Реферат: Планета-гигант Юпитер

Магнитное поле захватывает заряженные частицы, летящие от Солнца (этот поток называют солнечным ветром), образуя радиационные пояса. Присутствие в таких областях незащищенного специальными средствами живого существа было бы для последнего губительным. Для космических аппаратов такая обстановка создает большие проблемы. Магнитное поле мешает работать приборам, и само по себе, и захваченными им частицами. С этим часто сталкиваются в настоящее время. Поле Юпитера очень сильно. «Галилео», при изучении атмосферы планеты, обнаружил радиационный пояс, приблизительно в 10 раз мощнее земного, между кольцом Юпитера и самыми верхними атмосферными слоями.

Исследования Юпитера

Изучать планеты-гиганты с помощью космической техники начали на десятилетие позже, чем планеты земной группы. 3 марта 1972 г. с Земли стартовал американский космический аппарат «Пионер-10». Через 6 месяцев полёта аппарат успешно миновал пояс астероидов и ещё через 15 месяцев достиг окрестностей Юпитера, пройдя на расстоянии 130 300 км от него в декабре 1973 г. С помощью оригинального фотополяриметра получено 340 снимков облачного покрова Юпитера и поверхностей четырёх самых крупных спутников: Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто. Помимо Большого Красного Пятна, размеры которого превышают диаметр нашей планеты, обнаружено белое пятно поперечником более 10 тыс. километров. Инфракрасный радиометр показал, что температура внешнего облачного покрова составляет 133 К. Было обнаружено также, что Юпитер излучает в 1,6 раза больше тепла, чем получает от Солнца; уточнена масса планеты и спутника Ио. Исследования показали, что Юпитер обладает мощным магнитным полем; также была зарегистрирована зона с интенсивной радиацией (в 10 тыс. раз больше, чем в околоземных радиационных поясах) на расстоянии 177 тыс. километров от планеты. Притяжение Юпитера сильно изменило траекторию полёта аппарата. «Пионер-10» начал двигаться по касательной к орбите Юпитера, удаляясь от Земли почти по прямой. Интересно, что шлейф магнитосферы Юпитера был обнаружен за пределами орбиты Сатурна. В 1987 г. «Пионер-10» вышел за границы Солнечной системы. Трасса «Пионера-11», пролетевшего на расстоянии 43 тыс. километров от Юпитера в декабре 1974 г., была рассчитана иначе. Он прошёл между поясами и самой планетой, не получив опасной дозы радиации. На этом аппарате были установлены те же приборы, что и на предыдущем. Анализ цветных изображений облачного слоя, полученных фотополяриметром, позволил выявить особенности и структуру облаков. Их высота оказалась различной в полосах и расположенных между ними зонах. Согласно исследованиям «Пионера-11», светлые зоны и Большое Красное Пятно характеризуются восходящими течениями в атмосфере. Облака в них расположены выше, чем в соседних областях полос, и здесь холоднее. Притяжение Юпитера развернуло «Пионер-11» почти на 180°. После нескольких коррекций траектории полёта он пересёк орбиту Сатурна недалеко от самой планеты. Уникальное взаимное расположение Земли и планет-гигантов с 1976 по 1978 г. было использовано для последовательного изучения этих планет. Под влиянием полей тяготения космические аппараты смогли переходить с трассы полёта от Юпитера к Сатурну, затем к Урану и Нептуну. Без использования гравитационных полей промежуточный планет полёт к Урану занял бы 16 лет вместо 9, а к Нептуну - 20 лет вместо 12. В 1977 г. в длительное путешествие отправились аппараты «Вояджер-1» и Вояджер-2», причём «Вояджер-2» был запущен раньше, 20 августа 1977 г., по «медленной» траектории, а «Вояджер-1» - 5 сентября 1977 г. по «быстрой». «Вояджер-1» совершил пролёт около Юпитера в марте 1979 г., а «Вояджер-2» прошёл мимо гиганта на четыре месяца позже. Они передали на Землю снимки облачного покрова Юпитера и поверхностей ближайших спутников с удивительными подробностями. Атмосферные массы красного, оранжевого, жёлтого, коричневого и синего цветов постоянно перемещались. Полосы вихревых потоков захватывали друг друга, то сужаясь, то расширяясь. Скорость перемещения облаков оказалась равной 11 км/с. Большое Красное Пятно вращалось против часовой стрелки и делало полный оборот за 6 ч. «Вояджер-1» впервые показал, что у Юпитера имеется система бледных колец, расположенных на расстоянии 57 тыс. километров от облачного покрова планеты, а на спутнике Ио действуют восемь вулканов. «Вояджер-2» сообщил спустя несколько месяцев, что шесть из них продолжают активно действовать. Фотографии других галилеевых спутников - Европы, Ганимеда и Каллисто - показали, что их поверхности резко отличаются друг от друга. Американский космический аппарат «Галилео», доставленный на околоземную орбиту в грузовом отсеке корабля многоразового использования «Атлантис», представлял собой аппарат нового поколения для исследования химического состава и физических характеристик Юпитера, а также для более детального фотографирования его спутников. Аппарат состоял из орбитального модуля для длительных наблюдений и специального зонда, который должен был проникнуть в атмосферу планеты. Траектория полета «Галилео» была довольно сложной. Сначала аппарат направился к Венере, мимо которой прошёл в феврале 1990 г. Затем по новой траектории в декабре он вернулся к Земле. Были переданы многочисленные фотографии Венеры, Земли и Луны.

Рис. 12. Юпитер и его Спутники Юпитер и три из четырех его самых больших спутников, засняты с расстояния в 28.4 миллионов километров орбитальной станцией «Вояджер-1» в 1979 году. Самый ближний к Юпитеру спутник Ио может быть замечен напротив диска Юпитера. Справа – спутник Европа, снизу - Каллисто. Все три спутника облетают по орбите Юпитер в экваториальной плоскости и всегда повернуты одной и тоже стороной к Юпитеру. Заметно также известное Большое Красное Пятно	Рис. 13. Юпитер с борта космического зонда «Кассини».

В октябре 1991 г., проходя через пояс астероидов, аппарат сфотографировал малую планету Гаспра. Вернувшись к Земле второй раз в декабре 1992 г. и получив новое ускорение, он устремился к основной цели своего путешествия - Юпитеру. Оказавшись в августе 1993 г. снова в поясе астероидов, он сфотографировал ещё одну малую планету, Иду. Спустя два года «Галилео» достиг окрестностей Юпитера. По команде с Земли от него отделился спускаемый зонд и в течение пяти месяцев совершал самостоятельный полёт к границам атмосферы Юпитера со скоростью 45 км/с. За счёт сопротивления её верхних слоев в течение двух минут скорость снизилась до нескольких сот метров в секунду. При этом перегрузки превосходили земную силу тяжести в 230 раз. Аппарат проник в атмосферу на глубину 156 км и функционировал в течение 57 мин. Данные об атмосфере ретранслировались через основной блок «Галилео».

Спутники Юпитера:

Ио

Исследователь	Galileo (S.Marius?)
Год открытия	1610
Орбита	421 600 км от Юпитера
Длительность суток	1.769 дня
Наклон орбиты	0.04 градуса
Радиус	1815 км
Масса	8.933•1022 кг
Плотность	3.533 г/см3
Эксцентриситет орбиты	0,004

Ио - третий по величине и ближайший спутник Юпитера. Ио немного больше, чем Луна - спутник Земли. Ио была первой возлюбленной Зевса (Юпитера), которую он превратил в корову, чтобы попытаться скрыть от ревнивой Геры. Ио открыли Галилей и Мариус в 1610 году.

Рис. 14. Общий снимок Ио. Истинное цветное изображение Ио сделанное Орбитальным аппаратом Galileo. Поверхность - имеет мягкий, желтый оттенок с черными, коричневыми, зелеными, оранжевыми и красными областями, соответствующими активным вулканическим центрам. Солнце освещает изображение из-за камеры, что помогает восприятию цветных вариации. Разрешающая способность - 1.3 километров на пиксель. Некоторые из вулканических центров имеют яркие и цветные потоки лавы, которые состоят из потоков серы.

В отличие от большинства спутников во внешней солнечной системе Ио и Европа подобны по составу пла- нетам земной группы, прежде всего

наличием силикатных горных пород. Последние данные со спутника «Галилео» показывают, что Ио имеет железное ядро (возможно, смесь железа с сульфидом железа) радиусом по крайней мере 900 км.

Поверхность Ио радикально отличается от поверхности любого другого тела Солнечной системы. Это было совершенно неожиданным открытием, сделанным учеными с помощью корабля «Вояджер». Они ожидали увидеть поверхность, покрытую кратерами, как на других телах с твердой поверхностью, и оценить по ним возраст поверхности Ио. Но на Ио найдено очень мало кратеров, следовательно, его поверхность очень молода. Вместо кратеров «Вояджер-1» обнаружил сотни вулканов. Некоторые из них активны! Фотографии извержений с факелами высотой 300 км были переданы на Землю кораблями «Вояджером» и «Галилео».

Рис. 15. Изображение Ио над Юпитером Изображение Ио над Юпитером было получено 1 января 2001 года. Расстояние между Ио и верхним слоем облаков Юпитера составляет 2,5 диаметра Юпитера.

Это было первое реальное доказательство того, что ядра других тел земной группы также горячи и активны. Материал, прорывающийся из вулканов Ио, является некоторой разновидностью серы или двуокиси серы. Вулканические извержения быстро изменяются. Только за четыре месяца, прошедшие между полетами «Вояджер-1» и «Вояджер-2», некоторые из вулканов перестали действовать, но появились другие.

Рис. 16. Различия в снимках «Вояджера» и «Галилео» Сравнение между изображениями Ио, сделанные «Вояджером» (слева) и «Галилео» (справа), показывает различия между ними. Наиболее очевидная разность - улучшенная разрешающая способность в снимках Galileo. Другие различия между двумя изображениями - в вулканическом действии, которое произошло в 1917 годах.

Изображения с «Галилео» также показывают много изменений со времени полета Вояджеров. Эти наблюдения подтверждают, что поверхность Ио действительно очень активна. Ландшафты Ио удивительно разнообразны: котлованы глубиной до нескольких километров, озера расплавленной серы, горы, которые не являются вулканами, потоки из какой-то вязкой жидкости (некая разновидность серы?), тянущиеся на сотни километров, и вулканические жерла. Сера и серосодержащие смеси дают широкий диапазон цветов, которые наблюдаются на снимках Ио. Анализ снимков, полученных Вояджером, приводил ученых к предположению о том, что потоки лавы на поверхности Ио состоят главным образом из расплавленной серы с различными примесями. Однако последовательные наземные инфракрасные исследования указывают, что они слишком горячи для того, чтобы быть жидкой серой. Одна из идей по этому поводу состоит в том, что лава на Ио является расплавленной силикатной горной породой. Недавние наблюдения указывают, что это вещество может содержать натрий. Некоторые из самых горячих пятен на Ио достигают температур 1500 K, хотя средняя температура намного ниже, приблизительно 130 K. Энергию для всей этой активности Ио, возможно, получает благодаря приливным взаимодействиям с Европой, Ганимедом и Юпитером. Хотя Ио, подобно Луне, всегда повернута одной и той же стороной к Юпитеру, все же влияние Европы и Ганимеда вызывает небольшие колебания. Эти колебания вытягивают и изгибают поверхность Ио на целых 100 метров и генерируют теплоту, в результате чего поверхность нагревается. Ио пересекает линии магнитного поля Юпитера, генерируя электрический ток. Хотя он мал по сравнению с приливным нагревом, этот ток может нести более чем 1 триллион Вт. Недавние данные с «Галилео» указывают, что Ио может иметь собственное магнитное поле, как Ганимед. На Ио очень разряженная атмосфера, состоящая из двуокиси серы и, возможно, некоторых других газов. В отличие от других спутников Юпитера, на Ио очень мало или вообще нет воды. Согласно последним данным космического корабля «Галилео» вулканы на Ио очень горячи и включают в себя незнакомые ингредиенты. Спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, установленный на «Галилео», обнаружил чрезвычайно высокие температуры внутри вулканов. Они оказались намного выше, чем считалось ранее. Спектрометр способен обнаруживать тепло вулкана и указывать расположение различных материалов на поверхности Ио. Внутри вулкана Пеле (Pele), названного по имени мифологической Полинезийской богини огня, температура намного выше температуры внутри любого из вулканов на Земле - она составляет около 1500° С. Возможно, что миллиарды лет назад вулканы на Земле были такими же горячими. Теперь ученых интересует следующий вопрос: все ли вулканы на Ио извергают такую горячую лаву, или большинство вулканов подобны базальтовым вулканам на Земле, которые выбрасывают лаву с более низкими температурами - около 1200° С? Еще до того, как «Галилео» подлетел близко к Ио в конце 1999 - начале 2000 года, было известно, что на Ио есть два больших вулкана с очень высокой температурой. Теперь же «Галилео» обнаружил, что на Ио существует больше высокотемпературных районов, чем показывали отдаленные наблюдения. Это означало, что на Ио могут быть и намного меньшие вулканы с очень горячей лавой. Один из наиболее активных вулканов на Ио - вулкан Прометей. Его выбросы газа и пыли были зафиксированы и ранее космическим кораблем «Вояджер», и теперь – «Галилео». Вулкан окружен кольцом яркой двуокиси серы.

Рис. 17. Ио - снимок вулкана Прометей
Ио имеет твердое металлическое ядро, окруженное каменной мантией, как у Земли. Но под действием гравитации Луны форма Земли искажается слабо.	Рис. 18. Ио - факела из области Masubi Факел газа и частиц выброшен приблизительно на 100 км над поверхностью Ио. Причина - вулканическое действие около области Masubi. Этот факел наблюдался еще «Вояджером-1» в 1979 году

А вот форма Ио под влиянием Юпитера искажается гораздо сильнее. Фактически, Ио постоянно имеет овальную форму из-за вращения и приливного влияния Юпитера. Корабль «Галилео» измерил полярную гравитацию Ио, когда облетал его в мае 1999 года. При известном гравитационном поле можно определить внутреннюю структуру Ио. Взаимосвязь между полярной и экваториальной гравитацией показывает, что Ио имеет большое металлическое ядро, по большей части железное. Металлическое ядро Земли генерирует магнитное поле. Пока не известно, генерирует ли металлическое ядро Ио свое магнитное поле. Европа

Исследователь	Galileo (S.Marius?)
Год открытия	1610
Орбита	670 900 км от Юпитера
Длительность суток	3.551 дня
Наклон орбиты	0.47 градуса
Радиус	1569 км
Масса	4.8•1022 кг
Плотность	2.97 г/см3
Эксцентриситет орбиты	0,009

	Рис. 19. Европа Комбинация снимков с Орбитального аппарата «Галилео» была объединена, чтобы создать снимок с высоким разрешением. Изображение объединило 12 изображений с разрешающей способностью 1 км на пиксель с более низким разрешением - от 7 до 13 км на пиксель. Заметны и особенности поверхности - трещины в корке льда и в других областях, которые возможно были вызваны временами года

Рис. 20. Естественные и фильтрованные цвета Европы Левый снимок показал естественный цвет Европы. Правое изображение показывает в цвете различия в корке льда на Европе. Темные коричневые области представляют скалистый материал, который заметен из-за случаев столкновения с другими объектами. Яркие полярные области показанные в оттенках синих, чтобы
показать различия между крупнозернистым (темно-синим) и мелкозернистым льдом (ярко-синий). Яркая область в правой части – молодой кратер 50 км в диаметре.

Рис. 21. Кратер Pwyll на Европе Здесь показан перспективный снимок кратера Pwyll на поверхности Европа. Это моделируемый снимок сделан с юго-запада под углом в 45°. Цветом показаны различные уровни высот, синим самые низкие, красным самые высокие. Pwyll имеет размер приблизительно 26 км поперек. Это - необычный кратер, потому что его дно имеет ту же высоту, что и окружающий пейзаж. Его центральный пик приблизительно на 600 м выше окружающего края.

Рис. 22. Модель подслоев Европы Юпитерская луна Европа имеет почти тот же самый размер как наша собственная луна. Что находится ниже льда все еще является тайной, хотя диаграммы показавают две возможных теории. Первая модель говорит, что под уровнем льда может существовать более теплые слои. Альтернативная теория говорит, что теплый жидкий океан может располагаться на глубину до 100 км ниже 15 км корки льда. Если бы такой объем воды существовал или в жидкой форме или в форме льда, то это содержало бы вдвое больше воды чем в океанах и реках на Земле.

Ганимед

Исследователь	Galileo (S.Marius?)
Год открытия	1610
Орбита	1 070 000 км от Юпитера
Длительность суток	7.155 дня
Наклон орбиты	0.21 градуса
Радиус	2634 км
Масса	1.48•1023 кг
Плотность	1.94 г/см3
Эксцентриситет орбиты	0,002

Страницы: 1, 2, 3