Юпитер и его спутники

Летом 2007 года телескоп «Хаббл» зафиксировал резкие изменения в атмосфере  Юпитера. Отдельные зоны в атмосфере  к северу и югу от экватора превратились в пояса, а пояса — в зоны. При этом изменились не только формы  атмосферных образований, но и их цвет. 

9 мая  2010 года астроном-любитель Энтони Уэсли обнаружил, что с лика планеты внезапно исчезло одно из самых заметных и самых стабильных во времени образований — Южный экваториальный пояс. Именно на широте Южного экваториального пояса расположено «омываемое» им Большое красное пятно. Причиной внезапного исчезновения Южного экваториального пояса Юпитера считается появление над ним слоя более светлых облаков, под которыми и скрывается полоса тёмных облаков. По данным исследований, проведённых телескопом «Хаббл», был сделан вывод о том, что пояс не исчез полностью, а просто оказался скрыт под слоем облаков, состоящих из аммиака. 

Большое красное пятно. 

Большое красное пятно — овальное образование  изменяющихся размеров, расположенное  в южной тропической зоне. Было открыто Робертом Гуком в 1664 году. В настоящее время оно имеет размеры 15×30 тыс. км (диаметр Земли ~12,7 тыс. км), а 100 лет назад наблюдатели отмечали в 2 раза бо́льшие размеры. Иногда оно бывает не очень чётко видимым. Большое красное пятно — это уникальный долгоживущий гигантский ураган, вещество в котором вращается против часовой стрелки и совершает полный оборот за 6 земных суток. 

Благодаря исследованиям, проведённым в конце 2000 года зондом «Кассини», было выяснено, что Большое красное пятно связано с нисходящими потоками (вертикальная циркуляция атмосферных масс); облака здесь выше, а температура ниже, чем в остальных областях. Цвет облаков зависит от высоты: синие структуры — самые верхние, под ними лежат коричневые, затем белые. Красные структуры — самые низкие. Скорость вращения Большого красного пятна составляет 360 км/ч. Его средняя температура составляет −163 °C, причём между окраинными и центральными частями пятна наблюдается различие в температуре порядка 3—4 градусов. Это различие, как предполагается, ответственно за тот факт, что атмосферные газы в центре пятна вращаются по часовой стрелке, в то время как на окраинах — против. Также выдвинуто предположение о взаимосвязи температуры, давления, движения и цвета Красного пятна, хотя как именно она осуществляется, учёные пока затрудняются сказать.

Время от времени на Юпитере наблюдаются  столкновения больших циклонических  систем. Одно из них произошло в 1975 году, в результате чего красный  цвет Пятна поблёк на несколько лет. В конце февраля 2002 года ещё один гигантский вихрь — Белый овал — начал тормозиться Большим  красным пятном, и столкновение продолжалось целый месяц. Однако оно не нанесло серьёзного ущерба обоим вихрям, так как произошло по касательной.

Красный цвет Большого красного пятна представляет собой загадку. Одной из возможных  причин могут быть химические соединения, содержащие фосфор. Фактически цвета и механизмы, создающие вид всей юпитерианской атмосферы, до сих пор ещё плохо поняты и могут быть объяснены только при прямых измерениях её параметров.

В 1938 году было зафиксировано формирование и  развитие трёх больших белых овалов вблизи 30° южной широты. Этот процесс  сопровождался одновременным формированием  ещё нескольких маленьких белых  овалов — вихрей. Это подтверждает, что Большое красное пятно  представляет собой самый мощный из юпитерианских вихрей. Исторические записи не обнаруживают подобных долго существующих систем в средних северных широтах планеты. Наблюдались большие тёмные овалы вблизи 15° северной широты, но, видимо, необходимые условия для возникновения вихрей и последующего их превращения в устойчивые системы, подобные Красному пятну, существуют только в Южном полушарии. 

Малое красное пятно. 

Что же касается трёх вышеупомянутых белых  вихрей-овалов, то два из них объединились в 1998 году, а в 2000 году возникший новый  вихрь слился с оставшимся третьим овалом. В конце 2005 года вихрь (Овал ВА, англ. Oval BC) начал менять свой цвет, приобретя в конце концов красную окраску, за что получил новое название — Малое красное пятно. В июле 2006 года Малое красное пятно соприкоснулось со своим старшим «собратом» — Большим красным пятном. Тем не менее, это не оказало какого-либо существенного влияния на оба вихря — столкновение произошло по касательной. Столкновение было предсказано ещё в первой половине 2006 года. 

Молнии.

В центре вихря давление оказывается более  высоким, чем в окружающем районе, а сами ураганы окружены возмущениями с низким давлением. По снимкам, сделанными космическими зондами «Вояджер-1»  и «Вояджер-2», было установлено, что  в центре таких вихрей наблюдаются  колоссальных размеров вспышки молний протяжённостью в тысячи километров. Мощность молний на три порядка превышает земные.

Горячие тени от спутников.

Ещё одним  непонятным явлением можно назвать  «горячие тени». Согласно данным радиоизмерений, проведённым в 1960-х годах, в местах, куда на Юпитер падают тени от его спутников, температура заметно повышается, а не понижается, как можно было бы ожидать. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Магнитное поле и магнитосфера.

Схема магнитного поля Юпитера.

Первый  признак любого магнитного поля —  радиоизлучение, а также рентген. Строя модели происходящих процессов, можно судить о строении магнитного поля. Так было установлено, что магнитное  поле Юпитера имеет не только дипольную  составляющую, но и квадруполь, октуполь и другие гармоники более высоких порядков. Предполагается, что магнитное поле создает динамо-машина, похожая на земную. Но в отличие от Земли, проводником токов на Юпитере служит слой металлического гелия.

Ось магнитного поля наклонена к оси вращения 10,2 ± 0,6°, почти как и на Земле, однако, северный магнитный полюс расположен рядом с южным географическим, а южный магнитный — с северным географическим. Напряжённость поля на уровне видимой поверхности облаков равна 14 Э у северного полюса и 10,7 Э у южного. Его полярность обратна полярности земного магнитного поля.

Форма магнитного поля у Юпитера сильно сплюснута и напоминает диск (в  отличие от каплевидной у Земли). Центробежная сила, действующая на со-вращающуюся плазму с одной стороны и тепловое давление горячей плазмы с другой растягивают силовые линии, образуя на расстоянии 20 RJ структуру, напоминающую тонкий блин, также известную как магнитодиск. Он имеет тонкую токовую структуру вблизи магнитного экватора. 

Вокруг  Юпитера, как и вокруг большинства  планет Солнечной системы, существует магнитосфера — область, в которой  поведение заряженных частиц, плазмы, определяется магнитным полем. Для  Юпитера источниками таких частиц является солнечный ветер и Ио. Вулканический пепел, выбрасываемый  вулканами Ио, под действием солнечного ультрафиолета ионизуется. Так образуются ионы серы и кислорода: S+, O+, S2+ и O2+. Эти  частицы покидают атмосферу спутника, однако остаются на орбите вокруг него, образуя тор. Этот тор был открыт аппаратом «Вояджер-1»; он лежит в  плоскости экватора Юпитера, и имеет  радиус в 1 RJ в поперечном сечении  и радиус от центра (в данном случае от центра Юпитера) до образующей поверхности в 5,9 RJ. Именно он принципиально меняет динамику магнитосферы Юпитера.

Магнитосфера  Юпитера. Захваченные магнитным  полем ионы солнечного ветра на схеме  показаны красным цветом, пояс нейтрального вулканического газа Ио — зелёным  и пояс нейтрального газа Европы —  синим. ENA — нейтральные атомы. По данным зонда «Кассини», полученным в начале 2001 г. 

Набегающий  солнечный ветер уравновешивается давлением магнитного поля на расстояния в 50—100 радиусов планеты, без влияния  Ио это расстояние было бы не более 42 RJ. На ночной стороне протягивается за орбиту Сатурна, достигая в длину 650 млн км и более. Ускоренные в магнитосфере Юпитера электроны достигают Земли. Если бы магнитосферу Юпитера можно было видеть с поверхности Земли, то её угловые размеры превышали бы размеры Луны. 

Радиационные  пояса. 

Юпитер  обладает мощными радиационными поясами. При сближении с Юпитером «Галилео» получил дозу радиации, в 25 раз превышающую смертельную дозу для человека. Излучение радиационного пояса Юпитера в радиодиапазоне впервые было обнаружено в 1955 году. Радиоизлучение носит синхротронный характер. Электроны в радиационных поясах обладают огромной энергией, составляющей около 20 МэВ, при этом зондом «Кассини» было обнаружено, что плотность электронов в радиационных поясах Юпитера ниже, чем ожидалось. Поток электронов в радиационных поясах Юпитера может представлять серьёзную опасность для космических аппаратов ввиду большого риска повреждения аппаратуры радиацией. Вообще, радиоизлучение Юпитера не является строго однородным и постоянным — как по времени, так и по частоте. Средняя частота такого излучения, по данным исследований, составляет порядка 20 МГц, а весь диапазон частот — от 5—10 до 39,5 МГц. 

Полярные  сияния на Юпитере.

Юпитер  демонстрирует яркие устойчивые сияния вокруг обоих полюсов. В отличие от таких же на Земле, которые появляются в периоды повышенной солнечной активности, полярные сияния Юпитера являются постоянными, хотя их интенсивность меняется изо дня в день. Они состоят из трёх главных компонентов: основная и наиболее яркая область сравнительно небольшая (менее 1000 км в ширину), расположена примерно в 16 ° от магнитных полюсов; горячие пятна — следы магнитных силовых линий, соединяющих ионосферы спутников с ионосферой Юпитера, и области кратковременных выбросов, расположенных внутри основного кольца. Выбросы полярных сияний были обнаружены почти во всех частях электромагнитного спектра от радиоволн до рентгеновских лучей (до 3 кэВ), однако они наиболее ярки в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны 3-4 мкм и 7-14 мкм) и глубокой ультрафиолетовой области спектра (длина волны 80-180 нм). 

Положение основных авроральных колец устойчиво, как и их форма. Однако их излучение сильно модулируется давлением солнечного ветра — чем сильнее ветер, тем слабее полярные сияния. Стабильность сияний поддерживается большим притоком электронов, ускоряемых за счёт разности потенциалов между ионосферой и магнитодиском. Эти электроны порождает ток, который поддерживает синхронность вращения в магнитодиске. Энергия этих электронов 10 — 100 кэВ; проникая глубоко внутрь атмосферы, они ионизируют и возбуждают молекулярный водород, вызывая ультрафиолетовое излучение. Кроме того, они разогревают ионосферу, чем объясняется сильное инфракрасное излучение полярных сияний и частично нагрев термосферы. 

Горячие пятна связаны с тремя Галилеевыми спутниками: Ио, Европа и Ганимед. Они возникают из-за того, что вращающаяся плазма замедляется вблизи спутников. Самые яркие пятна принадлежат Ио, поскольку этот спутник является основным поставщиком плазмы, пятна Европы и Ганимеда гораздо слабее. Яркие пятна внутри основных колец, появляющиеся время от времени, как считается, связаны с взаимодействием магнитосферы и солнечного ветра. 
 

Большое рентгеновское пятно. 

Орбитальным телескопом «Чандра» в декабре 2000 года на полюсах Юпитера (главным образом, на северном полюсе) обнаружен источник пульсирующего рентгеновского излучения, названный Большим рентгеновским пятном. Причины этого излучения пока представляют загадку. 
 
 

Спутники  и кольца. 

По данным на декабрь 2005 года, у Юпитера известно 63 спутника — максимальное значение для Солнечной системы. По оценкам, спутников может быть не менее сотни. Спутникам даны в основном имена различных мифических персонажей, так или иначе связанных с Зевсом-Юпитером. Спутники разделяют на две большие группы — внутренние (8 спутников, галилеевы и негалилеевы внутренние спутники) и внешние (55 спутников, также подразделяются на две группы) — таким образом, всего получается 4 «разновидности». Четыре самых крупных спутника — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — были открыты ещё в 1610 году Галилео Галилеем. Открытие спутников Юпитера послужило первым серьёзным фактическим доводом в пользу гелиоцентрической системы Коперника. 

Европа. 

Наибольший  интерес представляет Европа, обладающая глобальным океаном, в котором не исключено наличие жизни. Специальные  исследования показали, что океан  простирается вглубь на 90 км, его объём  превосходит объём земного Мирового океана. Поверхность Европы испещрена разломами и трещинами, возникшими в ледяном панцире спутника. Высказывалось предположение, что источником тепла для Европы служит именно сам океан, а не ядро спутника. Существование подлёдного океана предполагается также на Каллисто и Ганимеде. Основываясь на предположении о том, что за 1—2 млрд лет кислород мог проникнуть в подлёдный океан, ученые теоретически предполагают наличие жизни на спутнике. Содержание кислорода в океане Европы достаточно для поддержания существования не только одноклеточных форм жизни, но и более крупных. Этот спутник занимает второе место по возможности возникновения жизни после Энцелада.