9.1 Юпитер

Полярный радиус Юпитера меньше экваториального на 7%. При экваториальном радиусе 71400 км планета совершает один оборот меньше, чем за 10 часов. Отсюда следует, что каждая точка экватора имеет огромную линейную скорость 45 тыс. км/час. (12,5 км/с). Кроме того, еще в XVII веке знали, что вращение Юпитера отличается от земного. Период вращения на разных широтах различается: на широте 23° он составляет 9 часов 49 минут, а на широте 18° -- 9 часов 56 минут. На поверхности планеты видны полосы, которые по параллелям образуют систему темных и светлых зон. Известная деталь поверхности Юпитера -- большое красное пятно (БКП). Его изучали астрономы всех стран с прошлого века, хотя, как указывает Л.В. Ксанфомалити, наблюдатели его рисовали в журналах еще 300 лет назад.

Сейчас принято считать, что БКП -- это долгоживущий вихрь в атмосфере Юпитера. Наблюдатели отмечают непрерывный, нерегулярный дрейф БКП: невозможно выбрать такую систему координат на Юпитере, чтобы пятно не перемещалось. БКП -- это как бы инородное тело, которое попало между двумя жерновами -- зонами. Дифференциальное вращение этих зон непрерывно заставляет вращаться этот вихрь -- большое красное пятно. Как показали снимки космических аппаратов, границы между зонами "украшают" плюмажи и кружева, окрашенные в разные цвета.

Огромные массы планет гигантов (Юпитер больше Земли по массе в 318 раз) сделали их первую и вторую космические скорости очень большими. У Юпитера первая и вторая космические скорости соответственно равны 41,9 и 52,2 км/с. Это позволило планете удержать водород и гелий -- основной строительный материал во Вселенной.

Как мы уже отмечали, интерес к планетам-гигантам появился очень давно. Еще Галилей наблюдал 4 спутника Юпитера: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Их называют галилеевыми спутниками. Первую модель строения планеты Юпитер можно отнести к Джеффрису (1923-24 гг) Для определения верхней границы плотности планеты Джеффрис использовал неравенство

где -- безразмерный момент инерции планеты, -- поверхностная плотность планеты, -- средняя плотность. Безразмерный момент инерции может быть определен с помощью формулы Радо-Дарвина . Коэффициент определяется из наблюдений за спутниками Юпитера, сжатие для гидростатически равновесной планеты по формуле Клеро равно . Оно также может быть определено и из геометрии равновесной вращающейся планеты.

Джеффрис для плотности поверхности Юпитера получил  г/см, а для Сатурна -- еще меньшую величину 0,4 г/см. Почему так мало? Должны же быть каменистые породы!

Долго считали, что планеты-гиганты состоят из силикатного ядра, водяной оболочки и очень глубокой атмосферы, укутанной облаками. Фесенков В.Г. (1924) высказал мысль, что только водород и гелий могут образовать наружные слои планеты. Но доказательств не было. Американец Вильд (1934) предложил модель Юпитера, состоящую из твердого ядра ( ), оболочки из водяного льда ( ) и наружной оболочки из твердых водорода и гелия. Следовательно, уже тогда эти газы считали основным строительным материалом для планет гигантов. Тем не менее, это еще не была водородной концепция строения планет гигантов. Существенный прогресс был достигнут после того, как была создана теория металлизации водорода "диэлектрик -- металл". Водород переходит в металлическую фазу при давлении превышающем миллион атмосфер, при этом плотность металла составляет приблизительно 1 г/см. Позже Вильд уточнил свою модель. Создание водородно-гелиевой концепции датируют 1951 годом. В ее создании принимали участие как советские, так и западные ученые. Среди них нужно упомянуть Фесенкова В.Г., Масевич А.Г. Мороза В.И. (СССР), Рамзей, Де Маркус (США).

Если предположить, что планета состоит только из водорода и только из гелия, можно построить модель строения планеты и получить кривые зависимости массы от радиуса планеты. Теоретической основой для такого построения служит так называемое уравнение состояния вещества -- зависимость давления от плотности и температуры. В книгах Жаркова В.Н. (Институт физики Земли РАН РФ) приводится графики зависимости массы от радиуса планеты. Точки, принадлежащие Юпитеру и Сатурну, практически лежат на водородной кривой, а точки, принадлежащие Урану и Нептуну -- на гелиевой кривой. Все это говорит о хорошем согласии водородно-гелиевой концепции со строением планет -- гигантов.

Настоящую революцию в нашем представлении о строении дали космические исследования. Однако, из-за того, что до внешних планет добраться не так просто, был придуман механизм заброски космических аппаратов с помощью так называемого гравитационного маневрирования. Два первых разведывательных аппарата были Пионер-10 и Пионер-11, который был переименован в Пионер-Сатурн (США), были запущены в 1972 и 1973 годах, но не к Юпитеру, а в направлении к Солнцу! "Падая" на Солнце космический аппарат увеличивает свою скорость, но проходя мимо Венеры или Меркурия аппарат под действием гравитационных сил изменяет направление этой скорости и выходит на сильно эксцентрическую орбиту. Аппарат уходит на орбиту, уходящую за пределы Земной орбиты. Потом снова аппарат сближается с Солнцем и повторяет гравитационный маневр. Для того, чтобы достичь орбит Юпитера и Сатурна приходится делать цепочку гравитационных маневров, без которых космические межпланетные перелеты были бы невозможны. В 1973 году Пионер-10, а в 1974 году Пионер-Сатурн сблизились с Юпитером.

Первый аппарат после сближения с Юпитером перешел на трассу ухода из Солнечной системы, а второй -- пошел на сближение с Сатурном, который он достиг в 1979 году, после чего он перешел на трассу ухода из Солнечной системы. В конце 1995 года впервые на орбиту спутника Юпитера был выведен космический аппарат "Галлилей". Однако самые замечательные результаты были получены американскими космическими аппаратами Вояджер-1 и Вояджер-2. Эти аппараты были запущены в США осенью 1977 года и достигли Юпитера в 1979 году.

В программу Вояджеров входило не только изучение планет Юпитера и Сатурна, но и их спутников.