Галилеевы спутники Юпитера

Из 16 спутников эти – самые крупные, почти планеты. Ганимед, например, даже больше Меркурия. По фотографиям поверхности спутников и по их средней плотности ясно видно, что они сложены твердым каменным материалом. Более того, на Ио в 1979 г. два космических аппарата «Вояджер» обнаружили 8(!) действующих вулканов, газовые выбросы которых поднимались на сотни километров. Средняя плотность Ио равна средней плотности Луны. Силикатный состав пород спутника не вызывает в свете сказанного сомнений. На Европе и Ганимеде обнаружена мощная ледяная кора. Об этом свидетельствует сравнительно невысокая плотность их вещества – порядка 2 г/см³. Аналогичное строение имеет Каллисто. Все спутники, подобно Луне, повернуты одной стороной к Юпитеру после мощного приливного торможения со стороны могущественной планеты.

Из приведенного следует, что гигантские планеты-спутники Юпитера имеют силикатное строение, прошли в своей эволюции полный процесс криогенеза (вариант земной океанизации при дефиците солнечного тепла, когда выносимая на поверхность вода не разливается океаном, а замерзает в виде многокилометровых покровов), а на Ио этот процесс еще идет самым активным образом. Как же в этом случае согласовать постулируемый газовый (да еще представленный легчайшим водородом и гелием) состав центрального тела, т.е. Юпитера, с каменным (силикатным) составом его спутников? Ведь аккреция происходила из материнского облака одного и того же состава и для спутников, и для планеты. Думается, что в рамках водородной концепции такое противоречие представляется неразрешимым.

Немало исследователей находятся в плену математических символов уравнений состояний и рассчитанных на их основе физических моделей для различных элементов, и в частности для водорода и некоторых простых соединений. Однако при этом часто забывается, что начальные условия задачи заложены априори, решение ищут в виде, удовлетворяющем именно заданным начальным условиям. Иными словами, образ мысли диктует и образ действий. Именно такое положение сложилось, по нашему мнению, с водородной концепцией планет-гигантов.

Если бы первичное вещество представляло собой просто физический объект, характеризующийся только объемом и плотностью, то разнообразие его масс не представляло бы интереса, так как в них действовали бы только гравитационные силы сжатия. Но протовещество – это еще и химический объект, который при определенных термодинамических условиях обладает высоким химическим потенциалом. Поэтому крупные агломерации вещества превращаются в физико-химическую систему, в которой осуществляется запуск термохимических реакций и возможно дальнейшее преобразование протовещества.

Нетрудно заметить, что водородная модель планет-гигантов химически инертна, раз и навсегда сформирована в процессе создания и не имеет эволюционных перспектив.

Сатурн

Это вторая по своим размерам и массе после Юпитера планета в Солнечной системе. Ее масса – 5,68Ч10²⁹ г, радиус – 60400 км (с атмосферой), радиус твердого тела планеты (Кесарев, 1976) – 20765 км. Средняя плотность, рассчитываемая по видимому радиусу, имеет неправдоподобно низкое значение – 0,7 г/см³, без атмосферы – 5,85 г/см³. Толщина атмосферного слоя несколько выше, чем у Юпитера, – 37000 км.

Гелиоцентрическое расстояние Сатурна – 1427 млн. км, период обращения на орбите (тропический год) – 29,5 земных лет, скорость вращения вокруг оси высока – 10 часов 14 минут, наклон оси к плоскости орбиты почти такой же, как у Земли, – 26°. У Сатурна 17 спутников, среди них спутник-гигант Титан, имеющий самый большой диаметр – 5800 км. Другой интересной особенностью этой планеты является существование кольца, расположенного выше облачного слоя атмосферы (рис. 100). Наружный диаметр кольца – 274000 км, что почти вдвое больше диаметра Юпитера. Толщина кольца не превышает 2 км. При полете в сентябре 1979 г. вблизи Сатурна американской космической станции «Пио­нер-II» были проведены наблюдения колец, облачности планеты и поверхности спутников. Оказалось, что кольцо Сатурна состоит из системы колец, находящихся на различных расстояниях друг от друга. Вещество колец представлено твердыми обломками, скорее всего силикатных пород и ледяных глыб, размером от пылинок до нескольких метров. Природа колец не вполне ясна. Можно предположить, что это остатки разрушившихся при столкновении астероидов, захваченных в орбиту Сатурна. Не исключено, что это может быть материал выбросов взрывного вулканизма. Общая масса вещества колец оценивается в 0,01 массы Луны.

Магнитное поле Сатурна почти в два раза меньше по напряженности земного – 21000 нТ на экваторе. Однако ось диполя почти точно совпадает с осью вращения планеты. Магнитный момент равен 4,6×10²⁵ А×м². Столь небольшое для планеты-гиганта поле является загадкой. Одно из объяснений этому феномену мы видим в том, что поле в настоящее время находится в состоянии инверсии. В этом случае его напряженность, как известно, падает до 20% номинального значения. Однако даже в случае принятия этой гипотезы полное поле Сатурна будет лишь ненамного больше земного. Но вопрос осложняется тем, что и у Урана магнитное поле тоже незначительное, хотя и немного больше, чем у Сатурна (25000 нТ на магнитном экваторе). Напомним, что у Земли напряженность поля на экваторе равна 31000 нТ.

Полярность поля Сатурна (как и Урана) противоположна полярности Земли. Говорить о редуцировании магнитоактивных зон внешних ядер этих планет не приходится – обе они, судя по их мощным атмосферам и массам, пребывают в максимуме геологической и внутренней активности. Можно выдвинуть еще одно предположение в рамках, конечно, концепции не водородного, а силикатного состава твердых тел планет – о значительном уменьшении напряженности солнечного полоидального поля на столь больших гелиоцентрических расстояниях. В результате эффективность работы магнитного гидродинамо со слабым внешним полем будет падать. Образно говоря, если бы на орбите Земли происходила накрутка каната, то на орбитах Сатурна, Урана, Нептуна накручивалась бы паутина. Это обусловлено эффектом геометрического расхождения, при котором по мере удаления от источника происходит расширение сечения трубок магнитных силовых линий и уменьшение напряженности, приходящейся на единицу сечения трубки.

Решение проблемы слабых магнитных полей планет-гигантов за орбитой Юпитера приблизит нас к решению проблемы их внутреннего строения.

До 1980 г. у Сатурна было известно 10 спутников. После пролета в 1980 г. «Вояджера» было открыто еще 7.

Самый далекий их них – Феба (диаметр 300 км) – находится в 13 млн. км от планеты и обращается вокруг нее за 550 дней. Самый близкий – Мимас (диаметр 400 км) – находится на расстоянии 185400 км и делает полный оборот за 22,6 часа. Этот спутник вращается внутри колец Сатурна, влияя на их движение, причем движется он в обратном направлении – навстречу вращению планеты. На самом большом спутнике Сатурна – Титане – обнаружена достаточно плотная атмосфера, а поверхность покрыта льдом, что свидетельствует о его былой геологической активности. Ледяные поверхности наблюдаются и на других крупных спутниках – Рея (диаметр 1500 км), Диона (диаметр 800 км), Тефия (диаметр 1000 км). Лед может быть водного состава, а также метанового и аммиачного. Последние газы, вероятнее всего, конденсационного происхождения, водный – эндогенного.

Поверхность Мимаса разбита гигантским кратером диаметром 130 км (при общем диаметре спутника 400 км). По средней плотности и внешнему виду поверхности все спутники Сатурна так же, как и Юпитера, имеют силикатный состав. Это еще раз подтверждает рассмотренные выше соображения об аналогичном составе и материнской планеты.

Уран

Еще недавно наши знания об этой планете были весьма ограничены. Но после пролета около Урана автоматической станции «Вояд­жер‑2» в январе 1986 г. стали известны новые факты о строении этой отдаленной от Солнца на 2869 млн. км планеты (рис. 101). Ее период обращения – 84 земных года, осевая скорость – 10 часов 49 минут, средняя плотность с атмосферой – 1,35 г/см³, твердого тела планеты, имеющей, по расчетам Кесарева (1976), радиус 15580 км, – 5,55 г/см³. Мощность атмосферы – 8520 км. Масса планеты – 84,9Ч10²⁷ г.

До пролета «Вояд­жера-2» по наб­­людениям с Зем­ли у Урана было известно пять неболь­ших спутников: Оберон, Титания, Умбриэль, Ариэль, Миранда, диаметр которых – от 480 до 1500 км.

«Вояджером» было обнаружено еще 10 спутников. Все они имеют маленький диаметр – от 16 до 160 км – и являются, скорее всего, астероидами, захваченными гравитационным полем Урана при сближение с его орбитой.

Ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты – отклонена от вертикали на 98°. Планета как бы лежит на своей орбите. Как уже отмечалось, Уран обладает магнитным полем, напряженность которого немного меньше поля Земли и составляет около 25000 нТ на магнитном экваторе. Причины столь небольшого для планет-гигантов поля мы уже обсуждали. Они распространяются и на Уран.

В пределах магнитосферы располагаются орбиты трех больших спутников – Миранды (рис. 102), Ариэля (рис. 103) и Умбриэля (рис. 104), которые создают возмущения в структуре поля планеты.

В плотной атмосфере Урана обнаружены, как и у Юпитера и Сатурна, кольцевые образования, пятна, вихри, струйные течения. Направление ветров совпадает с вращением планеты, причем в высоких широтах оно сильнее. Возможно, это связано с аномальным наклоном оси вращения. Как и в атмосфере других планет, в том числе и Земли, обнаружена корона атомарного водорода над слоем молекулярного водорода. Температура ее на освещенной стороне ‑750 К, на ночной ‑1000 К. Напомним, что температура протоносферы Земли выше из-за значительно большей энергии солнечного ветра +1400 – 1600 К. Зеленовато-голубой цвет атмосферы Урана может быть обусловлен наличием радикалов ОН^-1, образующихся при разложении молекулы воды ультрафиолетовым солнечным излучением по реакции: Н₂О + + hf ® Н⁺ + Н^-, где h – кванты энергии с частотой излучения f. Это значит, что в нижних слоях атмосферы может присутствовать молекулярная вода. Содержание гелия в атмосфере составило 15%. В глубине атмосферы обнаружены метановые облака. Таким образом, наблюдается принципиальное сходство состава верхних слоев атмосфер планет-гигантов. Это атмосфера, слабо эволюционировавшая в сравнении с атмосферой Земли. Она, скорее всего, отвечает составу ранней атмосферы нашей планеты и ничего не говорит об исключительности строения твердого тела планет-гигантов.

Подтверждением этому является строение колец и спутников Урана. Всего обнаружено 10 колец – шириной от нескольких сот метров до нескольких километров – белого и зелено-голубого цветов. Большинство частиц в кольцах имеет в поперечнике 1 м и более. Материал колец темный – отражает всего 2,5% света. Внутри колец движутся каменные глыбы неправильной формы радиусом 8 – 12 км, названные спутниками-пастухами. Вероятно, это астероиды. При столкновении некоторых из них со спутниками или друг с другом и возникли кольца Урана. Фотографии крупных спутников планеты показывают их шарообразную форму. Следовательно, это тела, испытавшие гравитационную организацию вещества и сжатие в ходе вращения. Поверхность этих спутников, по всей вероятности, покрыта льдом (см. рис. 102, 103, 104). Низы ледяной коры вполне могут состоять из водного льда. Давление в крупных астероидах и спутниках планет при исходной плотности вещества 3,6 г/см³ возрастает по линейному закону, что обеспечивает разогрев и частичную фракционную дифференциацию недр (Войткевич, 1979). В ходе этой частичной дифференциации, как мы теперь понимаем – в конечной ее фазе, могут быть произведены некоторые объемы воды, которая при дефиците солнечного тепла немедленно превращается в лед. Следы тектонической деятельности в виде гигантских разломов линейных очертаний хорошо просматриваются на фотографиях Титании, Оберона, Уимбриэля и Ариэля. На маленькой Миранде (r = 241 км) очень выразительные полосы некоторые объясняют ее расколом от удара большого – диаметром до 20 км – метеорита, после которого куски Миранды вновь собрались. Однако не ясно, почему после такого удара обломки Миранды не пополнили кольца Урана. Думается, живописные борозды спутника – касательные удары пролетавших метеоритов.

Нептун

Гелиоцентрическое расстояние Нептуна – 4,5 млрд. км. Период обращения вокруг Солнца – 165 лет. Общий радиус планеты – 22875 км. Радиус твердого тела – 16300 км, мощность атмосферы – 6575 км (Кесарев, 1976). Средняя плотность Нептуна с учетом плотности газовой атмосферы – 2,2 г/см³. Плотность твердого тела планеты – 5,60 г/см³, масса – 101Ч10²⁷ г. Нептун, как все планеты-гиганты, обладает высокой осевой скоростью вращения – 15 часов 8 минут. Ось вращения наклонена к плоскости орбиты под углом 29°. До 1989 г. у Нептуна были известны два спутника: ближний к планете огромный Тритон диаметром 6000 км и дальний – Нереида (диаметр 500 км) (рис. 105). 25 августа 1989 г. «Вояджер-2» в своем беспримерном путешествии к окраине Солнечной системы пролетел в 5 тыс. км от покрывающих планету метановых облаков. При подлете им были обнаружены и сфотографированы шесть новых спутников Нептуна. Крупнейший из них имеет диаметр 420 км. Обнаружено также второе кольцо у планеты, состоящее из обломков камней темного цвета. Пролетев возле Тритона, станция навсегда покинула Солнечную систему.

В верхних слоях атмосферы обнаружены потоки ветра, несущегося со сверхзвуковой скоростью. Это означает, что существуют сильные градиенты температур и давлений в атмосфере, вызванные внутренним нагревом со стороны планеты. Ввиду огромного гелиоцентрического расстояния солнечное тепло здесь, на орбите Нептуна, таких перепадов создать не может. В соответствии с гигантской массой, большей массы Урана, на Нептуне происходят мощные вулканические процессы (рис. 106), которые, вероятно, и создают грандиозные градиенты температур в атмосфере планеты.

Мы мало знаем о Тритоне (рис. 107). Это самый крупный спутник планет Солнечной системы. По своим размерам он больше Меркурия и почти в два раза больше Луны. Тритон движется вокруг своей планеты в обратном направлении, на расстоянии 353600 км. На его поверхности обнаружены ледяные покровы большой мощности, так как геологическая активность Тритона, учитывая его массу, по всей вероятности, завершилась. Финалом ее должна явиться криогенизация.

Орбита Нереиды – это самая вытянутая эллиптическая орбита из всех спутников Солнечной системы. Она проходит на громадном

Рис. 106. Нептун с близкого расстояния на снимке «Вояджер-2».

Большое темное пятно, подобно Красному Пятну Юпитера, возможно,

является проекцией гигантского вулкана

расстоянии от планеты – 5600000 км – и имеет период обращения 360 суток. Есть основания полагать, что в прошлом Нереида имела столкновение с другим космическим объектом, отбросившим ее на такую странную орбиту.

И в заключение обзора несколько слов о Плутоне. Это наиболее удаленная от Солнца планета (5900 млн. км) с периодом обращения 248 лет. Диаметр Плутона, по наблюдениям американского телескопа Хаббла в 1997 г., оценивается в 2320 км, масса – 0,02 земной, плотность – 1г/см³. Однако эти данные могут еще уточняться.

У планеты есть спутник Харон диаметром 1270 км с орбитой 19000 км и периодом обращения 6,3 суток (рис. 108). Плутон имеет очень вытянутую орбиту, которая заходит даже внутрь орбиты

Рис. 107. Тритон с близкого расстояния на снимке «Вояджер-2» (1989 г.)

Нептуна, так что иногда Плутон оказывается бли­же к Солнцу, чем Нептун. Скорость вращения Плутона вокруг оси высокая – 9 часов 17 минут. Его спутник имеет такую же скорость и, следовательно, всегда обращен к нему, подобно Луне, одной стороной. Предполагается, что Плутон – бывший спутник Нептуна. Однако после пролета вблизи Нептуна крупного космического объекта орбита спутника изменилась.