Юпитер почти целиком состоит из водорода и гелия — как внутри (на это указывают рассчеты), так и снаружи (по прямым измерениям). В атмосфере Юпитера по данным «Вояджеров» 89% водорода и 11% гелия (по объему). Отношение 89 : 11 по объему для водородно-гелиевой смеси — это то же, что 80 : 20 по массе, так как масса атома гелия 4 а. е., а молекулы водорода 2 а. е. Измерения со спускаемого аппарата «Галилео» (1995 г.) дали немного большее содержание гелия, 24% по массе.

Водородно-гелиевая атмосфера Юпитера имеет огромную протяженность. Облачный покров расположен на высоте не менее 1000 км над условной «поверхностью», где огромное давление вызывает постепенный переход вещества от газообразного состояния к жидкому. Облачный слой и, по крайней мере, верхняя часть атмосферы охвачены интенсивными вертикальными движениями, которые проявляются в характерной картине темных поясов и светлых зон Юпитера.

В атмосфере Юпитера практически нет меридиональных течений. Зоны и пояса — это области восходящих и нисходящих потоков в атмосфере, которые в долготном направлении имеют глобальную протяженность. Эти атмосферные течения, параллельные экватору, имеют некоторое сходство с пассатами Земли. Движущие силы в этой природной тепловой машине — потоки тепла, идущие из глубины планеты, энергия, получаемая от Солнца, а также быстрое вращение планеты. Видимые поверхности зон и поясов в таком случае должны находиться на разных высотах. Это было подтверждено тепловыми измерениями: зоны оказались холоднее поясов. Разница в температурах показывает, что видимая поверхность зон расположена примерно на 20 км выше. БКП оказалось выше и на несколько градусов холоднее поясов. И, наоборот, голубые пятна оказались источниками тепловой радиации, восходящей из глубоких слоев атмосферы. Интересно, что не обнаружено существенной разности температур между полярными и экваториальными областями планеты. Косвенно это позволяет сделать такой вывод: внутреннее тепло планеты играет более важную роль в динамике ее атмосферы, чем энергия, получаемая от Солнца. Средняя температура на уровне видимых облаков близка к 130 K.

Еще по наземным наблюдениям астрономы разделили пояса и зоны в атмосфере Юпитера на экваториальные, тропические, умеренные и полярные. Например, БКП лежит в Южной тропической зоне. Поднимающиеся из глубин атмосферы нагретые массы газов в зонах под действием значительных на Юпитере кориолисовых сил вытягиваются в долготном направлении, причем противоположные края зон движутся навстречу друг другу, вдоль параллелей. На границах зон и поясов (области нисходящих потоков) видна сильная турбулентность; скорости движения здесь достигают наибольших значений, до 100 м/с, а в районе экватора даже 150 м/с. Севернее экватора потоки в зонах, направленные к северу, отклоняются кориолисовыми силами к востоку, а направленные к югу — к западу. В южном полушарии направление отклонений обратное. Именно такую структуру движений на Земле образуют пассаты. «Крыша» облаков в поясах и зонах находится на разных высотах. Различия в их окраске определяются температурой и давлением фазовых переходов малых газообразных составляющих. Светлые зоны — это восходящие колонны газа с повышенным содержанием аммиака, пояса — обедненные аммиаком нисходящие потоки. Яркая окраска поясов связана, вероятно, с аммонийными полисульфидами и некоторыми другими окрашивающими компонентами, например, фосфином.

Рис. 1. Ио на фоне Юпитера. Снимок КА "Кассини".

Экспериментальные данные свидетельствуют, что динамика облачного слоя Юпитера — лишь внешнее проявление могучих сил, действующих в подоблачной атмосфере планеты. Удавалось наблюдать, как в облаках возникает мощное вихревое образование, местный ураган, диаметром в 1000 км и более. Такие образования живут долго, по нескольку лет, а наиболее крупные из них — даже несколько сотен лет. Подобные вихри образуются, например, в результате движения больших масс поднимающегося нагретого газа в атмосфере. На рис. 2 видно большое число вихревых образований. Во многих случаях пятна имеют темную окантовку. Маленькие пятна живут менее 24 ч.

Возникший вихрь выносит на поверхность облаков нагретые массы газа с парами малых компонентов, чем замыкается цепь их кругооборота в атмосфере. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиака в виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере и достигают такого уровня температуры, где испаряются. В газовой фазе вещество снова возвращается в облачный слой.

Как правило, в центре вихря давление оказывается более высоким, чем в окружающем районе, а сами ураганы были с запада окантованы возмущениями с низким давлением. В земных ураганах такого типа часто наблюдаются молнии. Снимки с «Вояджеров» показали, что на ночной стороне Юпитера наблюдаются световые вспышки колоссальной протяженности — до 1000 км и более. Это сверхмолнии, энергия в которых намного больше, чем в земных. Выяснилось, однако, что юпитерианские молнии малочисленнее земных. Интересно, что молнии Юпитера были обнаружены через 3 месяца после открытия гроз на Венере.

Вихревые образования вроде пятен голубого и коричневого оттенков наблюдались не только в устойчивых поясах и зонах, но и в полярных районах Юпитера. Здесь характерный вид облачного слоя представляет светло-коричневое поле с темными и светлыми коричневыми и голубоватыми пятнами. Здесь, в области тех широт, где зональная циркуляция становится неустойчивой, пояса и зоны уступают место метеорологическим образованиям типа «кружевных воротников» и «плюмажей». Районы вблизи полюса планеты увидеть можно только с космических аппаратов. Кажущийся хаос пятен все же подчиняется общей закономерности циркуляции, причем определяющую роль играют движения в глубине атмосферы.

Принимая ряд допущений, теоретики сумели в некоторых моделях получить явления, напоминающие то, что видно на Юпитере (и Сатурне). Одна из теоретических моделей структуры планеты представляет собой систему из вложенных друг в друга цилиндров, осью которых служит полярная ось. Цилиндры проходят сквозь всю планету и выходят на поверхность, скажем, у 40° с. ш. и у 40° ю. ш. То, что мы видим, — срезы этих цилиндров, вращающихся с различными скоростями. Если считать от экватора, то цилиндры проникают вглубь на половину радиуса планеты. Пятна или овалы также представляют собой сквозные колонны, зажатые между цилиндрами. Кстати, некоторые наблюдатели указывают, что симметрично БКП на той же широте в северном полушарии иногда видно такое же по размерам, но слабее выраженное пятно.

Дочерние голубые пятна, возможно, наблюдаются сквозь разрывы облачного слоя. Однако часто разрывы бывают не связаны с пятнами и сквозь них видны более низкие облачные слои. Серия подобных разрывов наблюдалась вдоль границы Северного экваториального пояса. Разрывы существуют довольно долго, по нескольку лет. О том, что это именно разрывы, свидетельствует повышенный поток тепла от этих мест. С глубиной температура быстро возрастает. Уже на уровне давления 2 бар она составляет примерно 210 K. А радиоизлучение, приходящее с больших глубин, свидетельствует о более высокой температуре. По расчетам, на глубине 300 км атмосфера Юпитера так же горяча, как и атмосфера Венеры у ее поверхности (около 730 K).

Измерение тепловых потоков, исходящих от Юпитера, показало, что практически нет различий между полярными и экваториальными районами, его дневной и ночной сторонами. Значительную роль в этом играет подвод тепла благодаря адвекции — переносу газа в горизонтальных движениях атмосферы. На фоне упорядоченной структуры поясов и зон, вихрей и плюмажей наблюдаются быстрые течения газа — ветры со скоростью до 120 м/с. Если учесть большую теплоемкость водорода, то не будет удивлять постоянство температуры в разных районах планеты.

Причиной мощной циркуляции, доставляющей тепло к облачному слою, несомненно служит тепловой поток, исходящий из недр планеты. Измерения показали, что собственные источники энергии Юпитера дают не меньше тепла, чем планета получает от Солнца. Во многих научных работах можно прочесть, что дополнительная энергия в недрах Юпитера и других планет-гигантов освобождается в результате очень медленного их сжатия; причем расчеты показывают, что для этого достаточно сжатия планеты на миллиметры в год. Однако сведения о строении Юпитера не подтверждают эту гипотезу.

Анализ движения космических аппаратов в гравитационном поле планеты позволяет судить о строении ее недр и состоянии вещества. Движение аппаратов показывает, что это газо-жидкая планета, состоящая из смеси водорода и гелия, и что твердой поверхности она не имеет. Фигура Юпитера математически идеальна, какой может быть только жидкая планета. Безразмерный момент инерции имеет очень низкое значение: 0,254. Это говорит о высокой концентрации массы в центре планеты. Значительная часть его ядра находится в жидком состоянии. А жидкое ядро практически несжимаемо. Источником теплового потока может быть выделившееся еще при формировании планеты (4,5 млрд лет назад) тепло, запасенное в ядре и оболочках Юпитера.

Есть свидетельства тому, что на ранних стадиях эволюции Юпитер излучал в космос огромные потоки энергии. Галилеевы спутники Юпитера, расположенные несравненно ближе к своей планете, чем к Солнцу, получали на единицу площади больше энергии, чем Меркурий от Солнца. Следы этих событий сохранились на поверхности Ганимеда. Расчеты показывают, что пиковая светимость Юпитера могла доходить до 1/10 светимости Солнца. В лучах Юпитера плавились льды на поверхности всех спутников, частично включая Ганимед. Реликтовое тепло планеты сохраняется с той далекой эпохи. А в настоящее время важным источником тепла может быть медленное погружение к центру планеты более плотного, чем водород, гелия.

На рис. 1 слева можно видеть и самую известную деталь Юпитера - Большое Красное Пятно (БКП). Это овальное образование изменяющихся размеров, расположенное в южной тропической зоне. Сейчас его размер в долготном направлении около 25 тыс. км, т.е. вдвое больше Земли, а в конце XIX в. оно было еще почти в два раза больше. БКП привлекает внимание яркой окраской (рис. 2), но ее контрастность изменчива. Впервые БКП как яркая деталь описано в 1878 г. Позже выяснилось, что наблюдатели рисовали его в своих журналах еще 300 лет назад. Периоды, когда Пятно становилось особенно заметным отмечались в 1878-1882, 1893-1894, 1903-1907, 1911, 1914, 1919-1920 и в другие годы. Поиски какой-то периодичности не принесли результатов. Между периодами видимости БКП бледнеет и становится малозаметным. В красных лучах БКП вообще мало отличается от фона.

Рис. 2. Большое Красное Пятно на Юпитере. Мозаика
составлена из снимков КА "Галилео". Условные цвета
соответствуют уровню впадин газовых составляющих
постоянно вращающегося гигантского смерча. Самые
глубокие слои облаков показаны синим цветом,
розовые структуры располагаются выше, белые области
соответствуют самому высокому тонкому облачному слою.

Особый интерес вызывает движение БКП. Почему-то период его обращения несколько больше периода светлой Южной тропической зоны, на которой оно находится, поэтому в своем движении Пятно несколько отстает от нее, запаздывая на один полный оборот примерно за 30 лет. Иногда там появляются другие детали, которые постепенно догоняют БКП, а через несколько недель появляются впереди Пятна.

Было высказано множество догадок о том, что такое БКП. Поскольку температура внешних слоев атмосферы (облачного слоя) очень низка, в одной из гипотез предполагалось, что БКП — это гигантский остров из льда, который плавает в атмосфере. Другие гипотезы связывали БКП с так называемой конвективной колонной, срез которой извне представляется Пятном. Но у Юпитера вообще нет поверхности в земном смысле. К тому же «шатания» Пятна по широте и долготе указывают, что оно вообще никак не связано с какой-либо поверхностью.

Плодотворной оказалась идея о том, что БКП — это долгоживущий свободный вихрь в атмосфере Юпитера. Вихрь такого размера и соответствующей массы с верхушкой в виде Красного Пятна может прожить тысячи лет. Согласно наблюдениям, движение деталей по поверхности Пятна действительно носит характер вихря. Появилось большое число гипотез в развитие идеи вихря. Образования, подобные БКП, связывают с существованием устойчивой одиночной волны в атмосфере — солитона. В этом случае БКП может быть очень долгоживущей деталью на облачной поверхности Юпитера.

Наблюдения с космических аппаратов подтвердили, что БКП — это гигантский долгоживущий вихрь в атмосфере планеты. Снимки, сделанные «Вояджерами» за дни пролета мимо Юпитера, были смонтированы в кадры кинофильма, где все движения ускорены в полмиллиона раз. Перед зрителем возникла шевелящаяся, ползущая масса поясов, зон и «плюмажей», подобных тем, что можно видеть на рис. 2. Плюмажи, окантовки БКП и другие пятна огибают этот вихрь, срываются с него и уходят к западу. Светлые, расширяющиеся к западу полосы вдоль экваториального пояса напоминают полосы дыма, относимые ветром от источника. Темный экваториальный пояс в своем относительном движении к западу обгоняет южный умеренный пояс, а зажатое между ними Большое Красное Пятно вращается против хода часовой стрелки с периодом чуть более 6 сут.

На периферии БКП движение облаков имеет хаотический, турбулентный характер, но в центре движение спокойное. С периферией БКП связаны характерные голубые пятна; некоторые из них возникли сравнительно недавно, в 1939-40 гг. Возможно, это дочерние вихри, отделившиеся от Большого Пятна. Такие же небольшие пятна видны на поясах и зонах, расположенных южнее БКП, т. е. ближе к полюсу.

Результаты измерений яркостной температуры Юпитера зависят от длины волны: в некоторых спектральных интервалах атмосфера более прозрачна; в этих «окнах» удается наблюдать излучение относительно глубоких и теплых слоев тропосферы. В других диапазонах поглощение очень велико и тепловое излучение приходит от более высоких и холодных слоев стратосферы. В среднем на том уровне, где расположена видимая поверхность облаков, температура составляет 150 К, а давление немного ниже, чем у поверхности Земли, — 0,5 бар. На уровне 0,1 бар, где расположена тропопауза, температура падает до 100-120 К, это минимальная температура на Юпитере. Выше температура снова растет и на высоте около 90 км над облаками достигает 140-160 К. Еще выше, до уровня давления 10^-6 мбар, температура остается почти постоянной, около 180 К. Благодаря поглощению коротковолнового излучения Солнца средняя температура протонов и электронов на высотах 600-3000 км составляет 850-1000 К. Здесь находится обширная ионосфера планеты, которая простирается в высоту на 3 тыс. км. Наибольшая концентрация электронов, примерно 10⁵ в 1 см³, приходится на высоту 1000 км.

В отличие от облаков Земли, состоящих только из воды, облака Юпитера содержат различные соединения по меньшей мере шести элементов — водорода, углерода, азота, кислорода, серы и фосфора. Их состав определяется давлением, температурой, освещенностью и движениями атмосферы. Давно известно, что в атмосфере Юпитера присутствуют аммиак (NH₃) и метан (СН₄), молекулы которых содержат много водорода. Но аммиак, метан, водяной пар, гидросульфид аммония (NH₃H₂S) — все это малые составляющие доступной изучению части атмосферы Юпитера. Отметим, что присущие Юпитеру сильные полосы паров аммиака едва заметны у Сатурна, а Уран и Нептун не имеют их вовсе, так как весь аммиак замораживается глубоко под их облачными слоями. Зато полосы метана у этих планет становятся весьма широкими и занимают значительную частьспектра в красно-голубой его части, что и придает этим планетам сине-зеленую окраску.

На уровне облаков Юпитера содержание водяного пара составляет 1,5 · 10^-3, метана 8,3 · 10^-3, гидросульфида аммония в газовой фазе 2,8 · 10^-5, аммиака 1,7 · 10^-4. При этом содержание аммиака переменно и зависит от высоты. Именно он образует видимый облачный покров; температура его конденсации зависит от давления и составляет 130-200 К, что в среднем совпадает с тем, что наблюдается на уровне облаков. При температуре 165 К давление аммиака над кристалликами аммиачного льда составляет 1,9 мбар, и возрастает вдвое при 170 К. Для конденсации метана при тех же давлениях нужна значительно более низкая температура, 79 К. Поэтому метан в атмосфере Юпитера в твердую фазу, по-видимому, не конденсируется.

В облаках наряду с кристаллами должны присутствовать капли жидкого аммиака. Цвет облаков с такой смесью белый с легким желтоватым оттенком, характерным для зон. Однако для объяснения красно-коричневых оттенков поясов необходим какой-то другой окрашивающий агент. По-видимому, некоторые цветные оттенки поясам придает фосфин (РН₃) — газообразное соединение фосфора с водородом, содержание которого около 6 · 10^-7. При температурах от 290 до 600 К оно распадается с выделением красного фосфора. И наоборот, при низкой температуре фосфор снова соединяется с водородом. Окраска облаков может быть связана также с водородными и аммонийными полисульфидами и серой. В списке газов, присутствующих в атмосфере Юпитера, значатся также этан, ацетилен, незначительное количество синильной кислоты (HCN), окись углерода и углекислый газ. Присутствие последнего в атмосфере Юпитера объяснить трудно, так как двуокись углерода разрушается в водородной атмосфере.

Следует помнить, что видимая поверхность облаков представляет тонкий слой, всего несколько десятков километров. Под облаками из кристаллического аммония находятся другие слои: из сернистокислого аммония, водного раствора аммиака, из кристалликов водного льда, наконец — из капель воды.

7 декабря 1995 г. сброшенный с «Галилео» зонд впервые в истории вошел в атмосферу Юпитера. Его начальная скорость 60 км/с за 3 мин упала до 500 м/с. Действующая на аппарат перегрузка достигала 228g. Кинетическая энергия рассеивалась на лобовом коническом щите, температура покрытия которого поднялась до 14000 °С! Затем щит отделился, и дальнейший спуск проходил на парашюте, в районе 6,5° с. ш., 4,5° з. д.

Пока аппарат был в работоспособном состоянии, он углубился в атмосферу на 146 км ниже уровня условной поверхности Юпитера (верхняя кромка плотных облачных слоев, где давление равно 1 бар, а температура —107 °С). Все это время — около 60 минут — зонд передавал результаты научных измерений на орбитальный отсек. Предполагалось, что при этом он пройдет все облачные слои, о которых говорилось выше. Радиосигналы с аппарата перестали поступать, когда давление достигло 22 бар, а температура 153 °С. По-видимому, водородно-гелиевая атмосфера каким-то образом проникла в аппарат, иначе измерения продолжались бы и дальше. Из-за технических проблем не всю программу удалось выполнить. Непосредственные измерения показали, что физика атмосферы Юпитера еще сложнее, чем предполагалось.

Район входа находится на границе экваториальной зоны и северного экваториального пояса, где на некоторых участках наблюдается повышенная яркость в инфракрасном (5 мкм) диапазоне. Характер полученных данных не полностью соответствует изложенным выше представлениям, что, в принципе, можно отнести за счет локальных особенностей района. По постепенному ослаблению солнечного света зонд обнаружил над верхним ярусом облаков диффузный слой, состоящий из ледяных частиц аммиака. Фактически зарегистрирован только один слой облаков, состоящий, по-видимому, из ледяных частиц гидросульфида, причем метеорологическая «дальность видности» в нем превышает 1,5 км. Из распределения яркости неба был сделан вывод, что вдали были видны какие-то облака. Но никакого слоя водяного пара или снега, вопреки ожиданиям, не обнаружено. Более того, атмосфера Юпитера оказалась очень сухой.

Массовое соотношение водорода к гелию в атмосфере (75 : 24) оказалось большим, чем по результатам «Вояджеров». На долю остальных элементов приходится всего 1%, причем углерода и серы в 2-3 раза больше, чем на Солнце. Количество органических молекул ничтожно мало. Теоретические модели с содержанием гелия 24% указывают, что температура ядра у Юпитера очень высокая, около 20000 К.

Зональные (восток-запад) скорости ветра на всем протяжении спуска были очень велики и достигали 640 км/ч, или 180 м/с. Измерения с «Вояджеров» тоже указывали на высокие скорости ветра, но трудно было предположить, что такие же скорости сохраняются глубоко под облачным слоем. Если на Земле динамика атмосферы и океана определяется притоком энергии от Солнца, то на Юпитере роль Солнца в метеоявлениях невелика. Ветры, превосходящие в несколько раз самые ураганные ветры Земли, порождаются мощными источниками тепла в горячих глубинах планеты, причем это относится почти ко всем планетам-гигантам.

Мы говорили уже о «сверхмолниях» на Юпитере. На зонде, сброшенном с «Галилео», был установлен прибор для регистрации молний как оптическим, так и радиометодом. Вспышки зарегистрированы не были, но радиоизлучение удаленных молний принималось постоянно. Молнии примерно в 10 раз превосходят по мощности земные, но на единицу площади их меньше тоже в 10 раз. Таким образом, грозовые явления теперь известны на Венере, Земле и Юпитере. Возможно, они существуют и на других планетах-гигантах.

По составу водородо-гелиевый Юпитер очень напоминает звезды. Его даже называют иногда «несостоявшейся звездой». Однако масса Юпитера в 13 раз меньше минимальной массы самых легких звезд — коричневых карликов, способных перерабатывать в своих недрах «легкогорящие» в термоядерных реакциях элементы — дейтерий и литий. Масса Юпитера в 70 раз меньше того минимума (предел Кумара), который необходим для протекания водородо-гелиевых термоядерных реакций, служащих источником энергии Солнца. В процессе термоядерного синтеза водорода в Солнце становится все меньше, а гелия — все больше. Атмосфера же Юпитера, напротив, должна иметь реликтовый, исходный состав протосолнечной туманности. Поэтому соотношение между водородом и гелием должно было сохраниться в ней таким же, каким оно было у молодого Солнца. На основании измерений Юпитера мы можем теперь считать (с известной осторожностью), что Солнце с самого начала содержало довольно много гелия.

Источники

См. также