorem naprzemiennych ciemnych pasów i jasnych stref. Różnice w kolorze pasm są spowodowane niewielkimi różnicami chemicznymi i temperaturowymi. Pozycje i rozmiary pasm i stref zmieniają się z czasem. Jasne kolory widoczne w obłokach Jowisza są prawdopodobnie wynikiem sprytnych reakcji chemicznych pierwiastkowych zanieczyszczeń w jego atmosferze, prawdopodobnie w tym siarki, której związki tworzą szeroką gamę kolorów. Ciemne pasy i jasne strefy w zachmurzonej strukturze Jowisza, których prędkość czasami dochodzi do 500 km/h, zarówno samo swoje istnienie, jak i kształt zawdzięczają huraganowym wiatrom okrążającym planetę w kierunku południkowym. Na Ziemi wiatry są tworzone przez dużą różnicę temperatur – ponad 40 stopni Celsjusza między biegunem a równikiem. Ale zarówno biegun, jak i równik Jowisza mają w przybliżeniu taką samą temperaturę (-130 ° C), przynajmniej u podstawy chmur. Oczywiście wiatry na Jowiszu są napędzane głównie przez ciepło wewnętrzne, a nie ciepło słoneczne, jak na Ziemi.
Ogólnie skład chemiczny atmosfery całej planety nie różni się znacząco od słonecznej i przypomina małą gwiazdę.
Wielka Czerwona Plama to owal o wymiarach 14 000 x 35 000 km (czyli dwa ziemskie dyski). Materia w Wielkiej Czerwonej Plamie porusza się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, wykonując pełny obrót w ciągu 7 ziemskich dni. Plamka przesuwa się względem średniej pozycji w jednym lub drugim kierunku. Badania pokazują, że 100 lat temu jego wielkość była dwukrotnie większa. W 1938 r. zarejestrowano powstawanie i rozwój trzech dużych białych owali w pobliżu 30° szerokości geograficznej południowej. Obserwatorzy zauważyli również serię małych białych owali, które również reprezentują wiry. Dlatego można przypuszczać, że Czerwona Plama nie jest formacją unikatową, ale najpotężniejszym członkiem rodziny sztormowych. Zapisy historyczne nie ujawniają tak długowiecznych systemów w środkowo-północnych szerokościach geograficznych. W pobliżu 15°N znajdują się duże ciemne owale, ale w jakiś sposób warunki niezbędne do pojawienia się wirów i ich późniejszej transformacji w stabilne systemy, takie jak Czerwona Plama, istnieją tylko na półkuli południowej.
Zderzenia tak dużych układów cyklonowych zdarzają się czasami na Jowiszu. Jeden z nich miał miejsce w 1975 roku, powodując wyblaknięcie czerwonego koloru Plamy na kilka lat. w 2002 roku doszło do podobnego zderzenia Wielkiej Czerwonej Plamy z Wielkim Białym Owalem. Biały Owal jest częścią pasa chmur o okresie orbitalnym krótszym niż Wielka Czerwona Plama. Owal zaczął być hamowany przez Wielką Czerwoną Plamę pod koniec lutego 2002 roku, a kolizja trwała cały miesiąc. Czerwony kolor Wielkiej Czerwonej Plamy jest dla naukowców tajemnicą, prawdopodobnie spowodowany przez substancje chemiczne zawierające fosfor. W rzeczywistości kolory i mechanizmy, które dają wygląd całej atmosfery Jowisza, są nadal słabo poznane i można je wytłumaczyć jedynie bezpośrednimi pomiarami jego parametrów.
Pogarszać: Górna warstwa chmur ma około 50 km grubości. W tym regionie ciśnienie w atmosferze jest porównywalne do ziemskiego, ale rośnie gwałtownie wraz z głębokością. Pod chmurami znajduje się warstwa o grubości około 21 000 km, składająca się z mieszaniny wodoru i helu, wodór stopniowo zmienia swój stan z gazowego na ciekły wraz ze wzrostem ciśnienia i temperatury (do 600°C). Pod warstwą ciekłego wodoru znajduje się morze ciekłego metalicznego wodoru o głębokości 40 000 km. Ciekły metaliczny wodór, nieznany na Ziemi, powstaje pod ciśnieniem 3 milionów atmosfer. Złożony z protonów i elektronów jest doskonałym przewodnikiem elektryczności. Ostatnie eksperymenty wykazały, że wodór nie zmienia nagle swojej fazy, stąd wnętrze Jowisza nie ma wyraźnych granic między warstwami. Naukowcy uważają, że Jowisz ma solidne jądro o średnicy półtora raza średnicy Ziemi, ale 10-30 razy gęstsze. Nawet jeśli na Jowiszu znajduje się twarda powierzchnia, nie można na niej stanąć bez obawy, że zostanie przygnieciony ciężarem nad atmosferą. Według obliczeń teoretycznych temperatura jądra planety wynosi około 30 000°C, a ciśnienie 30-100 milionów atmosfer. Takie warunki są niewystarczające dla reakcji termojądrowych, ale Jowisz emituje w kosmos około 2 razy więcej energii niż otrzymuje od Słońca. Najprawdopodobniej nadmierne promieniowanie cieplne planety jest wynikiem jej grawitacyjnego skurczu, który trwa do dziś. Ciepło przemieszcza się przez atmosferę i wydostaje się przez obszary bez chmur, odpowiednio zwane „gorącymi punktami”. Jowisz szybko obraca się wokół własnej osi (2,5 raza szybciej niż Ziemia), a działanie ogromnej siły odśrodkowej doprowadziło do tego, że planeta jest zauważalnie spłaszczona. Promień biegunowy Jowisza jest o 4400 km mniejszy niż promień równikowy. Podobnie jak na Słońcu, jego prędkość obrotowa na równiku ma wartość maksymalną i maleje wraz ze wzrostem szerokości geograficznej. Przyczyna tej różnicy pozostaje jak dotąd niejasna.
W przeciwieństwie do Ziemi atmosfera Jowisza nie ma mezosfery. Na Jowiszu nie ma stałej powierzchni, a najniższy poziom atmosfery - troposfera - płynnie przechodzi w ocean wodoru płaszcza. Nie ma wyraźnych granic między cieczą a gazem, ponieważ temperatura i ciśnienie na tym poziomie są znacznie wyższe niż punkty krytyczne dla wodoru i helu. Wodór staje się płynem w stanie nadkrytycznym przy około 12 barach.
Troposfera - obejmuje złożony system chmur i mgieł, z warstwami amoniaku, wodorosiarczku amonu i wody. Górne chmury amoniaku obserwowane na „powierzchni” Jowisza są zorganizowane w liczne pasma równoległe do równika i ograniczone silnymi strefowymi prądami atmosferycznymi (wiatrami) znanymi jako „dżety”. Paski mają różne kolory: ciemniejsze paski nazywane są potocznie „pasami”, a jasne – „strefami”. Strefy to obszary przepływów wstępujących, które mają niższą temperaturę niż pasy - obszary przepływów zstępujących.
Pochodzenie struktury paskowo-dżetowej nie jest pewne, zaproponowano dwa modele tej struktury. Model powierzchni zakłada, że są to zjawiska powierzchniowe nad stabilnymi obszarami wewnętrznymi. Model głęboki zakłada, że smugi i dżety są powierzchniowymi przejawami głębokiej cyrkulacji występującej w płaszczu Jowisza, który składa się z wodoru cząsteczkowego i jest zorganizowany w układ cylindrów.
|
Pierwsze próby wyjaśnienia dynamiki atmosfery Jowisza sięgają lat sześćdziesiątych. Opierały się one częściowo na dobrze rozwiniętej wówczas meteorologii naziemnej. Założono, że przepływy atmosferyczne na Jowiszu powstają w wyniku turbulencji, co z kolei jest wspierane przez wilgotną konwekcję w zewnętrznej warstwie atmosfery (nad chmurami). Konwekcja mokra to zjawisko związane z kondensacją i parowaniem wody, jest jednym z głównych zjawisk wpływających na kształtowanie się ziemskiej pogody. Pojawienie się przepływów w tym modelu wiąże się z dobrze znaną właściwością turbulencji dwuwymiarowej - tzw. odwróconej kaskady, w której małe turbulentne struktury (wiry) łączą się i tworzą większe wiry. Ze względu na skończone rozmiary planety takie struktury nie mogą wzrosnąć poza pewną charakterystyczną skalę, dla Jowisza nazywa się to skalą Renu. Wynika to z wpływu fal Rossby. Mechanizm jest taki: kiedy największa turbulentna struktura osiągnie określony rozmiar, energia zaczyna płynąć w fale Rossby'ego, a nie w większą strukturę, odwrócona kaskada zatrzymuje się. Na kulistej, szybko obracającej się planecie zależność dyspersyjna dla fal Rossby'ego jest anizotropowa, więc skala Reinesa w kierunku równoleżników jest większa niż w kierunku południka. W rezultacie powstają struktury wielkoskalowe, rozciągnięte równolegle do równika. Ich południkowy zasięg wydaje się pokrywać z rzeczywistą szerokością cieków. Tak więc w modelach przypowierzchniowych wiry przenoszą energię na przepływy i dlatego muszą zniknąć. |
|
Modele powierzchni atmosfery Jowisza |
|
Pierwszy model głębokości został zaproponowany przez Busse w 1976 roku. Opiera się na dobrze znanym twierdzeniu Taylora-Prudmana w hydrodynamice, które brzmi następująco: w każdym szybko obracającym się barotropowym płynie idealnym przepływy są zorganizowane w szereg cylindrów równoległych do osi obrotu. Warunki twierdzenia są prawdopodobnie spełnione w warunkach wnętrza Jowisza. Dlatego płaszcz wodorowy Jowisza można z powodzeniem podzielić na wiele cylindrów, w każdym z których cyrkulacja jest niezależna. Na tych szerokościach geograficznych, gdzie zewnętrzne i wewnętrzne granice cylindrów przecinają się z widoczną powierzchnią planety, powstają przepływy, a same cylindry są widoczne jako strefy i pasy. |
|
Modele głębi atmosfery Jowisza |
W atmosferze Jowisza występuje szereg aktywnych zjawisk, takich jak niestabilność pasma, wiry (cyklony i antycyklony), burze i błyskawice. Wiry wyglądają jak duże czerwone, białe i brązowe plamy (owale). Dwie największe plamy, Wielka Czerwona Plama (GRS) i owalny BA, mają czerwonawy kolor. Podobnie jak większość innych dużych miejsc, są antycyklonami. Małe antycyklony są zwykle białe. Przyjmuje się, że głębokość wirów nie przekracza kilkuset kilometrów.
Znajdujący się na półkuli południowej BKP jest największym znanym wirem w Układzie Słonecznym. Ten wir może pomieścić kilka planet wielkości Ziemi i istnieje od co najmniej 350 lat. Oval BA, który znajduje się na południe od BKP i jest trzykrotnie mniejszy niż ten drugi, to czerwona plama, która powstała w 2000 roku, gdy połączyły się trzy białe owale.
Silne burze z piorunami nieustannie szaleją na Jowiszu. Burza jest wynikiem wilgotnej konwekcji w atmosferze związanej z parowaniem i kondensacją wody. Są to obszary silnego ruchu powietrza ku górze, co prowadzi do powstawania jasnych i gęstych chmur. Burze powstają głównie w rejonach pasa. Wyładowania atmosferyczne na Jowiszu są znacznie silniejsze niż na Ziemi, ale jest ich mniej, więc średni poziom aktywności piorunowej jest zbliżony do ziemskiego.
Informacje o stanie górnych warstw atmosfery uzyskała sonda Galileo podczas jej opadania w atmosferę Jowisza.
Ponieważ dolna granica atmosfery nie jest dokładnie znana, za podstawę troposfery uważa się poziom ciśnienia 10 bar, 90 km poniżej ciśnienia 1 bara, przy temperaturze około 340 K. W literaturze naukowej jako punkt zerowy dla wysokości „powierzchni” Jowisza zwykle wybierany jest poziom ciśnienia 1 bar. Podobnie jak na Ziemi, górny poziom atmosfery – egzosfera – nie ma wyraźnie określonej granicy. Jej gęstość stopniowo się zmniejsza, a egzosfera płynnie przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną około 5000 km od „powierzchni”.
 |
|
Według danych ze statku kosmicznego Juno warstwy chmur leżą głębiej niż oczekiwano, w tym ciężkie chmury amoniaku. Zamiast ograniczać się do górnych warstw chmur, amoniak wydaje się być skoncentrowany znacznie głębiej, na głębokości 350 kilometrów. Sygnatura amoniaku została zarejestrowana między chmurami powierzchniowymi (które zaczynają się na głębokości 100 km) a obszarem konwekcyjnym (500 km). |
|
Atmosfera Jowisza |
Pionowe wahania temperatury w atmosferze Jowisza są podobne do tych na Ziemi. Temperatura troposfery spada wraz z wysokością, aż do osiągnięcia minimum zwanego tropopauzą, która jest granicą między troposferą a stratosferą. Na Jowiszu tropopauza znajduje się około 50 km nad widocznymi chmurami (lub poziomem 1 bara), gdzie ciśnienie i temperatura są bliskie 0,1 bara i 110 K. około 320 km i 1 mbar. W termosferze temperatura nadal rośnie, osiągając ostatecznie 1000 K na około 1000 km i przy ciśnieniu 1 nanobara.
Troposfera Jowisza charakteryzuje się złożoną strukturą chmur. Górne chmury, znajdujące się pod ciśnieniem 0,6-0,9 bara, składają się z lodu amoniakalnego. Zakłada się, że istnieje dolna warstwa chmur, składająca się z wodorosiarczku amonu (lub siarczku amonu) (od 1-2 bar) i wody (3-7 bar). Na pewno nie są to chmury metanu, ponieważ temperatura tam jest zbyt wysoka, aby mógł się skondensować. Chmury wodne tworzą najgęstszą warstwę chmur i mają silny wpływ na dynamikę atmosfery. Wynika to z wysokiego ciepła kondensacji wody i jej wyższej zawartości w atmosferze w porównaniu z amoniakiem i siarkowodorem (tlen jest bardziej powszechnym pierwiastkiem chemicznym niż azot czy siarka).
 |
|
Przykład chmur amoniaku na Jowiszu
|
|
Atmosfera Jowisza |
Różne warstwy mgły troposferycznej (200-500 mbar) i stratosferycznej (10-100 mbar) znajdują się powyżej głównej warstwy chmur. Te ostatnie składają się ze skondensowanych ciężkich wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych lub hydrazyny, które powstają w stratosferze (1-100 mikrobarów) pod wpływem słonecznego promieniowania ultrafioletowego na metan lub amoniak. Zawartość metanu w stosunku do wodoru cząsteczkowego w stratosferze wynosi 10 -4 , podczas gdy stosunek innych węglowodorów, takich jak etan i acetylen, do wodoru cząsteczkowego wynosi około 10 -6 .
Termosfera Jowisza znajduje się na poziomie ciśnienia poniżej 1 mikrobara i charakteryzuje się zjawiskami takimi jak poświata atmosferyczna, zorza polarna i promieniowanie rentgenowskie. Na tym poziomie atmosfery wzrost gęstości elektronów i jonów tworzy jonosferę. Przyczyny dominacji wysokich temperatur (800-1000 K) w atmosferze nie zostały do końca wyjaśnione; obecne modele nie przewidują temperatur powyżej 400 K. Może to być spowodowane adsorpcją wysokoenergetycznego promieniowania słonecznego (ultrafioletowego lub rentgenowskiego), nagrzewaniem się naładowanych cząstek w wyniku przyspieszenia w magnetosferze Jowisza lub rozpraszaniem rozchodzących się w górę fal grawitacyjnych.
Na niskich szerokościach geograficznych i na biegunach źródłem promieniowania rentgenowskiego są termosfera i egzosfera, co po raz pierwszy zaobserwowało w Obserwatorium Einsteina w 1983 roku. Energetyczne cząstki z magnetosfery Jowisza są odpowiedzialne za jasne owale zorzy otaczającej bieguny. W przeciwieństwie do ziemskich odpowiedników, które pojawiają się tylko podczas burz magnetycznych, zorze polarne w atmosferze Jowisza są stale obserwowane. Termosfera Jowisza jest jedynym miejscem poza Ziemią, w którym znaleziono jon trójatomowy (H 3 +). Jon ten powoduje silną emisję średniej podczerwieni o długości fali od 3 do 5 µm i działa jako główny czynnik chłodzący termosferę.
Skład chemiczny
Atmosfera Jowisza została zbadana najpełniej w stosunku do innych atmosfer gazowych gigantów, ponieważ została bezpośrednio zbadana przez sondę kosmiczną Galileo, która została wystrzelona w atmosferę Jowisza 7 grudnia 1995 roku. Źródłem informacji są również obserwacje z Obserwatorium Kosmicznego Podczerwieni (ISO), sondy międzyplanetarne Galileo i Cassini, a także dane z obserwacji naziemnych.
Gazowa otoczka otaczająca Jowisza składa się głównie z wodoru cząsteczkowego i helu. Względna ilość helu wynosi 0,157 ± 0,0036 w stosunku do wodoru cząsteczkowego pod względem liczby cząsteczek, a jego udział masowy, 0,234 ± 0,005, jest nieco niższy niż wartość pierwotna w Układzie Słonecznym. Powód tego nie jest do końca jasny, ale ponieważ jest gęstszy niż wodór, większość helu może skondensować się w jądrze Jowisza. Atmosfera zawiera również wiele prostych związków, takich jak woda, metan (CH 4), siarkowodór (H 2 S), amoniak (NH 3) i fosfina (PH 3). Ich względna obfitość w głębokiej (poniżej 10 bar) troposferze sugeruje, że atmosfera Jowisza jest 3-4 razy bogatsza w węgiel, azot, siarkę i prawdopodobnie tlen niż Słońce. Ilość gazów szlachetnych, takich jak argon, krypton i ksenon, przewyższa ilość gazów na Słońcu (patrz tabela), natomiast neonów jest wyraźnie mniej. Pozostałe związki chemiczne, arsyna (AsH 3) i german (GeH 4), występują tylko w śladowych ilościach. Górna atmosfera Jowisza zawiera niewielkie względne ilości prostych węglowodorów: etanu, acetylenu i diacetylenu, które powstają pod wpływem słonecznego promieniowania ultrafioletowego i naładowanych cząstek pochodzących z magnetosfery Jowisza. Uważa się, że dwutlenek węgla, tlenek węgla i woda w wyższych warstwach atmosfery zawdzięczają swoją obecność wpływom komet takich jak kometa Shoemaker-Levy 9 na atmosferę Jowisza. zapobiega podnoszeniu się wody do poziomu stratosfery.
|
|
||
Element |
Słońce |
Jowisz/Słońce |
3,6 ± 0,5 (8 barów) |
||
0,033 ± 0,015 (12 barów) |
||
|
Przewaga pierwiastków w stosunku |
||
Postawa |
Słońce |
Jowisz/Słońce |
0,0108±0,0005 |
||
2,3±0,3*10 -3 |
||
1,5 ± 0,3*10 -4 |
1,66 ± 0,05*10 -4 |
|
3,0±0,17*10 -5 |
2,25±0,35*10 -5 |
|
|
Stosunek izotopów na Jowiszu i Słońcu |
||
Obserwacje naziemne, jak również obserwacje ze statku kosmicznego, pozwoliły poszerzyć wiedzę na temat stosunku izotopów w atmosferze Jowisza. Od lipca 2003 r. akceptowana wartość względnej ilości deuteru wynosi (2,25 ± 0,35)*10 -5 , co jest prawdopodobnie pierwotną wartością dla mgławicy protosolarnej, z której powstał Układ Słoneczny. Stosunek izotopów azotu 15 N i 14 N w atmosferze Jowisza wynosi 2,3 * 10 -3, czyli o jedną trzecią mniej niż w atmosferze ziemskiej (3,5 * 10 -3). To ostatnie odkrycie jest szczególnie istotne, ponieważ poprzednie teorie powstawania Układu Słonecznego uważały, że ziemskie wartości izotopów azotu były pierwotne.
W przeciwieństwie do chmur na Ziemi, które w całości są wodą, chmury Jowisza zawierają różne związki wodoru, węgla, azotu, tlenu, siarki i fosforu. Ich skład zależy od ciśnienia, temperatury, oświetlenia i ruchów atmosferycznych. Od dawna wiadomo, że w atmosferze Jowisza znajdują się amoniak (NH 3) i metan (CH 4), których cząsteczki zawierają dużo wodoru. Ale amoniak, metan, para wodna, wodorosiarczek amonu (NH 3 H 2 S) to małe składniki dostępnej do badania części atmosfery Jowisza. Zauważ, że silne pasma amoniaku tkwiące w Jowiszu są ledwo zauważalne wokół Saturna, podczas gdy Uran i Neptun w ogóle ich nie mają, ponieważ cały amoniak jest zamrożony głęboko pod ich warstwami chmur. Z drugiej strony, pasma metanu tych planet stają się bardzo szerokie i zajmują znaczną część widma w jego czerwono-niebieskiej części, co nadaje tym planetom niebiesko-zielony kolor.
Na poziomie chmur Jowisza zawartość pary wodnej wynosi 1,5*10 -3, metanu 8,3*10 -3, wodorosiarczku amonu w fazie gazowej 2,8*10 -5, amoniaku 1,7*10 -4. Jednocześnie zawartość amoniaku jest zmienna i zależy od wysokości. To on tworzy widoczną pokrywę chmur; jego temperatura kondensacji zależy od ciśnienia i wynosi 130-200 K, co średnio pokrywa się z tym, co obserwuje się na poziomie chmur. W temperaturze 165 K ciśnienie amoniaku nad kryształkami lodu amoniaku wynosi 1,9 mbar i podwaja się przy 170 K. Do kondensacji metanu przy tym samym ciśnieniu potrzebna jest znacznie niższa temperatura, 79 K. Dlatego metan w atmosfera Jowisza w fazie stałej najwyraźniej nie kondensuje.
W chmurach wraz z kryształami powinny znajdować się krople ciekłego amoniaku. Kolor chmur z taką mieszanką jest biały z lekkim żółtawym odcieniem, charakterystycznym dla stref. Jednak do wyjaśnienia czerwono-brązowych odcieni pasów potrzebny jest inny środek barwiący. Podobno fosfina (PH 3) - gazowy związek fosforu z wodorem, którego zawartość wynosi około 6*10 -7, nadaje pasom pewne odcienie kolorystyczne. W temperaturach od 290 do 600 K rozkłada się z uwolnieniem czerwonego fosforu. I odwrotnie, w niskich temperaturach fosfor rekombinuje z wodorem. Kolor chmur może być również powiązany z wielosiarczkami wodoru i amonu oraz siarką. Lista gazów obecnych w atmosferze Jowisza obejmuje również etan, acetylen i niewielką ilość kwasu cyjanowodorowego (HCN).
Należy pamiętać, że widoczna powierzchnia chmur to cienka warstwa, tylko kilkadziesiąt kilometrów. Pod chmurami krystalicznego amonu znajdują się kolejne warstwy: z siarczynu amonu, wodnego roztworu amoniaku, z kryształków lodu wodnego, wreszcie z kropel wody.
Strefy, pasy i wiry
Widoczna powierzchnia Jowisza jest podzielona na wiele pasm równoległych do równika. Istnieją dwa rodzaje pasm: stosunkowo jasne strefy i ciemne pasma. Szeroka strefa równikowa (EZ) rozciąga się mniej więcej między 7°S i 7°N szerokości geograficznej. Powyżej i poniżej EZ znajdują się północne i południowe pasy równikowe (NEB i SEB) rozciągające się odpowiednio do 18°N i 18°S. Dalej od równika leżą północna i południowa strefa tropikalna (NtrZ i STrZ). Ta ciągła przemiana pasów i stref trwa do 50°S i N, gdzie ich widoczne przejawy stają się nieco mniej zauważalne. Pasy prawdopodobnie ciągną się do około 80° na północ lub południe w kierunku biegunów.
Różnica w zabarwieniu między strefami i pasami polega na różnicach między przezroczystością chmur. Stężenia amoniaku są wyższe w strefach, co skutkuje gęstszymi chmurami lodu amoniakowego na większych wysokościach, co z kolei sprawia, że strefy są jaśniejsze. Z drugiej strony chmury pasowe są cieńsze i znajdują się na niższych wysokościach. Górna troposfera jest zimniejsza w strefach i cieplejsza w pasach. Dokładna natura substancji, które sprawiają, że strefy i pasy Jowisza są tak „kolorowe”, nie jest znana, ale mogą one zawierać złożone związki siarki, fosforu i węgla.
Pasy Jowisza są ograniczone strefowymi przepływami atmosferycznymi (wiatrami), które nazywane są „dżetami”. Dżety poruszające się w kierunku zachodnim (ruch wsteczny) są zwykle obserwowane podczas przechodzenia ze stref do pasów (dalej od równika), natomiast te poruszające się na wschód (ruch normalny) są zwykle obserwowane podczas przemieszczania się z pasów do stref. Modele atmosfery Jowisza sugerują, że wiatry strefowe zmniejszają prędkość pasów i zwiększają się w strefach od równika do biegunów. Dlatego gradient wiatru w pasach jest cykloniczny, a w strefach antycykloniczny. Wyjątkiem od reguły jest strefa równikowa, w której występuje silny ruch strumieni na wschód, a lokalne minimum prędkości wiatru znajduje się dokładnie na równiku. Prędkość dżetów na Jowiszu jest bardzo duża, w niektórych miejscach dochodzi do 100 m/s. Prędkość ta odpowiada chmurom amoniaku znajdującym się w zakresie ciśnień 0,7-1 bar. Dżety krążące w tym samym kierunku co Jowisz są silniejsze niż te krążące przeciw (wstecznie). Pionowe wymiary dżetów nie są znane. Wiatry strefowe giną na wysokości 2-3 łusek wysokości nad chmurami. W tym samym czasie prędkość wiatru poniżej poziomu chmur wzrasta tylko nieznacznie i pozostaje stała do poziomu ciśnienia 22 barów - maksymalnej głębokości osiąganej przez lądownik Galileo.
 |
 |
|
Schematyczne przedstawienie lokalizacji pasm chmur Jowisza, są one oznaczone ich oficjalnymi skrótami. Wielka Czerwona Plama i owalny BA znajdują się odpowiednio w tropikach południowych i południowych strefach umiarkowanych. Atmosfera Jowisza podzielona jest na strefy i pasy, a każda z nich ma swoją nazwę i wyróżnia się szczególnymi cechami. Rozpoczynają się od południowych i północnych regionów polarnych, które rozciągają się od biegunów do około 40-48° N/S. Te niebieskoszare obszary są zwykle pozbawione cech charakterystycznych. Tekstura zachmurzenia, typowa dla pasów i stref, bywa zaburzona przez zaburzenia atmosferyczne (perturbacje). Jedno z tych szczególnie stabilnych i długotrwałych zaburzeń w południowej strefie tropikalnej nazywa się „ Południowe perturbacje tropikalne» (STD). Historia obserwacji to jeden z najdłuższych okresów istnienia STD, kiedy to można go było wyraźnie odróżnić od 1901 do 1939 roku. Perturbację po raz pierwszy zauważył Percy B. Molesworth 28 lutego 1901 r. Zaburzenie spowodowało częściowe zaciemnienie normalnie jasnego STZ. Od tego czasu w południowej strefie tropikalnej zaobserwowano kilka podobnych perturbacji. |
|
Atmosfera Jowisza |
Pochodzenie „struktury wstęgowej” chmur Jowisza nie jest do końca jasne, ale mechanizmy, które ją kontrolują, przypominają ziemską komórkę Hadleya. Najprostsza interpretacja jest taka, że strefy są miejscami upwellingu atmosferycznego, a pasy są przejawem downwellingu. W strefach powietrze unoszące się i wzbogacone amoniakiem rozszerza się i ochładza, tworząc wysokie i gęste chmury. W pasach powietrze opada i nagrzewa się adiabatycznie, a białe chmury amoniaku odparowują, odsłaniając ciemniejsze chmury poniżej. Położenie i szerokość pasm na Jowiszu są stabilne i rzadko zmieniały się w okresie od lat 80. do 2000. XX wieku. Jednym z przykładów zmiany jest nieznaczny spadek prędkości potężnego odrzutowca skierowanego na wschód między północnymi strefami tropikalnymi a północnymi strefami umiarkowanymi o 23°N. Jednak z biegiem czasu paski zmieniają kolor i intensywność kolorów.
Dynamika atmosfery
Od 1966 roku wiadomo, że Jowisz emituje znacznie więcej ciepła niż otrzymuje od Słońca. Przyjmuje się, że stosunek mocy promieniowania planety do odbieranego promieniowania słonecznego wynosi w przybliżeniu 1,67 ± 0,09. Wewnętrzny strumień ciepła Jowisza wynosi 5,44 ± 0,43 W/m 2 , podczas gdy całkowita moc promieniowania wynosi 335 ± 26 PW. Ta ostatnia wartość to w przybliżeniu jedna miliardowa całkowitej mocy wypromieniowanej przez Słońce.
Pomiary strumieni ciepła pochodzących z Jowisza wykazały, że praktycznie nie ma różnic między regionami polarnymi i równikowymi, jego stroną dzienną i nocną. Istotną rolę odgrywa w tym dopływ ciepła dzięki adwekcji - przenoszeniu gazu w poziomych ruchach atmosfery. Na tle uporządkowanej struktury pasów i stref, wirów i pióropuszy obserwuje się szybkie przepływy gazu – wiatry o prędkości dochodzącej do 120 m/s. Jeśli weźmiemy pod uwagę dużą pojemność cieplną wodoru, to nie zaskoczy niezmienność temperatury w różnych regionach planety.
Powodem potężnej cyrkulacji, która dostarcza ciepło do warstwy chmur, jest niewątpliwie przepływ ciepła emanujący z wnętrzności planety. W wielu pracach naukowych można przeczytać, że w głębi Jowisza i innych gigantycznych planet uwalniana jest dodatkowa energia w wyniku ich bardzo powolnej kompresji; ponadto obliczenia pokazują, że do tego wystarczy ściskać planetę o milimetry rocznie. Jednak informacje o budowie Jowisza nie potwierdzają tej hipotezy.
Analiza ruchu statku kosmicznego w polu grawitacyjnym planety umożliwia ocenę budowy jej wnętrzności i stanu materii. Ruch pojazdów pokazuje, że jest to planeta gazowo-cieczowa, składająca się z mieszaniny wodoru i helu, która nie ma stałej powierzchni. Postać Jowisza jest matematycznie doskonała, którą może być tylko płynna planeta. Bezwymiarowy moment bezwładności ma bardzo małą wartość: 0,254. Wskazuje to na wysoką koncentrację masy w centrum planety. Znaczna część jej rdzenia znajduje się w stanie płynnym. Płynny rdzeń jest praktycznie nieściśliwy. Źródłem przepływu ciepła może być ciepło uwalniane podczas formowania się planety (4,5 miliarda lat temu), zmagazynowane w jądrze i powłokach Jowisza.
Istnieją dowody na to, że we wczesnych stadiach ewolucji Jowisz wypromieniował w kosmos ogromne strumienie energii. Galilejskie satelity Jowisza, znajdujące się nieporównywalnie bliżej swojej planety niż Słońca, otrzymywały od Słońca więcej energii na jednostkę powierzchni niż Merkury. Ślady tych wydarzeń zachowały się na powierzchni Ganimedesa. Obliczenia pokazują, że szczytowa jasność Jowisza może osiągnąć 1/10 jasności Słońca. W promieniach Jowisza lód stopił się na powierzchni wszystkich satelitów, w tym częściowo Ganimedesa. Reliktowe ciepło planety zostało zachowane z tej odległej epoki. A obecnie ważnym źródłem ciepła może być powolne zanurzanie w kierunku centrum planety helu, który jest gęstszy niż wodór.
Cyrkulacja w atmosferze Jowisza różni się znacznie od ziemskiej. Powierzchnia Jowisza jest płynna, nie ma stałej powierzchni. Dlatego konwekcja może zachodzić w dowolnym obszarze zewnętrznej bańki gazowej. Jak dotąd nie ma kompleksowej teorii dynamiki atmosfery Jowisza. Taka teoria powinna wyjaśniać następujące fakty: istnienie wąskich stabilnych pasm i przepływów symetrycznych wokół równika, potężny przepływ równikowy z zachodu na wschód (w kierunku obrotu planety), różnicę między strefami i pasami, a także pochodzenie i stabilność dużych wirów, takich jak Wielka Czerwona Plama .
 |
|
W ciepłych regionach planety w pobliżu orbity każda komórka konwekcyjna w atmosferze Jowisza unosi materię tam, gdzie się ochładza, a następnie zrzuca ją bliżej biegunów. I ten proces trwa. Gdy mieszanina gazów unosi się, najpierw kondensują, a następnie, wyżej, tworzą się chmury wodorosiarczku amonu. Chmury amoniaku, znajdujące się w jasnych strefach Jowisza, pojawiają się tylko w najwyższym punkcie. Górne warstwy atmosfery przesuwają się na zachód, w kierunku obrotu samej planety. Podczas gdy siły Coriolisa popychają chmury amoniaku w przeciwnym kierunku. |
|
Atmosfera Jowisza |
Praktycznie nie ma prądów południkowych w atmosferze Jowisza. Strefy i pasy to obszary wznoszących się i opadających przepływów w atmosferze, które mają zasięg globalny w kierunku podłużnym. Te prądy atmosferyczne, równoległe do równika, przypominają ziemskie pasaty. Siłami napędowymi tego naturalnego silnika cieplnego są przepływy ciepła pochodzące z głębi planety, energia otrzymywana ze Słońca, a także szybkie obroty planety. Widoczne powierzchnie stref i pasów w tym przypadku powinny znajdować się na różnych wysokościach. Potwierdziły to pomiary termiczne: strefy okazały się zimniejsze niż pasy. Różnica temperatur wskazuje, że widoczna powierzchnia stref znajduje się około 20 km wyżej. BKP okazał się wyższy i kilka stopni zimniejszy od pasów. I odwrotnie, niebieskie plamy okazały się źródłem promieniowania cieplnego wznoszącego się z głębokich warstw atmosfery. Nie stwierdzono znaczącej różnicy temperatur między regionami polarnymi i równikowymi planety. Pośrednio pozwala to na wyciągnięcie następującego wniosku: ciepło wewnętrzne planety odgrywa ważniejszą rolę w dynamice jej atmosfery niż energia otrzymywana ze Słońca. Średnia temperatura na poziomie widocznych chmur jest bliska 130 K.
Na podstawie obserwacji naziemnych astronomowie podzielili pasy i strefy w atmosferze Jowisza na równikowe, tropikalne, umiarkowane i polarne. Podgrzane masy gazów unoszące się z głębin atmosfery w strefach pod działaniem znacznych sił Coriolisa na Jowisza rozciągają się w kierunku podłużnym, a przeciwległe krawędzie stref zbliżają się do siebie wzdłuż równoleżników. Na granicach stref i pasów (regiony prądów zstępujących) widoczne są silne turbulencje; prędkości ruchu osiągają tu najwyższe wartości, do 100 m/s, aw rejonie równikowym nawet 150 m/s. Na północ od równika przepływy w strefach skierowanych na północ odchylane są siłami Coriolisa na wschód, a te skierowane na południe - na zachód. Na półkuli południowej kierunek odchyleń jest odwrócony. To właśnie ta struktura ruchów na Ziemi tworzy pasaty. „Dach” chmur w pasach i strefach znajduje się na różnych wysokościach. Różnice w ich zabarwieniu determinowane są temperaturą i ciśnieniem przemian fazowych małych składników gazowych. Strefy świetlne to wznoszące się kolumny gazu o wysokiej zawartości amoniaku, pasy to strumienie opadające zubożone w amoniak. Jasny kolor pasów jest prawdopodobnie związany z polisiarczkami amonu i niektórymi innymi składnikami barwiącymi, na przykład fosfiną.
Wiry w atmosferze Jowisza
Dane eksperymentalne świadczą o tym, że dynamika warstwy chmur Jowisza jest jedynie zewnętrzną manifestacją potężnych sił działających w podchmurnej atmosferze planety. Można było zaobserwować, jak w chmurach powstaje potężna formacja wirowa, lokalny huragan o średnicy 1000 km lub więcej. Takie formacje żyją długo, kilkanaście lat, a największe z nich nawet kilkaset lat. Takie wiry powstają na przykład w wyniku ruchu dużych mas unoszącego się ogrzanego gazu w atmosferze.
Powstały wir przenosi podgrzane masy gazu z oparami drobnych składników na powierzchnię chmur, co zamyka obieg ich obiegu w atmosferze. Powstałe kryształy amoniaku śniegu, roztwory i związki amoniaku w postaci śniegu i kropli, zwykłej wody, śniegu i lodu stopniowo opadają do atmosfery i osiągają poziom temperatury, w którym odparowują. W fazie gazowej materia ponownie wraca do warstwy chmur.
 |
|
Zmiany na Jowiszu w zakresie widzialnym i IR |
|
Atmosfera Jowisza |
Atmosfera Jowisza jest domem dla setek wirów: okrągłych, wirujących struktur, które podobnie jak atmosfera ziemska można podzielić na dwie klasy: cyklony i antycyklony. Te pierwsze obracają się zgodnie z kierunkiem obrotu planety (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara na półkuli północnej i zgodnie z ruchem wskazówek zegara na półkuli południowej); drugi - w przeciwnym kierunku. Jednak w przeciwieństwie do ziemskiej atmosfery, w atmosferze Jowisza przeważają antycyklony: spośród wirów, których średnica przekracza 2000 km, ponad 90% stanowią antycyklony. „Żywotność” wirów waha się od kilku dni do stuleci, w zależności od ich wielkości: np. średni czas życia antycyklonów o średnicach od 1000 do 6000 km wynosi 1-3 lata. Wiry nigdy nie zostały zaobserwowane na równiku Jowisza (w obrębie 10° szerokości geograficznej), gdzie są niestabilne. Jak w przypadku każdej szybko obracającej się planety, antycyklony Jowisza są centrami wysokiego ciśnienia, podczas gdy cyklony są centrami niskiego ciśnienia.
Antycyklony Jowisza są zawsze ograniczone do obszarów, w których prędkość wiatru wzrasta od równika do biegunów. Zwykle są jasne i wyglądają jak białe owale. Mogą poruszać się wzdłuż długości geograficznej, ale pozostają na tej samej szerokości geograficznej, nie mogąc opuścić strefy, w której się urodziły. Prędkość wiatru na ich obrzeżach może dochodzić do 100 m/s. Różne antycyklony znajdujące się w tej samej strefie mają tendencję do łączenia się, zbliżając się do siebie. Jednak w atmosferze Jowisza zaobserwowano i zaobserwowano dwa inne niż inne antycyklony - jest to Wielka Czerwona Plama (GRS) i owalny BA, które powstały w 2000 roku. W przeciwieństwie do białych owali, w ich strukturze dominuje kolor czerwony – prawdopodobnie z powodu czerwonawej substancji unoszącej się z głębi planety. Na Jowiszu antycyklony zwykle powstają z połączenia mniejszych struktur, w tym burz konwekcyjnych, chociaż duże owale mogą również powstawać z niestabilnych dżetów. Ostatni raz zaobserwowano to w latach 1938-1940, kiedy kilka białych owali zostało wygenerowanych przez niestabilność w południowej strefie umiarkowanej; później połączyły się, tworząc Oval BA.
W przeciwieństwie do antycyklonów, cyklony Jowisza to zwarte ciemne struktury o nieregularnym kształcie. Najciemniejsze i najbardziej regularne cyklony nazywane są brązowymi owalami. Nie wyklucza się jednak istnienia kilku dużych, długowiecznych cyklonów. Oprócz zwartych cyklonów na Jowiszu można zaobserwować kilka nitkowatych „kawałków” o nieregularnym kształcie, w których obserwuje się rotację cyklonową. Jedna z nich znajduje się na zachód od BKP w południowym pasie równikowym. Te „kawałki” nazywane są regionami cyklonowymi (CR). Cyklony zawsze tworzą się tylko w pasach i, podobnie jak antycyklony, łączą się, gdy się zbliżają.
Głęboka struktura wirów nie jest do końca jasna. Uważa się, że są one stosunkowo cienkie, ponieważ każda grubość powyżej około 500 km prowadziłaby do niestabilności. Duże antycyklony nie wznoszą się powyżej kilkudziesięciu kilometrów w stosunku do obserwowanego zachmurzenia. Jedna z hipotez sugeruje, że wiry to głęboko konwekcyjne „pióra” (lub „kolumny konwekcyjne”), ale w tej chwili nie zyskały one popularności wśród planetologów.
Formacje wirowe, takie jak plamy o odcieniach błękitu i brązu, zaobserwowano nie tylko w stabilnych pasach i strefach, ale także w rejonach polarnych Jowisza. Tutaj charakterystycznym wyglądem warstwy chmur jest jasnobrązowe pole z ciemnymi i jasnobrązowymi oraz niebieskawymi plamami. Tu, w rejonie tych szerokości geograficznych, gdzie cyrkulacja strefowa staje się niestabilna, pasy i strefy ustępują miejsca formacjom meteorologicznym, takim jak „koronkowe kołnierze” i „pióropusze”. Obszary w pobliżu bieguna planety można zobaczyć tylko ze statku kosmicznego. Pozorny chaos plam jest jednak posłuszny ogólnej regularności krążenia, a decydującą rolę odgrywają ruchy w głębi atmosfery.
Przyjmując szereg założeń, teoretykom udało się uzyskać zjawiska w modelu cylindrycznym, które przypominają to, co widać na Jowiszu (i Saturnie). Struktura planety to system zagnieżdżonych cylindrów, których oś jest osią biegunową. Cylindry przechodzą przez całą planetę i wychodzą na powierzchnię, powiedzmy, 40°N. cii. i przy 40°S cii. Widzimy sekcje tych cylindrów obracające się z różnymi prędkościami. Jeśli policzysz od równika, cylindry wnikają głęboko w połowę promienia planety. Plamki lub owale przechodzą również przez kolumny umieszczone pomiędzy cylindrami. Nawiasem mówiąc, niektórzy obserwatorzy zwracają uwagę, że symetrycznie na tej samej szerokości geograficznej na półkuli północnej czasami można zobaczyć plamkę tej samej wielkości, ale mniej wyraźną.
Niebieskie plamy u dzieci można zaobserwować poprzez przerwy w warstwie chmur. Jednak przerwy są często niezwiązane z plamami i widoczne są przez nie niższe warstwy chmur. Szereg podobnych przerw zaobserwowano wzdłuż granicy północnego pasa równikowego. Luki istnieją dość długo, od kilku lat. Zwiększony przepływ ciepła z tych miejsc świadczy o tym, że są to przerwy. Temperatura rośnie gwałtownie wraz z głębokością. Już przy ciśnieniu 2 bar jest to około 210 K. A emisja radiowa dochodząca z dużych głębokości wskazuje na wyższą temperaturę. Według obliczeń, na głębokości 300 km atmosfera Jowisza jest tak samo gorąca jak atmosfera Wenus przy jej powierzchni (około 730 K).
Burze na Jowiszu
Błyskawica jest również rejestrowana w atmosferze Jowisza. Zdjęcia z Voyagerów pokazały, że po nocnej stronie Jowisza występują błyski światła o kolosalnym zasięgu - do 1000 km lub więcej. To super-błyskawice, których energia jest znacznie większa niż w ziemskich. Okazało się jednak, że błyskawice Jowisza są mniej liczne niż ziemskie. Co ciekawe, piorun Jowisza został wykryty 3 miesiące po odkryciu burzy na Wenus.
Burze na Jowiszu są podobne do tych na Ziemi. Przejawiają się one jako jasne i masywne chmury o wielkości około 1000 km, które pojawiają się od czasu do czasu w cyklonicznych obszarach pasów, zwłaszcza w silnych, skierowanych na zachód dżetach. W przeciwieństwie do wirów burze są zjawiskami krótkotrwałymi, najsilniejsze z nich mogą trwać kilka miesięcy, podczas gdy średni czas trwania to 3-4 dni. Uważa się, że są one konsekwencją mokrej konwekcji w warstwach troposfery Jowisza. W rzeczywistości burze są „kolumnami konwekcyjnymi” (piórami), które unoszą wilgotne masy powietrza z głębin coraz wyżej, aż skondensują się w chmury. Typowa wysokość chmur jowiszowych wynosi 100 km, co oznacza, że osiągają ciśnienie około 5-7 barów, podczas gdy hipotetyczne chmury wodne zaczynają się przy ciśnieniu 0,2-0,5 bara.
Burze na Jowiszu oczywiście nie są kompletne bez błyskawicy. Zdjęcia nocnej strony Jowisza wykonane przez sondy Galileo i Cassini umożliwiają rozróżnienie regularnych błysków światła w pasach Jowisza oraz w pobliżu dżetów na zachód, głównie na szerokościach 51°N, 56°S i 14°S. Uderzenia piorunów na Jowisza są na ogół silniejsze niż na Ziemi. Występują jednak znacznie rzadziej, a swoimi błyskami wytwarzają mniej więcej taką samą ilość światła jak ziemskie. Kilka błysków piorunów zostało zarejestrowanych w rejonach polarnych Jowisza, co uczyniło Jowisza drugą po Ziemi planetą, na której zaobserwowano pioruny polarne.
Co 15-17 lat na Jowiszu rozpoczyna się szczególnie silny okres burzy. Przejawia się głównie na 23°C szerokości geograficznej, gdzie znajduje się najsilniejszy strumień na wschód. Ostatni raz miało to miejsce w czerwcu 2007 roku. Ciekawe, że dwie burze zlokalizowane oddzielnie na długości 55 ° w północnej strefie umiarkowanej miały znaczący wpływ na pas. Ciemna materia, wytworzona przez burze, zmieszała się z zmętnieniem pasa i zmieniła swój kolor. Burze poruszały się z prędkością około 170 m/s, nawet nieco szybciej niż sam odrzutowiec, co pośrednio wskazuje na istnienie jeszcze silniejszych wiatrów w głębokich warstwach atmosfery.