Свойства атмосферы планеты Юпитер

Атмосфера Юпитера своими физическими и химическими характеристиками напоминает солнечную, но имеет недостаточную для возникновения термоядерных (вызывающих выделение энергии) реакций массу. Потому эту планету часто именуют «звездой, которая не состоялась».

Юпитер можно увидеть с Земли невооружённым глазом. Это самый яркий объект в этой части неба, и самый яркий объект во всем ночном небе, за исключением Луны и Венеры. Credit: небесное моделирование в SkyX Serious Astronomer .

Атмосфера Юпитера: химический состав

Строгой границы атмосферы и тверди нет, как и самой тверди: под газовой оболочкой находится океан из расплавленного водорода.

Состав атмосферы:

1. Основной элемент местной атмосферы — водород, его здесь 89%.
2. Второй по распространенности — гелий, его содержание составляет 10%.
3. Остаток — 1 % составляют такие элементы как:

• аммиак;
• сероводород;
• ацетилен;
• водяной пар;
• метан;
• пары фосфора.

Сам Юпитер состоит из тех же соединений.

Газовый гигант в 2,5 раза более массивный, чем все планеты вместе взятые или в 317 раз больше Земли. Credit:Hubble Space Telescope, HST.

Слои атмосферы

Атмосфера Юпитера разделена на слои:

1. Тропосфера.
   Расположена сразу у поверхности со средним давлением 1 бар (почти как на Земле на уровне моря) и температурой примерно -110°С.
2. Стратосфера.
   Начинается с 50 км. Здесь так же холодно — около -100°С, а барометрические показатели постепенно увеличиваются, пока на отметке 300-320 км не начнут превышать земные в 1000 раз.
3. Термосфера.
   Следующий слой. Температура в ней постепенно увеличивается с движением вверх, достигая в высшей точке +725°С — слой нагревается частичками из магнитосферы, добавляет тепла и света от Солнца. Давление в этой зоне, напротив, падает.
4. Экзосфера.
   Начинается на высоте около 1000 км от поверхности, практически полностью сливающаяся с окружающим космическим пространством и имеющая общие с ним структуру и состав.

Разбивка атмосферных слоев происходит по показателям температуры и давления. С продвижением вверх, температурные показатели увеличиваются и в термосфере достигают 725 градусов, а давление падает. В этой зоне возникает яркое полярное сияние, заметное с Земли. Credit: «JunoCam», НАСА.

Циркуляция воздушных масс

В местной атмосфере отчетливо наблюдаются движения воздушных масс, что объяснимо двумя причинами:

1. Планета быстро вращается вокруг своей оси (1 оборот равен 10 часам) — так возникают пояса циркуляции.
2. От поверхности из-за отдачи внутреннего тепла поднимаются потоки воздуха — это зональное движение.

Поясная циркуляция воздушных масс происходит преимущественно параллельно экватору. По мере удаления от него потоки несколько меняют направление, сворачивая к полюсам, и замедляются. Если у экватора они движутся со скоростью 140 м/с, то в средних широтах замедляются, а у полюсов постепенно стихают до полного штиля.

Зональная циркуляция видна наблюдателям по светлой окраске потоков, которую им придает аммиак, застывший в виде кристаллов, а также по темным границам слоя облакам.

Зональные и поясные потоки неминуемо соприкасаются, образуя в точках контакта мощные вихри.

Воздух движется с одинаковой скоростью и не меняя своего направления — снизу вверх.

Большое красное пятно — БКП

350 лет назад в атмосфере Юпитера европейский астроном Дж. Кассини заметил ураган, который по своим размерам превосходил Землю. Явление назвали Большим Красным Пятном — БКП. На его краях наблюдается беспорядочное вихревое движение воздушных масс. Ближе к центру ураган становится спокойнее.

БКП немного холоднее, чем окружающая его атмосфера, он вращается вокруг Юпитера, делая оборот за 6 местных суток.

За последнее столетие ураган уменьшился вдвое по сравнению со своим первоначальным размером, но все равно имеет существенные габариты. Точный возраст этого пятна до сих пор не установлен.

Большое Красное Пятно (БКП) — это самый большой атмосферный вихрь в Солнечной системе: постоянная зона высокого давления, создающая антициклонический шторм на планете Юпитер. Пятно меняется в размерах и изменяет свой цвет на протяжении нескольких веков наблюдений. Credit: «Вояджер-1», НАСА.

Современные исследования

Космические зонды исследовавшие планету Юпитер:

1. «Пионер».
   В 1970-х гг. планету посетили аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11», сделавшие ее первые снимки вблизи, а также измерившие магнитные показатели.
2. «Вояджер».
   Следующими стали «Вояджер-1» и «Вояджер-2», собравшие информацию о верхних слоях атмосферы.
3. «Кассини».
   Аппарат «Кассини» внес свою лепту в составление подробной карты Юпитера — им была выполнена самая качественная на сегодня фотосъемка небесного тела.
4. «Галилео».
   Космический зонд «Галилео» 8 лет работал на орбите Юпитера. За время своего полёта он успел:

• спустился во внутренние слои атмосферы планеты;
• исследовал атмосферу практически на границе с океаном;
• дал основные сведения об особенностях местного климата;
• провел множество химических исследований состава воздуха;
• обнаружил наличие «сухих» областей с существенно меньшим содержанием влаги, чем в окружающем пространстве;
• нашел «горячие пятна» на тонких участках облаков с небольшой плотностью.

Автоматический космический аппарат НАСА, созданный для исследования Юпитера и его спутников. Аппарат был запущен в 1989 году, в 1995 году вышел на орбиту Юпитера, проработал до 2003 года. Credit: Galileo Jupiter, NASA .

Интересные факты и тайны

Это одно из небесных тел, наблюдения за которым начались в глубокой древности, но все его тайны до сих пор не разгаданы.

Оно было названо в честь главного римского бога, и это обоснованно, потому что Юпитер:

• в 2 раза тяжелее, чем все остальные планеты в Солнечной системе, если считать их суммарную массу;
• вращается вокруг оси быстрее, чем другие небесные тела;
• имеет максимально мощную магнитосферу;
• в его атмосфере возникают молнии длиной до 1000 км.

Ученые много лет спорят о возможности зарождения жизни на Юпитере. Многие считают условия там благоприятными, способными привести к появлению сложной органики. Однако отсутствие воды на планете и расплавленное состояние ее поверхности не дают шанса возникнуть знакомым науке формам жизни.

Атмосфера Юпитера

По своему составу атмосфера Юпитера близка к Солнцу, планету еще называют «несостоявшейся звездой», но её масса слишком мала для возникновения термоядерных реакций, обеспечивающих энергию светил.

Химический состав

14-кадровая анимация показывает циркуляцию атмосферы Юпитера

Большая часть объема – 89% – приходится на водород, гелий составляет 10%, а последний процент поделили между собой водяной пар, метан, ацетилен, аммиак, сероводород и фосфор. Планета состоит из тех веществ, что и ее газовая оболочка – здесь не существует четкого разграничения поверхности и атмосферы. На определенном уровне, под действием колоссального давления, водород переходит в жидкое состояние и образует глобальный океан. При наблюдениях с Земли мы обозреваем только верхний слой атмосферы. Оранжевый оттенок ей придают соединения серы и фосфора. Вариации в насыщенности цвета облаков подтверждают различия в составе атмосферы.

Разбивка атмосферных слоев происходит по показателям температуры и давления. На уровне поверхности, где давление равняется 1 бар, находится тропосфера. Именно здесь движущиеся потоки воздуха образуют зоны и пояса, температура держится на уровне -110 градусов по Цельсию.

С продвижением вверх, температурные показатели увеличиваются и в термосфере достигают 725 градусов, а давление падает. В этой зоне возникает яркое полярное сияние, заметное с Земли.

Движение атмосферы Юпитера определяется двумя факторами: высокой скоростью вращения вокруг оси, которая составляет 10 часов, и восходящими потоками, возникающими при отдаче внутреннего тепла. Чередующиеся полосы зон и поясов выстраиваются параллельно экватору. Местные ветра изменяют скорость и направление с увеличением широты. На экваторе воздушные массы движутся со скоростью до 140 м/с и совершают суточный оборот на 5 минут быстрее, чем умеренные области. У полюсов ветра стихают.

Зоны возникают благодаря восходящим потокам. Здесь наблюдается увеличение давления, а светлую окраску облакам придают застывшие кристаллы аммиака. Температурные показания зон – ниже, а видимая поверхность – выше, чем у поясов, которые представляют собой нисходящие потоки. Темный цвет нижнего слоя облаков формируют коричневые кристаллы гидросульфида аммония. Движение во всех полосах устойчиво и не меняет свое направление. При соприкосновении зон и поясов возникает сильная турбулентность, рождающая мощные вихри.

Большое Красное Пятно (БКП)

Обработанный снимок Большого Красного Пятна на Юпитере

На протяжении 300 лет астрономы наблюдают уникальное явление – ураган, превосходящий по размеру Землю. Окраинные зоны Большого Красного Пятна создают хаотичное завихрение облаков, но ближе к центру движение замедляется. Температура образования ниже, чем у других областей. Оно движется со скоростью 360 км/ч против часовой стрелки, полный оборот вокруг планеты совершает за 6 суток. За столетие границы антициклона уменьшились вдвое. Замечено БКП было в 1665 году Дж. Кассини, но момент его возникновения не установлен, так что возраст урагана может быть больше, чем принято считать.

Исследования

Юпитер, снимок зонда Вояджер-1

Первым аппаратом, который посетил Юпитер, стал «Пионер-10» в 1971 году. Он передал снимки планеты и спутников, измерил показатели магнитного поля. Аппаратура зонда обнаружила значительное излучение внутреннего тепла Юпитера. Полет «Вояджера — 1» дал несколько тысяч качественных снимков газового гиганта, сведения о верхних областях атмосферы.

Наибольший вклад в изучение Юпитера внесла миссия «Галилео», продолжавшаяся 8 лет. Спуск аппарата предоставил сведения о внутренних слоях атмосферы. Были найдены «сухие» области, где содержание воды меньше обычного в 100 раз, «горячие пятна», образованные тонким участком облаков, проведен анализ химических составляющих. Лучшие снимки планеты выполнил «Кассини», благодаря им составлена подробная карта.

Факты и тайны

Наблюдения за Юпитером ведутся с древних времен, но он по-прежнему полон загадок. Самая значительная по размерам планета Солнечной системы не зря получила имя верховного бога Рима. Ее масса в 2 раза больше, чем всех остальных планет, сложенных вместе. Газовый гигант вращается вокруг оси быстрее всех, имеет самое мощное магнитное поле, его грандиозный ураган БКП наблюдается с Земли, а молнии могут достигать 1000 км. Цвет и природа длительного антициклона не имеют объяснения, как и многие факты, известные о Юпитере.

Одной из постоянных тем дискуссий является возможность появления жизни в атмосфере планеты. Мощнейшие электрические разряды и умеренные температурные показатели могут способствовать формированию сложных органических соединений под плотным слоем облаков, но жидкое состояние поверхности и минимальное содержание воды исключают наличие известных жизненных форм.

Научное познание — это особый вид познавательной деятельности,направленный на выработку новых, систематизированных, объективных знаний,процесс перехода логики бытия (сущности, законов) в логику мышления, в ходе которого приобретаются новые знания.

Особенности научного познания:

Во-первых, основная его задача — обнаружение и объяснение объективных законов действительности — природных, социальных и мышления. Отсюда ориентация исследования на общие, существенные свойства объекта и их выражение в системе абстракции.

Во-вторых, непосредственная цель и высшая ценность научного познания — это объективная истина, постигаемая преимущественно рациональными средствами и методами.

В-третьих, в большей мере, чем другие виды познания оно ориентировано на то, чтобы быть воплощенным на практике.

В-четвертых, наука выработала специальный язык, характеризующийся точностью использования терминов, символов, схем.

В-пятых, научное познание есть сложный процесс воспроизводства знаний, образующих целостную, развивающуюся систему понятий, теорий, гипотез, законов.

В-шестых, научному познанию присущи как строгая доказательность, обоснованность полученных результатов, достоверность выводов, так и наличие гипотез, догадок, предположений.

В-седьмых, научное познание нуждается и прибегает к специальным орудиям (средствам) познания: научной аппаратуре, измерительным инструментам, приборам.

В-восьмых, научное познание характеризуется процессуальностью. В своем развитии оно проходит два основных этапа: эмпирический и теоретический, которые тесно связаны между собой.

В-девятых, область научного знания составляют проверяемые и систематизированные сведения о различных явлениях бытия.

Комментарии 0

3 марта

Теория устойчивого состояния.

Теория «Большого взрыва» — не единственная предложенная теория происхождения нашей вселенной. В 1940-х возникла конкурирующая гипотеза, названная теорией устойчивого состояния. Некоторые астрономы обратились к этой идее просто потому, что в то время не было достаточно информации для проверки теории «Большого взрыва». Британский астрофизик Фред Хойл и другие утверждали, что вселенная была не только однородной во всем пространстве, но также неизменной во времени и размерах. Эта теория не зависела от конкретного события, такого как Большой взрыв. Согласно теории устойчивого состояния, звезды и галактики могут меняться, но в целом вселенная всегда выглядела так, как сейчас, и так будет всегда.

Большой взрыв предсказывает, что, когда галактики отдаляются друг от друга, пространство становится все более пустым. Теоретики Steady State признают, что вселенная расширяется, но предсказывают, что новая материя постоянно появляется в пространствах между отступающими галактиками. Астрономы предполагают, что этот новый материал состоит из атомов водорода, которые медленно сливается в открытом космосе, образуя новые звезды, системы, галактики.

Естественно, непрерывное создание материи из пустого пространства встретило критику. Как вы можете получить что-то из ничего? Идея нарушает фундаментальный закон физики: сохранение материи. Согласно этому закону, материя не может быть ни создана, ни разрушена, но может быть преобразована только в другие формы материи или в энергию. Но скептическим астрономам было трудно опровергнуть непрерывное создание материи, потому что количество вещества, образованного в соответствии с теорией установившегося состояния, очень мало: в среднем около атома каждые миллиард лет на несколько кубических метров пространства.

Тем не менее, теория устойчивого состояния терпит неудачу. Если вся материя постоянно создается повсюду, то средний возраст звезд в любой части Вселенной должен быть одинаковым. Но астрономы обнаружили, что это далеко не так.

Астрономы могут выяснить, сколько лет галактике или звезде, измерив расстояние от Земли. Чем дальше от Земли находится объект, тем дольше от этого объекта свет путешествует по космосу к Земле. Это означает, что самые отдаленные объекты, которые мы можем видеть, также являются самыми старыми.

Например, возьмем квазары, маленькие яркие источники света, которые испускают огромное количество радио энергии. Поскольку свет от квазаров смещен так далеко к красному концу спектра, астрономы используют закон Хаббла, чтобы вычислить, что эти объекты находятся на большом расстоянии от Земли и, следовательно, очень стары. Но квазары существуют только на этих больших расстояниях — ни один не найден ближе. Если теория устойчивого состояния верна, то должны быть и молодые, и старые квазары. Поскольку астрономы не обнаружили квазаров, которые образовались в последнее время, они приходят к выводу, что Вселенная со временем изменилась. Открытие квазаров поставило теорию устойчивого состояния под вопрос.

Плазменная вселенная и маленькие взрывы.

Если вы не в восторге ни от «Большого взрыва», ни от «устойчивого состояния»? Существует группа астрономов, которая формулируют свои взгляды на создание вселенной. Одна из моделей предложена нобелевским лауреатом Ханнеса Альфвена, шведского физика. Его модель, получившая название «Плазменная Вселенная», начинает с того, что 99 процентов наблюдаемой Вселенной (включая звезды) состоят из плазмы. Плазма, ионизированный газ, который проводит электричество, иногда называется четвертым агрегатным состоянием материи. Эта теория утверждает, что «Большого взрыва» никогда не было, и что вселенная пересекается гигантскими электрическими токами и огромными магнитными полями.

Согласно этой точке зрения, вселенная существует вечно, главным образом под воздействием электромагнитных сил. Такая вселенная не имеет четкого начала и предсказуемого конца. В плазменной Вселенной галактики медленно собираются вместе в течение гораздо большего промежутка времени, чем это описано в теории «Большого взрыва», возможно, на протяжении 100 миллиардов лет.

Мало доказательств в пользу теории плазменной Вселенной вытекает из прямых наблюдений за космосом. Вместо этого ищут подтверждение в лабораторных экспериментах. Компьютерное моделирование плазмы, которую подвергают воздействию полей высоких энергий, выявляет закономерности, похожие на моделируемые галактики. Используя фактические электромагнитные поля в лаборатории, исследователи также смогли воспроизвести образцы плазмы, наблюдаемые в галактиках. Хотя сторонники теории Плазменной вселенной все еще остается в меньшинстве, она завоевывает популярность среди более молодых, астрономов, работающих в лабораториях, которые ценят твердые эмпирические данные вместо математических доказательств и наблюдений в телескоп.

Между тем, другая группа астрономов разрабатывает стационарную теорию, которая фактически соответствует астрономическим наблюдениям. Как и ее предшественник, эта теория стационарного состояния предлагает вселенную без начала и без конца. Скорее материя непрерывно создается посредством последовательности «Маленьких взрывов», возможно, связанных с таинственными квазарами и черными дырами. В этой новой теории галактики будут формироваться со скоростью, определяемой скоростью, с которой расширяется Вселенная. Эти теоретики могут даже объяснить космическое реликтовое излучение: они утверждают, что микроволны на самом деле исходят из облаков крошечных железных частиц — и излучение не являются остаточным эффектом какого-то изначального взрыва.

Конец Вселенной.

Будет ли Вселенная продолжать расширяться? Или просто остановится или даже начнет сокращаться и вернется в сингулярность? Ответ зависит от количества массы, содержащейся во вселенной. Если масса вселенной превышает определенное критическое значение, то гравитация должна в конечном итоге остановить расширение.

Обладая достаточной массой, Вселенная в конечном итоге уступит непреодолимой силе гравитации и снова рухнет в одну точку — теория, часто называемая Большим Хрустом. Но без достаточного количества массы вселенная продолжит расширяться. По состоянию на 2018 г. абсолютное большинство ученых пришли к выводу, что последняя гипотеза представляется наиболее вероятной.

В 1998 году астрономы обнаружили еще более удивительную загадку: кажется, что вселенная ускоряется при расширении, как будто ее толкает какая-то сила «антигравитации». С тех пор астрономы многократно подтвердили это открытие, используя различные методы, и почти подтвердили существование этой загадочной «темной энергии».