Что внутри Юпитера

Что внутри Юпитера Юпитер

Сегодня затронем интересную тему, что внутри Юпитера и, главное, откуда мы это знаем. 99,8% массы нашей Солнечной системы сосредоточена в её единственной звезде. Соответственно все планеты, спутники, карликовые планеты, астероиды и кометы — это лишь 0,2%. При этом значительная часть оставшейся массы сосредоточенно всего в одной планете. Юпитер в 318 раз массивнее Земли и в два с половиной раза массивнее всех планет Солнечной системы, вместе взятых. Фотографий Юпитера огромное множество, сделанных непосредственно с орбиты космическими аппаратами и крупными известными телескопами.
Да что там, даже вы сами при наличии телескопа, нужного оборудования и необходимых навыков, можете получить снимок Юпитера. А ещё наверняка вы видели изображения, на которых показана внутренняя структура планеты-гиганта. Ну и может возникнуть справедливый вопрос, откуда мы это знаем. Вопрос действительно интересный.

Мы уже писали о том, откуда мы знаем внутреннюю структуру Земли. Но в случае с нашей планетой другой, ну мы хотя бы находимся непосредственно на ней. И мы можем измерять распространение сейсмических волн через планету, что позволяет получить нам немало информации о том, что находится глубоко под поверхностью, и даже в самом центре. Хотя это не единственный метод и источник информации.
Но Юпитер посещали лишь несколько космических аппаратов, Пионеры 10 и 11, «Вояджеры», «Кассинии» и «Новые Горизонты» пролетали мимо, хоть и успели за это время получить какое-то количество информации. И лишь два аппарата изучали Юпитер, находясь на его орбите, долгое время, «Галилео» в прошлом и «Юнона» занимается этим прямо сейчас. Ну так откуда мы это знаем, давайте разбираться.

Модель внутренней структуры Юпитера: под облаками — слой смеси водорода и гелия толщиной около 21 тыс. км с плавным переходом от газообразной к жидкой фазе, затем — слой жидкого и металлического водорода глубиной 30—50 тыс. км. Внутри может находиться твёрдое ядро диаметром около 20 тыс. км
Модель внутренней структуры Юпитера: под облаками — слой смеси водорода и гелия толщиной около 21 тыс. км с плавным переходом от газообразной к жидкой фазе, затем — слой жидкого и металлического водорода глубиной 30—50 тыс. км. Внутри может находиться твёрдое ядро диаметром около 20 тыс. км

Мы знаем и не знаем

Так откуда мы знаем, что внутри Юпитера. Мы не знаем, ну а, точнее, мы не знаем этого на 100%. Изображение, которое было выше это одна из версий. И эти версии могут немного отличаться. Основаны они на разных моделях, однако всё же есть определённое представление, которое основано на вполне конкретных аргументах. А ещё наше понимание внутреннего устройства Юпитера постоянно меняется по мере получения новых данных. Та же миссия «Юнона», изучающая Юпитер, сейчас немало изменили наше представление о планете, но об этом ещё скажем.

Из чего состоит Юпитер

Но давайте сначала вернёмся к этой картинке. Мы знаем, что по составу Юпитер очень похож на Солнце, правда, непосредственно химический состав мы можем измерить только у верхних слоёв атмосферы.

Примерно на 90% оно состоит из водорода и на 10 из гелия, плюс присутствуют небольшие примеси других элементов. Общее представление о строении Юпитера примерно следующая.

Сверху идёт погодный слой, по мере возрастания глубины, а значит давление, газ постепенно переходит в жидкую фазу. Иногда об этой области говорят, как о самом большом океане в Солнечной системе, который, правда, состоит из жидкого водорода.

Затем слой жидкого металлического водорода и в самом центре предположительно твёрдое ядро состоящая из более тяжёлых элементов.

Но во всём этом есть некоторые неопределённости, часть из которых прямо сейчас помогает уточнить «Юнона» и одна из самых значительных неопределённостей, есть ли у Юпитера вообще ядро, не слабая такая неопределённость. Есть предположение, что оно вообще отсутствует или оно было, но затем уменьшилась или исчезла под воздействием горячего жидкого металлического водорода и зависит это в том числе и оттого, как планета сформировалась.

Версии, как сформировался Юпитер

Одна из основных версий предполагает, что газовый гигант сформировался сначала как твёрдое ядро. А потом уже став достаточно массивным, собрал путём аккреции, основную часть оставшегося вещества, которое не досталось Солнцу. Такая модель требует наличия твёрдого ядра, по крайней мере, изначально.
Другая же популярная модель формирования газовых гигантов, модель нестабильности диска не требует ядра. Согласно этой версии, Юпитер мог сформироваться, когда из-за неоднородности протопланетный диск под действием гравитации, разделился на фрагменты и вот такой фрагмент уже стал планетой.
Однако не исключено, что и при таком сценарии, какое-то ядро могло возникнуть, когда более тяжёлые элементы опустились к центру планеты. И мы пока не знаем, какая из этих версий верна.

Методы получения информации

Давайте перейдём к более конкретным, косвенным и даже прямым, методам получения информации о внутреннем строении Юпитера.

О том, что Юпитер эта планета без твёрдой в привычном нам понимании поверхностей мы знаем достаточно давно. Ещё в 1690 году Джованни Коссине наблюдая за Юпитером, заметил дифференциальное вращение планеты. Давайте возьмём твёрдое тело вроде Луны или Земли и посмотрим на их вращение вокруг своей оси. И очевидно, что угловая скорость области на экваторе и скажем регион намного ближе к полюсу одинаковые. То есть оба пояса совершают один оборот за тот же промежуток времени. Отличается линейная скорость, когда разные части объекта, если говорить о планете на разных широтах вращаются с разной угловой скоростью вокруг оси — это называют дифференциальным вращением. И она, как правило, свойственно не твёрдым телам, а газообразном и жидким. Дифференциальное вращение характерно для звёзд и газовых планет.

Ещё об отсутствии твёрдой поверхности мы можем судить по атмосферным явлениям, которые существуют долгие годы. Самый яркий пример гигантский шторм, большое красное пятно, которое существует, по крайней мере, 300 с лишним лет, а может быть и больше. На Земле ураганы формируются над океаном и дойдя до материка быстро затухают под действием рельефа.
Далее, чтобы составить хотя бы базовое представление о том, что скрывается внутри Юпитера нам нужно знать.

А — основные физические параметры.

Б – законы физики.

Исходя из этого мы уже можем строить модели.

Как уже говорилось, мы имеем представлению о химическом составе Юпитера, который состоит в основном из водорода и гелия. Учёные изучают состав атмосферы планет и звёзд с помощью спектроскопии. Водород и гелий вообще два самых распространённых элементов во вселенной и фрагмент гигантского молекулярного облака газа и пыли, из которого, сформировалась наша Солнечная система, тоже состоял в основном из них. Мы знаем химический состав Солнца, которое содержит в себе почти всю массу этого фрагмента, а также мы можем получать спектры и узнавать о составе других туманностей, в которых сейчас идут процессы звездообразования, а также спектры молодых звёзд.

Как узнать массу Юпитера

Далее ещё один важный параметр, который мы можем узнать это масса планеты. Вообще в современных условиях имея такой аппарат на орбите, как «Юнона» при помощи гравитационных измерений это можно сделать достаточно просто. Но можно обойтись и без этого. Давайте-ка посчитаем массу Юпитера прямо сейчас и потом вы сможете сделать это сами и для других планет. В этом нам помогут Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон и наблюдение за спутником Юпитера и свойства его орбиты. А в качестве примера давайте возьмём спутник Ио.

Что внутри Юпитера
Формула для расчёта массы планет по спутникам.

Ньютон уточнил и обобщил третий закон Кеплера, смотрите картинку выше. И вот по этой несложной формуле мы можем посчитать массу планеты, где r — радиус орбиты и T — орбитальный период обращения. А G — это гравитационная постоянная.

Возьмём данные по Ио, расстояние от Юпитера до Ио или орбитальный радиус в километрах нам нужно перевести в метры и для удобства запишем так 4.216 х 108 метра.

А это орбитальный период в днях нам нужно его перевести в секунды и опять же запишем так 1.528 х 105

Ну и гравитационная постоянная 6.67 х 10-11

Подставляем значения считаем и получаем примерно 1.9 х 1027 кг.

А теперь сверимся с базой данной НАСА и вот масса Юпитера, всё сходится. Если вместо Ио мы возьмём, скажем Европу и подставим в формулу её, параметры-то мы получим примерно такое же значение, ну и так далее. Ну и стоит сказать, что масса, которую мы получаем это суммарная масса планеты и спутника, но учитывая, насколько Юпитер массивнее массы спутника можно пренебречь.

Ну а далее зная массу, состав, размер и другие факторы мы уже можем получить хотя бы общее представление об условиях внутри планеты, а, в частности, о давлении. Чем глубже внутрь планеты, тем сильнее давят толщи газа, из которого она состоит. Мы можем посчитать примерно и давление на определённой глубине и сделать выводы о состоянии вещества в таких условиях. Безусловно, сейчас говориться лишь о базовых принципах и очень всё упрощается. Вообще учёные берут большое количество известных с разной степенью точности параметров. Используют законы термодинамики и проводят тысячи компьютерных симуляций в самых разных сценариях, что помогает лучше понять, какой может внутренняя структура планеты.

Ну а некоторые данные учёным удалось получить даже не с орбиты, а непосредственно из атмосферы. Так на аппарате Галилео был установлен спускаемый зонт, который опустился непосредственно в атмосферу и измерял давление и температуру, скорость ветра и так далее. Он передавал данные примерно до глубины в 156 километров и, в конце концов, разрушился. Итак предполагается, что по мере повышения давления, в какой-то момент она становится настолько высоким, что водород принимает особую форму жидкометаллического водорода. Мы уже видели этот слой на схеме. Такое состояние было предсказано теоретически, но ещё это пытаются проверить экспериментально, создавая условия чудовищного давления в лабораториях. Например, в 2017 году в журнале «Science» вышла статья в которой авторы утверждали, что им удалось создать металлический водород при давлении около 500 Гигапаскалей, что почти в пять миллионов раз выше привычного нам атмосферного давления на уровне моря. Препринт ещё одного исследования появился в этом году, правда, стоит сказать, что некоторые учёные сомневаются в результатах этих исследований.

Что вообще представляет собой жидкометаллический водород. После начала газообразного, затем жидкого водорода, примерно на глубине в 20 тысяч километров от поверхности облаков, температура может достигать 10 тысяч градусов Цельсия что выше, чем температура поверхностью Солнца. А давление в миллионы раз превышает атмосферное давление на Земле. В таких условиях водород сжимается настолько, что электроны, можно сказать, отрываются от атомов и за счёт этого, эта жидкость, этот суп из протонов и электронов, может проводить электричество и ведёт себя как металл. Внешне он может напоминать ртуть. Кроме расчётов, теоретических предсказаний и лабораторных тестов с высоким давлением, которые часто критикует, что ещё указывает на существование этого слоя.

Магнитное поле Юпитера

Магнитное поле Юпитера многократно мощнее магнитного поля Земли. Данные о магнитном поле Юпитера мы получали, например, с помощью магнетометра на борту аппарата Галилео и сейчас их получает Юнона. Поскольку, очевидно, что в условиях высокой температуры в недрах Юпитера не может существовать постоянного магнита. Магнитное поле может генерироваться благодаря механизму магнитного динамо, когда быстро вращается некий слой электропроводящей жидкости или газа. Но в случае с Юпитером, состоящим в основном из водорода в условиях таких температур и такого высокого давления на роль этого слоя по современным представлениям лучше всего подходит слой жидкометаллического водорода. А уже детальные магнитные измерения и изучение данных помогает учёным узнать подробности. Свежие данные аппарата Юнона ещё показали, что магнитное поле планеты не такое однородное и это может говорить о том, что, по крайней мере, часть его образуется не только в слой жидкометаллического водорода, но и над ним, например. Такое, возможно, при наличии ионизированного газа. Если спускаемый зонд Галилео опустился примерно на 150 километров вглубь атмосферы, то Юнона нам хоть с орбиты, но может заглянуть намного глубже на несколько сотен километров в глубину. Делает она это с помощью микроволнового радиометра, работающего на 6 разных каналах.

До Юноны предполагалось, что структура есть в верхней части атмосферы, где конденсируется вода и аммиак и формируются облака. А ниже уже всё выглядит более или менее однородно. Но когда учёные заглянули на несколько сотен километров под поверхность с помощью радиометра, их ждал сюрприз. Оказалось, что определённая структура наблюдается так глубоко, насколько способен заглянуть инструмент.

Но ещё, конечно, остаются гравитационные измерения. Это способ, который позволяет узнать о распределении массы, а следом о внутренней структуре. Если говорить о Земле и Луне, современный способ измерения гравитационного поля, это, например, такие миссии как GRACE для Земли или GRAL для Луны.  GRACE или миссия преемник GRACE-FO состоят из двух идентичных спутников на орбите Земли, между которыми всего двести двадцать километров. Они постоянно обмениваются микроволновыми сигналами и когда аппарат идущий впереди попадает в область с чуть более сильной гравитации, расстояние между спутниками меняется и это регистрируется, так создаются вот такие подробные карты гравитационного поля. Но в случае с Юноной у нас лишь один аппарат и здесь приходится действовать чуть иначе. На борту Юноны установлен инструмент GRAVITY. Измерение происходит следующим образом. Аппарат передаёт на Землю радиосигналы, для этого ему нужно поворачиваться антенной к Земле. Поэтому гравитационное измерение производится не постоянно.

Неравномерности в распределении массы в Юпитере, а значит и неравномерности в гравитационном поле будут влиять на аппарат немного, изменяя его скорость. И это изменение скорости связанная с гравитацией можно зафиксировать благодаря эффекту Доплера. В сигнале отправляемым на Землю будет небольшое допплеровское смещение. Таким образом, постепенно составляется карта гравитационного поля планеты.

Но сейчас мы не будем вдаваться в подробности того, как описывают гравитационное поле планет с помощью сферических функций или гармоник, в том числе благодаря тому, что Юнона делает гравитационные измерения очень низко на высоте всего в несколько тысяч километров, ранее известные параметры удалось уточнить, в некоторых случаях на несколько порядков. А также удалось получить новые параметры. И что же это позволило узнать. Ну, например, то, что пояса и зоны Юпитера в глубину уходят аж на 3 тысячи километров.

А глубже остальная часть планеты вращается уже не дифференциально, а скорее подобно твёрдому телу, хоть им и не является. Что касается ядра, то по данным Юноны, оно всё же есть.

А что ещё интереснее, появилась новая версия, которая лучше подходит под полученные данные, чем просто компактное ядро из тяжёлых элементов с чёткой границей. Эта модель растворенного ядра. Более привычное твёрдое ядро в самом центре, а выше тяжёлые элементы, уже не в виде твёрдого тела, а скорее смешиваются со следующим слоем. Как было сказано в начале статьи, мы по-прежнему не знаем на 100%, что находится внутри Юпитера, но по мере получения новых данных, всё больше сокращаем погрешности. Совершенствуем модели и улучшаем понимание структуры гиганта нашей Солнечной системы. А поскольку Юпитер является значительной частью нашей Солнечной системы и сыграл важную роль в её эволюции, это делает лучше и понимать нашей системы в целом и в частности, что внутри Юпитера.

Оцените статью
Добавить комментарий