Система Юпитера.
Реферат по астрономии
Ученика 11а класса
Школы №1216 г.Москвы
Мордвинцева Дмитрия.
2000
Оглавление.
1. История открытия и исследования спутников Юпитера 3
2. Система спутников Юпитера. Общие данные. Кольцо Юпитера. 4
3. Таблица орбитальных данных спутников Юпитера. 5
4. Внешние спутники Юпитера. 6
5. Галиеевы спутники Юпитера. 6
5.1. Ио. 7
5.2. Европа. 9
5.3. Ганимед. 9
5.4. Каллисто. 10
6. Амальтея: спутник-загадка. 11
7. Вклад спутников Юпитера в знания человечества. 12
8.Будущие исследования и возможное практическое использование спутников Юпитера. 12
Система спутников Юпитера.
История открытия и исследования спутников Юпитера.
В дневнике Г. Галилея за 1610г. читаем: «Сегодня ночью наблюдал четыре слабые звездочки в окрестности Юпитера.… Судя по всему, они обращаются вокруг самой планеты…». Так было сделано великое открытие: у Юпитера есть спутники! Это было одно из доказательств геоцентрической теории Коперника. До 1950-х гг. эти спутники изучались визуально, и были открыты еще несколько спутников. С 50-х годов визуальные наблюдения стали дополняться сведениями от фотоэлектрических, телевизионных и радиотелескопов, мощнейшими из которых стали Пуэрториканский радиотелескоп НАСА и РАТАН-600 АН СССР. С 70-х гг. стали активно применяться методы компьютерного моделирования для изучения космических тел, в том числе и для изучения спутников Юпитера, что дало весьма интересные результаты.
Но настоящая лавина информации обрушилась на исследователей после начала работы «Пионера-10», «Пионера-11», орбитальных станций «Салют» и «Мир» и особенно после запуска «Вяджер-1»(1975) и «Вояджер-2»(1977), «Галилео»(1992) и орбитального телескопа «Хаббл». Именно в это время стало известно много фактов, о которых ранее даже не подозревали, подтвердились некоторые гипотезы (например, гипотеза советских ученых о наличии у Юпитера кольца). Но, тем не менее, мы еще до сих пор очень мало знаем о системе Юпитера – Природа и в этом случае неохотно расстается со своими секретами. На данный момент нам известно, что у Юпитера есть 16 спутников и кольцо.
Система спутников Юпитера. Общие данные. Кольцо Юпитера.
В обширной системе спутников Юпитера еще много неизученного. Ее диаметр составляет около 24.000 тыс. километров. Такие гигантские размеры возможны благодаря мощному гравитационному полю планеты и удаленности системы от Солнца. Система спутников Юпитера состоит из 16 довольно крупных тел, размеры которых сильно варьируют (самый маленький из них – J3 – по размерам сравним со средним астероидом, Ио и Европа сравнимы с Луной, а Ганимед - даже БОЛЬШЕ Меркурия).
Особняком в системе Юпитера стоит его кольцо. Оно не похоже на мощное кольцо Сатурна и состоит, по-видимому, из частиц космической пыли, захваченных гравитационным полем Юпитера. Оно делится на несколько поясов, причем между ними есть т.н. щели (в одной из которых вращается J1). Во внешних слоях вращаются менее тяжелые частицы, во внутренних – более тяжелые. Внешний край кольца удален на 130 тыс. километров, а основание, вероятно, уходит в ионосферу планеты. Кольцо вращается в экваториальной плоскости Юпитера.
По расстоянию от планеты спутники четко делятся на четыре группы: внутренние(на расстоянии от 102тыс. км до 1880тыс. км), в которых выделяют галилеевы (на расстоянии от 422тыс. км до 1880тыс. км (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто; негалилеевы внутренние спутники – J1, J2, J3 и Амальтея)) и две группы внешних: на расстоянии от 11100 тыс. км до 11900 тыс. км (Леда, Гималия, Лиситея, Элара) и на расстоянии от 21700 тыс. км до 23700 тыс. км(Ананке, Карме, Пасифе, Синоне).
Таблица орбитальных данных спутников Юпитера.
| Наименование.
|
D,
|
Ρ(г/см)
|
L(
|
Т(сутки)
|
| 14.J1 |
20 |
102 |
0,21 |
|
| Кольцо |
- |
- |
126 |
- |
| 16.J3 |
£12 |
128,1 |
0,29 |
|
| 15.J2 |
80 |
0,67 |
||
| 5. Амальтея |
346 |
181 |
0,498 |
|
| 1. Ио |
3640 |
3,53 |
422 |
1,769 |
| 2. Европа |
3130 |
3,04 |
671 |
3,551 |
| 3. Ганимед |
5880 |
1,93 |
1070 |
7,155 |
| 4. Каллисто |
4840 |
1,79 |
1880 |
16,689 |
| 13. Леда |
11100 |
239 |
||
| 6. Гамалия |
170 |
11500 |
250 |
|
| 10. Лиситея |
80 |
11770 |
260 |
|
| 7. Элара |
26 |
11900 |
264 |
|
| 12. Ананке |
22 |
21700 |
631 |
|
| 11. Карме |
28 |
22500 |
692 |
|
| 8. Пасифе |
24 |
23500 |
739 |
|
| 9. Синоне |
26 |
23700 |
758 |
Внешние спутники Юпитера.
Восемь внешних спутников Юпитера – крошечные, скорее похожие на астероиды, тела, делятся на две группы (см. Общие данные). Первые четыре спутника(1 группа) вращаются прямо (на расстоянии примерно 1,2 млн. км от Юпитера), остальные(2 группа)- на расстоянии вдвое большем – в обратном. Такое движение позволяет более-менее оставаться на своих орбитах, а не разлетаться от Юпитера под действием гравитации Солнца (гравитация самой планеты здесь уже довольно мала). Вообще о спутниках этих групп известно крайне мало. Для некоторых даже точно не высчитана орбита. Наблюдать их крайне сложно. По-видимому, это тела астероидного типа, сравнительно недавно вошедшие в систему. Их орбиты довольно неустойчивы, можно предположить, что это тела, втянутые в систему Юпитера его гравитационным полем, пролетая вблизи его. Больше ничего серьезного сказать о них астрономы пока не могут.
Галилеевы спутники Юпитера.
Воображение астрономов всегда волновали огромные спутники Юпитера, открытые Г. Галилеем (откуда и название). Их изучали очень интенсивно и изучают сейчас. Их имена – Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Их орбиты почти круговые, лежат в экваториальной плоскости Юпитера, каждая последующая находится в среднем в 1,7 раз дальше от планеты. Давно известна особенность трех из них: Ио, Ганимеда и Европы. Они двигаются почти в полном резонансе с периодами обращения, находящимися в примерном соотношении 1:2:4. Поэтому они подвергаются мощному взаимному гравитационному трению, а также приливному воздействию Юпитера. Именно поэтому они всегда обращены к планете одной и той же стороной. Причем из-за таких взаимных возмущений спутники очень сильно разогреваются, особенно Ио.
Ио.
В природе Ио довольно много непонятного, несмотря на длительные исследования, продолжающиеся до сих пор.
Сложен этот объект, скорее всего, из силикатных материалов, преимущественно солей натрия, калия и
«Вояджер-1» открыл на Ио восемь действующих вулканов, «Вояджер-2» зарегистрировал только шесть, «Галилео» отмечает постоянную вулканическую активность спутника. Вулканические плюмажи поднимаются на 70-280 км над поверхностью, что требует скорость выброса в 1 км/с; состоят они в основном из мелких частиц, вероятно, диоксида серы. Вокруг Ио также есть т.н. торы натрия и водорода, серы и кислорода. Водяной пар обнаружить не удалось. Все это позволяет о некоем подобии атмосферы Ио. По измерениям в ИК-лучах на экваторе давление составляет 10-7
бар.
Образование вулканов связано с расплавлением силикатных масс в недрах Ио, содержащих также небольшое металлическое ядро (у Ио поэтому есть гравитационное поле, хотя и очень слабое). Под видимой корой Ио лежит слой базальных силикатных масс, выходящих кое-где на поверхность в виде гор высотой не более 12 км. При довольно высоких температурах (390К) в умеренных глубинах происходит расплавление серы, так что под слоем силикатов лежит океан расплавленной серы. При этом сера, будучи легче их, изливается через разломы на поверхность, застывает и наблюдается в виде огромных равнин со слабо выраженным рельефом. Количество такой серы определить пока не удалось из-за постоянной вулканической активности. Но полярные области спутника менее гладкие, что согласуется с более низкой температурой на поверхности (100К) и меньшей текучестью вещества в таких условиях.
Значительная часть тепла, генерируемого в Ио, излучается. Но потоки расплавленного вещества образуют вторичные тепловые очаги, где и появляются новые вулканы. Только изливаются не силикаты и вода, как на Земле, а сера и ее диоксид. Всего на карту Ио нанесено свыше 300 подобных выходов. Поперечник наибольших составляет 250 км, они располагаются обычно в экваториальной области. Типичный же их диаметр – 40 км. Интенсивный красный, оранжевый, желтый, коричневый, черный и белый цвета поверхности Ио подтверждают вышеизложенные представления о ее внешних оболочках. Такая окраска характерна для серы в различных аллотропических модификациях с примесями кислорода, натрия, калия и водорода. Обычной кристаллической ромбической серы (желто-зеленоватого цвета) на Ио крайне мало. Вода же, которая, по-видимому, была на Ио когда-то, буквально выкипела в давние времена, так же, как и другие летучие вещества (углерод и азот), столь характерные для Земли.
Ударных кратеров на Ио не обнаружено. Это объясняется постоянным излиянием расплавленных масс и таким своеобразным способом их «затягивания». Скорость отложений пород на поверхности спутника составляет при этом 0,1 мм/год.
Европа.
Поверхность Европы имеет поразительный вид, это уникальная поверхность в Солнечной системе. Она покрыта лабиринтом запутанных тонких линий и полос шириной 30 км и длиной в несколько тысяч км. Это большей частью заполненные трещины. Европа – самое гладкое тело Солнечной системы Dh=40 м. Она напоминает оранжевый кристаллический шар, довольно сильно исцарапанный. Ударных кратеров почти нет. Из данных УФ- и ИК-анализов делается вывод, что внешняя кора Европы в основном ледяная до глубин порядка 100 км. Средняя температура на поверхности 223 К. При таких условиях Европа имеет очень слабую атмосферу из водяного пара.
Количество тепла, выделяемое в Европе, составляет 5% количества, выделяемого в Ио (по расчетам гравитационных возмущений). Поэтому недра Европы должны быть горячими, но не настолько, как Ио, чтобы требовался специальный механизм охлаждения – вулканы. Химический состав недр Европы, скорее всего, похож на состав Ио: железистое ядро (очень маленькое) и силикатно-серосодержащие породы (причем сера находится под слоем силикатов в расплавленном виде). Но, поскольку внутреннее тепло все-таки образуется, для снятия подповерхностных напряжений «евротрясения», из-за которых и появляются трещины на ледяном панцире Европы, что придает ей несколько мрачноватый вид.
Ганимед.
Совсем иной характер имеет поверхность Ганимеда – крупнейшего из всех спутников Юпитера. Из показателя плотности(1,9 г/см3
) видно, что он почти наполовину состоит из воды и льда. Его отражательная способность слабее альбедо Ио и Европы(40% против 70%). Поэтому он теплее: средняя температура на поверхности 140К. Быстрые изменения температуры поверхности в ходе затмений показывают, что его поверхностный слой проводит тепло хуже, чем поверхность Луны. По этим данным Моррисон и Крюйкшнек считают, что теплоизолирующий слой покрывает 95% поверхности и представляет собой тонкий слой инея, покрывающего ледяной слой или слой из смеси льда, пыли и обломков скальных пород. Эти обломки пород сложены из сульфоалюмосиликатов и выглядят как темные области на поверхности Ганимеда. Они усеяны кратерами диаметром в несколько десятков километров. Эти кратеры – одна из загадок Ганимеда: как могли они сохраниться на теле столь малой плотности? На Ганимеде имеется огромная система хребтов, возможно, связанная с древним бассейном ударного происхождения.
Самым примечательным свойством поверхности Ганимеда являются пучки длинных(обязательно параллельных), причем некоторые по виду похожи на трехуровневые автострады. Они покрывают значительную часть площади поверхности Ганимеда. Эти уникальные образования удовлетворительно объяснить не удается. Вообще же, геология Ганимеда до сих пор ставит целый ряд проблем.
У Ганимеда есть атмосфера (аммиак, углекислый газ, вода, кислород, метан; давление в 10Па).
Каллисто.
Каллисто еще одно уникальное тело Солнечной системы. Это самый далекий из галилеевых спутников Юпитера. Он обладает наименьшей плотностью. Поверхность Каллисто на невидимой с планеты стороне до предела насыщена кратерами. На обращенной к Юпитеру стороне видна огромная многокольцовая структура с яркой центральной областью поперечником в 300км. Десять кольцевых гребней простираются до расстояний примерно 1500 км. Вся эта гигантская структура похожа на котловину Калорис на Меркурии и Океан Бурь на Луне. Но на Каллисто не обнаруживаются признаки, свидетельствующие о подвижности внешней коры. Да и вообще это загадочное образование довольно молодое, несравнимое по возрасту с тем же Океаном Бурь.
Поскольку плотность Каллисто – 1,8г/см3
, она должна состоять преимущественно из воды, но при этом сохраняет при слабо выраженном рельефе древние кратеры. В начале эволюции Каллисто уже имела толстую ледяную кору (вечная мерзлота?), которая быстро заполняла кратеры, что наблюдается до сих пор. Низкое альбедо(0,2) указывает на присутствие в коре пыли. Кора лежит на подложке из сульфатно-силикатных масс, возможно, с металлическим ядром. Между корой и подложкой из-за огромного давления первой вода должна находиться в жидкой фазе, образуя целые подледные океаны. В них, по некоторым данным, возможна жизнь.
Из-за низкой отражательной способности Каллисто – самый теплый из спутников Юпитера: температура на поверхности доходит до 173К и выше. Правда, эта температура слишком мала, чтобы обеспечить появление довольно мощной атмосферы из водяного пара, которая у Каллисто и не наблюдается.
Вообще, Каллисто ставит много вопросов, на которые пока нет ответов, например, почему у нее столь большая (наивысшая среди спутников Юпитера) теплоизолирующая способность поверхностного слоя?
Амальтея.
Из наиболее изученных спутников Юпитера лишь один – негалилеев. Это Амальтея. До 1978 г. это была этакая сирота, не избалованная вниманием ученых, до тех пор, когда были опубликованы результаты фотоэлектрических измерений блеска Амальтеи. Было установлено, что этот спутник – самый красный объект Солнечной системы. Что за темно-бордовое вещество, слагающее его, непонятно до сих пор. Альбедо Амальтеи тоже необычен – всего 0,02, т.е. она отражает только 2% падающего света! Так из чего же она сложена?
Для того места, которое занимает Амальтея(180тыс. км), она слишком мала. И наблюдать ее крайне сложно. Кроме того, ее орбита не совпадает с вычисленной: она должна быть сильно вытянутой и заметно наклоненной к плоскости эклиптики, а она – почти круговая! И потом, Амальтея – самый вытянутый объект Солнечной системы: D: d=2:1.
Из-за близости к Юпитеру Амальтея подвергается сильным приливным воздействиям планеты, а значит внутреннее напряжение ее довольно велико. Значит, она сложена из тугоплавких пород. А где тугоплавкие породы – там и радиоактивные изотопы, т.е. внутренний разогрев. Но температура на поверхности Амальтеи всего 155К! И т.д., и т.п.
Этот объект ставит так много проблем перед астрономами, что можно сказать, что мы ничего о нем не знаем.
Вклад спутников Юпитера в знания человечества
.
Важный вклад внесли спутники Юпитера в наши знания об эволюции Солнечной системы (благодаря данным «Вояджеров» и «Галилео») и в физику. Именно наблюдая затмения галилеевых спутников Оле Рёмер (1664-1710), открыл, что интервал времени между затмениями больше, когда Земля удаляется от Юпитера. В 1675 г. он пришел к заключению, что эти кажущиеся изменения являются следствием конечности скорости света.
Кроме того, наблюдения этих тел дают нам множество новых знаний о Солнечной системе, геологии крупных тел, да и, так сказать, являются лаборатории по изучению гравитационных взаимодействий на уровне массивных объектов. И вообще, это просто интересно! Никто не знает, какую пользу принесут исследования системы спутников Юпитера, но что эта практическая польза будет, ясно любому здравомыслящему человеку.
Будущие исследования и возможное практическое применение спутников Юпитера.
Настоящие исследования проводит юпитерианский зонд «Галилео», который совсем недавно пролетел всего в 300 км от поверхности Ио. Есть планы по посылке еще одного аналогичного зонда в 2005 г., т.к. к этому времени ресурс «Галилео» уже точно закончится. После тотального изучения галилеевых спутников астрономы мечтают переключиться на внешние спутники и общие исследования системы. Для этого сейчас нет технических возможностей, т.к. для подобных операций требуется большое количество мобильных и хорошо управляемых с Земли космических аппаратов.
Самые смелые уже мечтают о приспособлении одного или нескольких крупных спутников Юпитера, например, Ганимеда под перевалочную базу для дальних космических кораблей. Пусть сейчас это чистой воды мечта, но рано или поздно система Юпитера войдет в экономический оборот Земли. И тогда земляне смогут весьма обоснованно строить планы по покорению дальнего Космоса.
Литература:
1. http://galileo.jpl.nasa.gov
2. http://www.nasa.gov
3. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/planets/jupiterpage.html
4. Кауфман У. Дж. Планеты и луны. М., 1985
5. Коваль И. К. Мир планет. К., 1989
6. Маров М. Я. Планеты Солнечной системы. Л., 1990
7. Мартынов Д. Я. Планеты. Решенные и нерешенные проблемы. М., 1995
8. Силкин Б. И. В мире множества лун. М., 1982
9. Спутники планет. Под ред. Дж. Бернса. М., 1980
10. Уипл Ф. Л. Семья Солнца: планеты и спутники. М., 1984