Величайшая из планет

В 1913 г. в очередном издании своей знаменитой «Популярной астрономии» К. Фламмарион писал: «Юпитер, по-видимому, еще формирующийся мир, который недавно — несколько тысяч веков тому назад — служил Солнцем в своей собственной системе». Так можно было утверждать во времена, когда причина свечения Солнца и звезд оставалась неизвестной. Нынче мы с уверенностью можем утверждать, что Юпитер никогда не был самосветящимся. Хотя его масса в 318 раз превосходит массу земного шара, он все же «не дотянул» до звезды. Будь его масса в десятки раз больше, то давление в центре Юпитера, а значит, и температура возросли бы до значений, при которых стали бы возможными ядерные реакции. Но этого нет, и потому Юпитер — несамосветящееся тело и его блеск на земном небе является отражением солнечных лучей.

Это не мешает Юпитеру быть одним из самых доступных для изучения астрономических объектов. Даже в небольшие любительские телескопы заметно сжатие Юпитера, составляющее 1/16 (для Земли — 1/298). Причина сильного сжатия — быстрое вращение Юпитера вокруг своей оси. Сутки на этой планете продолжаются всего около 10 ч. На желтоватом, слегка сплюснутом диске Юпитера легко различимы сероватые полосы, тянущиеся параллельно его экватору. Они весьма изменчивы, и уже давно астрономы пришли к выводу, что это не детали твердой поверхности, а облака в огромной мощной атмосфере Юпитера. Газовая оболочка в разных зонах движется по-разному. Экваториальные зоны завершают оборот за 9 ч 51 мин, умеренные — за 9 ч 56 мин. Этот факт еще раз доказывает газовую природу видимой поверхности планеты.

Среди атмосферных образований Юпитера есть и такие, которые обладают редкой стабильностью. К ним относится Красное Пятно — громадная розоватая овальная область в южном полушарии Юпитера протяженностью 35 000 км по долготе и около 14 000 км по широте. Уже несколько веков с момента ее открытия (XVII век), положение этой области на диске Юпитера остается почти неизменным, тогда как интенсивность окраски периодически меняется. Бывают годы, когда различить Красное Пятно с Земли бывает затруднительно. Зато в 1979 г. при близком пролете космических аппаратов «Пионер-11» и «Вояджер-1» (их отделяло от Юпитера всего 300 060 км) вихревая природа Красного Пятна стала очевидной. Теперь уже ни у кого нет сомнений, что Красное Пятно — это исполинский вихрь в атмосфере планеты, вращающийся вокруг оси с периодом примерно в 6 земных суток. Невольно вспоминаешь земные циклоны, длящиеся обычно несколько дней. На Юпитере же циклоны сохраняются веками (если не тысячелетиями). Не только по размерам (по диаметру Юпитер в 11 раз больше Земли), но и по масштабам всех сходных явлений величайшая из планет несравнимо превосходит то, что окружает нас в земной обстановке.

Есть и аналоги Красному Пятну. Среди других более или менее стабильных пятен выделяется Белое пятно поперечником 16 000 км. Прямые наблюдения зафиксировали над ночным полушарием Юпитера многочисленные молнии. Наше воображение не в состоянии наглядно представить постоянные грозы Юпитера, ослепительные вспышки его гигантских молний и оглушительные раскаты грома, которые не вынесло бы ни одно земное ухо. Остается лишь ограничиться замечанием, что имя бога-громовержца выбрано для крупнейшей из планет очень удачно.

Долголетние и разнообразные исследования (в том числе и с космических аппаратов) доказали, что атмосфера Юпитера на 77 % состоит из водорода и почти на 23 % — из гелия. К этому следует добавить небольшие примеси аммиака и метана, которые одно время считали главными компонентами атмосферы Юпитера.

Весьма важным фактом для понимания природы внутренних областей Юпитера служит наличие вокруг него мощной магнитосферы. Магнитное поле Юпитера в 50 раз сильнее геомагнитного поля и противоположно ему по направлению. Как и у Земли, магнитные полюсы Юпитера не совпадают с его южным и северным полюсами. Ось магнитного поля Юпитера наклонена под углом 11° к его оси вращения.

Магнитосфера Юпитера простирается от его поверхности до границ, удаленных от планеты на 6 млн. км (это почти 90 радиусов Юпитера). Неудивительно, что вокруг Юпитера обнаружены громадные радиационные пояса протяженностью до 2,5 млн. км. Они примерно в 40 000 раз интенсивнее земного радиационного пояса и излучают мощные радиоволны, обнаруженные еще на заре радиоастрономии в 1955 г. Читатель не ошибется, если предположит, что полярные сияния необычных масштабов и интенсивности — обычные явления на Юпитере. Действительно, они с полной определенностью зафиксированы с Земли. Таков вкратце общий внешний облик Юпитера, по которому приходится судить о его внутреннем строении. Впрочем, о недрах планет позволяют косвенно судить еще ряд величин, которые получают из непосредственных наблюдений.

Об одной из них мы уже упоминали. Это — сжатие, или, точнее, полярное сжатие планеты, равное отношению разности экваториального и полярного радиусов к экваториальному радиусу. Как показывает теория, оно зависит не только от скорости вращения планеты и ее плотности, но и от распределения этой плотности внутри планеты. Скажем, если бы Земля обладала равномерной, повсюду одинаковой плотностью, то ее сжатие было бы равно 1/230. В другом варианте можно представить себе Землю, в центре которой была бы сосредоточена почти вся ее масса. Этому случаю соответствует сжатие 1/576. Реальное сжатие Земли (1/298) показывает, что плотность слагающего ее вещества возрастает от поверхности к центру.

Средняя плотность планеты — параметр, сравнительно легко определяемый из астрономических наблюдений. Масса планет оценивается по третьему закону Кеплера, или по гравитационному воздействию планет на пролетающие вблизи тела (кометы, космические станции). По угловым измерениям определяют расстояние планеты от Земли и ее объем. Частное от деления массы на объем планеты и есть ее средняя плотность. По ней можно судить о веществе исследуемой планеты.

О том, как нарастает плотность вещества планеты по мере приближения к ее центру, позволяет судить так называемый безразмерный момент инерции. Как известно, момент инерции во вращательном движении играет ту же роль, что и масса в поступательном. Если материальная точка массой m обращается вокруг центра О на расстоянии r , то ее моментом инерции J0 называется произведение mr2 . Найдем момент количества движения mvr , которым обладает материальная точка m с линейной скоростью v и угловой ω: mvr = mωr2 = J0ω . Если система консервативна, т. е. не подвержена действию внешних сил, то по закону сохранения момента количество движения J0ω = const. Отсюда следует, что чем меньше момент инерции J0 , тем больше угловая скорость ω . Этот факт проявляется во многих случаях. Когда, например, фигурист, закружившись, хочет замедлить свое вращение, он раздвигает руки в стороны. Наоборот, для ускорения вращения ему приходится сложить руки по швам. Подобно этому и спортсмены, совершающие сальто, сжимаются в комок как можно плотнее, чтобы быстрее совершить оборот. Таким образом, момент инерции характеризует распределение массы тела относительно его оси вращения и для консервативных систем он определяет скорость вращения.

Для шара радиуса R и массы М момент инерции J относительно его оси вращения J = kMR2 , где коэффициент k — безразмерный момент инерции. Оказывается, его значение зависит от распределения плотности внутри шара. Для однородного шара k — 0,4, для планет с уплотнением к центру этот коэффициент меньше. Значение k можно определить по движению спутников у тех планет, где они есть. Так, например, для Земли k = 0,33, для Юпитера k = 0,26. Из этого следует, что повышение плотности к центру Юпитера более значительно, чем у Земли.

На основе всех известных внешних данных о планете теоретически строится ее модель. Задача эта не имеет однозначного решения. Каждая из моделей строится прежде всего на основе предположений о химическом составе планеты в целом. В этом уже есть неопределенность, так как непосредственное определение химического состава возможно лишь для самых поверхностных слоев планет. Построенная модель планеты должна давать такое распределение масс с глубиной, которое отвечало бы измеренным сжатию, моменту инерции, средней плотности и, наконец, всему тому, что доступно непосредственным наблюдениям.

Ясно, что построение моделей планет — задача очень сложная, и решаться она может по-разному, с различной степенью приближения к действительности. Еще в 1950–1951 гг. советские астрономы академик В.Г. Фесенков и профессор А.Г. Масевич построили удачные модели всех планет-гигантов. По их вычислениям получалось, что наблюдаемые свойства этих планет легче всего объяснить, если предположить, что на 75–85 % они состоят из водорода и на 15–25 % — из гелия. Примеси остальных более тяжелых химических элементов в лучшем случае составляют несколько процентов или, скорее, доли процента. Этот теоретический прогноз оказался на редкость удачным и хорошо соответствовал последним данным о планетах-гигантах.

С тех пор теоретическое моделирование планет получило значительное развитие. Изменилась физика, большой прогресс наблюдается в теории твердых тел и высоких давлений, наука вообще стала иной за тридцать с лишним лет. Соответственно возросла и точность теоретических моделей планет. Подробно об этом можно прочитать в обстоятельной монографии В.И. Жаркова.^[4] Здесь же мы изложим результаты наиболее удачного современного моделирования внутреннего строения Юпитера и других больших планет (рис. 2).

Рис. 2. Внутреннее строение Юпитера (а) и Урана (б).

1 — ядро из горных пород; 2 — металлический водород; 3 — жидкий молекулярный водород; 4 — газовая оболочка (Н2, Не); 5 — газово-жидкая оболочка (Н2, Не, NH3, СН4); 6 — ледяная мантия (NH3, СН4)

В изучении этих проблем большая роль принадлежит группе сотрудников Института Физики Земли АН СССР В.П. Трубицыну, А.Б. Макалкину, И.А. Царевскому во главе с В.И. Жарковым.

По расчетам этих ученых, если принять, что внутри Юпитера отношение массы гелия к водороду такое же, как у Солнца, т. е. 20 % гелия и около 80 % водорода, то давление в центре Юпитера достигает 5 млн. МПа, а температура 25 000 °C. Самый внешний слой Юпитера — газовый, состоящий почти полностью из водорода и гелия. Его толщина составляет 0,02 радиуса Юпитера. Глубже идет очень толстый слой жидкого молекулярного водорода, своеобразный водородный океан толщиной 0,22 радиуса Юпитера (его экваториальный радиус 71 400 км). Поэтому надежды К. Фламмариона увидеть, как он писал, твердую «почву» сквозь прорывы в облачном покрове Юпитера — выглядят сегодня совсем несбыточными. Тем не менее твердая поверхность у Юпитера все-таки есть, только гораздо глубже.

Водородный океан, глобально омывающий Юпитер, имеет своеобразное дно. Это слой так называемого «металлического водорода», простирающегося в глубину на 0,16 радиуса Юпитера. Дно это очень «вязкое», так как резкого перехода от жидкого водорода к металлическому, по-видимому, не существует. Сам термин «металлический водород» сильно напоминает пресловутое «деревянное железо». Между тем металлический водород — вполне реальное состояние вещества. Уже на глубине около 10 000 км в жидком водородном океане Юпитера давление вышележащих слоев достигает такой величины (250 тыс. МПа), что молекулярный водород переходит в металлическую фазу. Он превращается в одновалентный металл, в котором протоны и электроны существуют раздельно. По свойствам он вполне напоминает обычный жидкий металл с высокой проводимостью. При быстром вращении планеты в нем возникают кольцевые электрические токи, которые и создают необычайно мощное магнитное поле Юпитера.

Центральные области Юпитера заняты твердым железо-силикатным ядром, радиус которого составляет 0,15 радиуса Юпитера. Не исключено, что оно покрыто сплошной коркой льда или даже обычным жидким океаном, масса которого в 30 раз больше массы Земли. При весьма высокой температуре (25 000 °C) в центре Юпитера излучение тепла наружу неизбежно. И действительно, Юпитер получает от Солнца в 27 раз меньше тепла, чем Земля. Легко подсчитать, что, если бы это был единственный источник энергии, верхние слои атмосферы Юпитера при этом имели бы температуру -160 °C. На самом же деле она теплее на 30 °C. Значит, их согревает тепло, идущее из недр Юпитера. Возможно, что оно служит причиной и весьма бурных процессов в его атмосфере.

В других теоретических моделях фигурируют иные числа, характеризующие толщину оболочек, но общая картина остается прежней. Некоторые исследователи полагают, что ядро Юпитера находится в сверхплотной фазе и состоит из водорода и гелия с примесями силикатов, железа и никеля, причем его поперечник не превышает 9 000 км. Если это так, то у Юпитера вообще нет твердой поверхности в земном смысле слова и эта планета может считаться «несостоявшейся звездой».

Мир Юпитера — удивительный, сказочный и вместе с тем реальный. Снаружи — быстроменяющаяся облачная оболочка, окраска деталей в которой создается небольшими примесями каких-то веществ, возможно фосфина РН3. Она скрывает огромный океан из жидкого водорода глубиной много тысяч километров. Ниже идет еще более удивительная оболочка из металлического водорода, прикрывающая какое-то очень плотное и, возможно, твердое ядро. В нашем земном опыте ничего похожего не встречалось, хотя в 1975 г. в одном из институтов АН СССР был получен металлический водород. Вероятно, уже на глубине 200–300 км в атмосфере Юпитера наступает полная тьма, господствующая, конечно, и ниже. Юпитер, крупнейшая из планет Солнечной системы, по своей природе есть нечто среднее между карликовой звездой и планетами земного типа.