10. Юпитер - главенствующая планета [1948 Уиппл Ф.

От бесплодной, застывшей Луны перенесём теперь наше внимание к антитезису всего лунного, колоссу планетной системы - Юпитеру, поверхность которого представляет собой круговорот никогда не прекращающихся изменений. Юпитер находится от нас на расстоянии около 630 миллионов километров; масса его более чем в триста раз превосходит земную, но по объёму он более чем в тысячу раз больше Земли. В телескоп Юпитер представляется нам золотистым диском с тёмными и светлыми полосами, идущими приблизительно параллельно друг другу. Наш глаз привлекают красноватые и коричневые оттенки неправильных, похожих на облака, пятен, нарушающих однообразие полос (рис. 95, а). Диск кажется несколько удлинённым в направлении полос, и тщательные измерения подтверждают это впечатление: диаметр в направлении полос примерно на одну пятнадцатую больше перпендикулярного к нему диаметра.

Рис. 95 а и b. Юпитер в 1928 г. Два фотоснимка, полученные с интервалом 49 1/2 часов, показывают изменения Красного Пятна и движения облаков вблизи него. Обратите внимание на пятна, отмеченные стрелками

При наблюдении в течение часа мы замечаем, что планета несколько повернулась; полное обращение вокруг своей оси Юпитер совершает всего за 9 часов 55 минут. В следующую ночь мы видим, что полосы и основные пятна на поверхности остались такими же", как и накануне, но что детали несколько изменились (ср. рис. 95 а и b). В течение нескольких недель структура полос в значительной степени меняется, хотя их общий характер остаётся неизменным. Поскольку ось вращения перпендикулярна к плоскости медленно изменяющихся полос, то полосы должны представлять собой гигантские атмосферные течения ("пассаты"), параллельные экватору. Юпитер должен обладать толстой атмосферой, так что благодаря быстрому вращению эти потоки могут сохраняться, до некоторой степени аналогично тому, как сохраняются пассаты в нашей земной атмосфере.

Юпитер действительно вращается очень быстро, - точки, лежащие на его экваторе, движутся со скоростью 40 000 км в час. Несмотря на то что сила тяжести на поверхности Юпитера в 2,6 раза больше, чем на поверхности Земли, развивающаяся при его вращении центробежная сила достаточна, чтобы вызвать значительное сжатие планеты, о котором мы уже говорили раньше. Однако величина этого сжатия не так велика, как можно было бы ожидать, если бы внутреннее строение Юпитера было аналогично внутреннему строению Земли. Сложные вычисления показывают, что отношение плотности вещества вблизи центра Юпитера к плотности его верхних слоев должно быть больше, чем для Земли. Таким образом возрастание плотности от поверхности к центру для Юпитера происходит относительно быстрее, чем для Земли.

Эта особенность распределения плотности Юпитера приобретает особое значение, если мы вспомним, что средняя плотность всей планеты только в 1 1/3 Раза больше плотности воды. Высокая концентрация материи в центре означает, что плотность внешних слоев должна быть гораздо меньше плотности воды. Поскольку нам известно очень мало твёрдых или жидких веществ, обладающих такой малой плотностью, мы должны заключить, что внешние слои Юпитера являются газообразными или же состоят из весьма лёгких веществ.

Наличие весьма обширной атмосферы подтверждается непосредственными наблюдениями некоторых окрашенных пятен. Самым замечательным явлением на поверхности Юпитера было большое Красное Пятно, впервые замеченное в 1878 г. Оно появилось в виде кирпично-красного пятна, вытянутого примерно на 50 000 км в направлении, параллельном экватору. В настоящее время его также можно наблюдать в виде овального пятна, окраска и характер которого изменяются, но никогда оно не было так заметно, как в первые пять лет после открытия. На рис. 96 представлены фотографии Юпитера с Красным Пятном в шести различных цветах. В ультрафиолетовом и фиолетовом свете пятно кажется тёмным по сравнению с диском планеты. В зелёном и жёлтом свете оно едва заметно, а в красных и инфракрасных лучах исчезает совершенно. Белый предмет был бы виден одинаково хорошо во всех лучах, а красному предмету недостаёт фиолетового, синего и зелёного цветов, поэтому он кажется тёмным при фотографировании в этих лучах. Таким образом беспристрастный "наблюдатель" - фотографическая пластинка - подтверждает установленную нами окраску Красного Пятна. Общий красноватый оттенок прочих пятен также подтверждается снимками, приведёнными на рис. 96.

Рис. 96. Юпитер, сфотографированный в шести цветах. у-ф - ультрафиолетовые лучи

Большое Красное Пятно не разделяет равномерного вращения планеты, но обладает довольно значительным дрейфующим движением; однажды оно отклонилось от своего среднего положения примерно на четверть окружности Юпитера. Такая свобода движения бесспорно показывает, что пятно представляет собой образование, плавающее на поверхности атмосферы. На поверхности Юпитера наблюдаются и другие полупостоянные пятна такого же характера и все они обладают некоторым движением. Эти явления свидетельствуют о том, что атмосфера Юпитера глубока и имеет сложную структуру.

Рис. 96. Юпитер, сфотографированный в шести цветах. ф - фиолетовые

Мы знаем два химических вещества, входящих в состав атмосферы Юпитера, - аммиак и метан (или болотный газ). Как мы можем определить химический состав газа, находящегося от нас на расстоянии свыше 630 миллионов километров? Это кажется какой-то научной магией. Для определения химического состава небесных тел астрономы пользуются спектрографом - прибором, который разлагает свет на его составные цвета и фотографирует всю последовательность цветов - от ультрафиолетового до инфракрасного. Анализируемый пучок света проходит сначала через входную щель спектрографа (рис. 97), затем через линзу и падает на призму - сердце всего прибора. Призма разлагает свет на составляющие его цвета спектра. Спектр по своему строению сходен с радугой с той лишь разницей, что различные цвета в нём разделены гораздо отчётливее. Вторая линза спектрографа служит для фокусирования спектра на фотографической пластинке. Фотографическая пластинка при достаточно длительной экспозиции регистрирует свет гораздо более слабый, чем тот, который можно видеть невооружённым глазом.

Рис. 96. Юпитер, сфотографированный в шести цветах. з - зелёные

Спектрограф помогает нам разрешить целый ряд сложнейших проблем, причём одной из наиболее важных является отождествление химических веществ, входящих в состав газовой смеси. По свету, исходящему от светящегося или поглощающего газа, мы можем судить о природе газа. Каждый атом или молекула представляет собой вибрирующую, пульсирующую систему; колебания совершаются элементарными, отрицательно заряженными частицами - электронами, которые движутся по крошечным орбитам вокруг более тяжёлого, положительно заряженного ядра атома. Атомы в молекуле, кроме того, вращаются и колеблются друг относительно друга.

Рис. 96. Юпитер, сфотографированный в шести цветах. ж - жёлтые

Все эти движения в атомах и молекулах соответствуют определённым количествам энергии, весьма малым, но характерным для каждого рода атома или молекулы. Когда атом теряет энергию вследствие перескоков электронов на другие орбиты или других процессов, энергия излучается в пространство определёнными порциями - фотонами, ведущими себя то как материальные частицы, то как волны. Фотоны характеризуются определённым количеством энергии, определённым цветом и определённой длиной волны. Эхи световые волны принадлежат к тому же семейству, что и радиоволны, но гораздо короче их. Длина волн красного света составляет около 0,0006 мм, длина волн сине-зелёного света - только 0,0005 мм. Инфракрасные или тепловые волны могут быть в несколько раз длиннее; ультрафиолетовые волны гораздо короче.

Сжатый, раскалённый газ вблизи поверхности Солнца посылает к нам световые лучи всех цветов и потому всех длин волн. Когда такой непрерывный свет проходит через слой холодного газа, например через нашу атмосферу или атмосферу Юпитера, то вибрирующие атомы и молекулы возбуждаются и поглощают свет как раз тех длин волн, которые соответствуют скорости их колебаний. Когда мы анализируем свет с помощью спектрографа, мы измеряем длины волн поглощённых лучей и таким образом находим атомных или молекулярных воров, виновных в этой недостаче. Поглощённые лучи представляются в спектре в виде тёмных линий или полос.

Рис. 96. Юпитер, сфотографированный в шести цветах. к - красные

Молекулы аммиака и метана, находящиеся в атмосфере Юпитера, дают широкие тёмные полосы в спектре, изображённом на рис. 98. (Другие тёмные линии, видимые на этих спектрах, вызываются газами внешних слоев Солнца и земной атмосферы.) Принадлежность этих тёмных линий аммиаку и метану была установлена Теодором Дэнгемом. Сжимая эти газы в восемнадцатиметровой трубе и пропуская сквозь трубу свет, он установил, что длины волн тёмных полос в спектре светового пучка, дважды прошедшего через трубу, точно соответствовали длинам волн тёмных полос в спектре Юпитера. Слой аммиака толщиной около девяти метров при нормальном атмосферном давлении эквивалентен количеству этого газа в атмосфере Юпитера, до той глубины, на которую проникает солнечный свет, пока он не отразится. Для метана соответствующая толщина слоя равна 800 м.

Рис. 96. Юпитер, сфотографированный в шести цветах. и-к - инфракрасные. Чёрное пятно - тень от спутника

Наличие упомянутых выше газов говорит о том, что атмосфера Юпитера очень богата водородом. Аммиак (NH₃) состоит из одного атома азота и трёх атомов водорода, а метан (СН₄) содержит один атом углерода на четыре атома водорода. Отсюда мы можем заключить, что в атмосфере Юпитера водорода так много, что он соединяется со всеми наличными атомами углерода и азота. Возможно, что он соединялся также со свободным кислородом, образуя воду (Н₂O), но вода замёрзла и опустилась на дно атмосферы, уйдя таким образом в области, не доступные нашему глазу. Если это предположение справедливо, то где-то внизу, гораздо ниже облаков Юпитера, может лежать толстый слой льда. Свободный газообразный водород, по всей вероятности, : оставляет большую часть атмосферы Юпитера, но его нельзя обнаружить с помощью спектрографа; водород при низкой температуре поглощает свет только в далёкой ультрафиолетовой области спектра, которая совершенно не пропускается нашей атмосферой.

Рис. 97. Схема спектрографа

Большое количество водорода в атмосфере Юпитера подтверждает наши предыдущие выводы относительно низкой плотности внешних слоев и сравнительно малой плотности всей планеты в целом. Поскольку водород - самый лёгкий элемент, мы понимаем теперь, каким образом может материя Юпитера находиться в таком разреженном состоянии. Схематическая модель внутреннего строения Юпитера была предложена Рупертом Вильдтом. Внешние слои, занимающие первые 18% радиуса, состоят, главным образом, из сжатого водорода; слой льда заполняет следующие 39%, а остальные 43% заполнены металлическим твёрдым ядром (рис. 99). Лёд, находясь под огромным давлением, сжат до плотности, равной 1,5 плотности воды, водород до 0,35, плотность ядра предполагается равной 6,0. Несмотря на то, что мы, вероятно, никогда не сможем проверить правильность этой модели во всех подробностях, всё же она даёт не противоречащее наблюдениям представление о физических условиях под облачной атмосферой Юпитера (В настоящее время эта модель встречает большие возражения. (Прим. ред.))).

Рис. 98. Инфракрасные области спектров: а) Солнца, b) Сатурна, с) Юпитера, d) аммиака. Обратите внимание на тождественность линий поглощения в спектрах Юпитера и аммиака, на слабость их в спектре Сатурна и отсутствие их в спектре Солнца

Строение больших облаков теперь перестало быть для нас предметом одних предположений. Мы знаем, что атмосфера Юпитера - богата аммиаком и метаном и, кроме того, нам известна температура на поверхности Юпитера; эти два фактора дают ключ к разрешению поставленной проблемы. Температура поверхности равна приблизительно - 138° С; это примерно та температура, которую можно было бы ожидать, если бы поверхность Юпитера нагревалась только Солнцем. Аммиак кипит при - 33° С и замерзает при - 78°С, метан же кипит при - 164°С и замерзает при - 184° С. Следовательно, аммиак на Юпитере находится в твёрдом состоянии, а метан - в газообразном. Поэтому облака на Юпитере должны состоять из небольших кристаллов аммиака, находящихся во взвешенном состоянии, как кристаллы льда в земных облаках. Обнаруженные наблюдениями пары аммиака, очевидно, сублимировались (Возгонялись, испарялись из твёрдого состояния. Лёд быстро возгоняется при температурах, лежащих значительно ниже точки его замерзания)) из твёрдых кристаллов; если бы этого не произошло, мы не смогли бы открыть присутствия аммиака.

Рис. 99. Внутренняя структура Юпитера по Р. Вильдту

Мы уже отмечали, что некоторые облака характеризуются весьма яркой окраской. На фотографиях (рис. 100) ясно видны изменения в оттенках на многих полосах и областях, покрытых облаками. Экваториальная полоса кажется тёмной в синем свете, но совершенно незаметна в зелёных и красных лучах. Отсюда мы заключаем, что эта полоса должна быть жёлтого цвета, так как красный и зелёный свет, соединяясь, производят оптическое впечатление жёлтого, Кроме кирпично-красного цвета Красного Пятна при тщательном исследовании этих прекрасных фотографий можно обнаружить целый ряд оттенков, Вильдт высказал предположение, что облака загрязнены следами металлических соединений, в частности соединений натрия, которые окрашивают белые отражения кристаллов (В. В. Шаронов недавно показал, что оттенки, наблюдающиеся на поверхности Юпитера, могут быть объяснены эффектами селективного рассеяния света в атмосфере Юпитера. (Прим. ред.))).

Рис. 100. Цвета на Юпитере. Фотографии сняты в зелёном, красном и синем свете (слева направо). Обратите внимание, каким тёмным кажется Красное Пятно в синем свете

Наименее доступной для визуального наблюдения областью Юпитера является, повидимому, верхний переходный слой между облачной атмосферой и твёрдым (?) веществом под ней. Сила притяжения, действующая на верхние слои газа, вызывает быстрое возрастание давления на больших глубинах в атмосфере, и перед нами встаёт трудная задача определения уровня, на котором газы и облака образуют твёрдый нижний слой. Такой газ, как метан, может оставаться в парообразном состоянии, даже будучи сжатым до плотности, значительно превышающей его обычную плотность в твёрдом состоянии, если температура возрастает вместе с глубиной, а на Юпитере это условие, повщщмому, выполняется. Наблюдаемая температура планеты, в соответствии с нашими предположениями, показывает только, что Юпитер не излучает слишком много тепла; даже при этих условиях нижние слои могут иметь значительно ббльшую температуру, чем верхние. Весьма вероятно, что резко очерченной границы твёрдой поверхности не существует, но что на некотором расстоянии под облаками газы сильно уплотняются, пока не начнётся толстый полужидкий слой (возможно состоящий в значительной мере из частиц твёрдого аммиака). По мере возрастания глубины эта слякоть становится всё тяжелее, пока не станет совершенно твёрдой.

Длительность существования Красного Пятна (свыше ста лёт (После того как Красное Пятно было открыто, удалось установить его присутствие на рисунках, относящихся ещё к 1831 г)) и других пятен полупостоянного характера вносит новое усложнение в вопрос о том, имеется ли у Юпитера твёрдая поверхность. Южное Тропическое Возмущение, менее заметное, чем Красное Пятно, движется несколько неправильно вдоль экватора Юпитера, совершая своё обращение примерно за два года. Оно приближается к Красному Пятну со скоростью многих километров в час, ускоряет своё движение, догоняя Пятно, и затем как бы отталкивает его от себя на некоторое расстояние. После столкновения Пятно отхбдит назад, а Возмущение продолжает свой путь. Наличие движений такого рода заставляет отбросить предположение о том, что Южное Тропическое Возмущение или даже Красное Пятно существует вследствие непрерывной вулканической деятельности.

Относительные движения описанного выше типа можно видеть на рис. 101. Небольшое белое пятно к северу от экватора (т. е. под ним) надвигается на тёмное пятно к юго-востоку от экватора (сверху и слева). Продвижение ясно заметно за три недели, протекшие между первым и вторым снимками. На рис. 95, помещённой в начале настоящей главы, можно видеть движение Красного Пятна со скоростью 13 000 км в сутки относительно более тёмных пятен вблизи него. Небольшой промежуток времени, протекший между двумя экспозициями, и мало заметный характер тёмных пятен затрудняют исследование движения на фотографиях.

Рис. 101. Быстрые изменения на Юпитере. Эти снимки были получены соответственно (слева направо) 14 сентября, 6 октября и 30 ноября 1928 г. Обратите внимание на относительное движение маленького белого пятна как раз под экватором

Хотя полупостоянные пятна не могут непрерывно поддерживаться вулканической деятельностью, но окраска их металлическими примесями делает вполне вероятным их вулканическое происхождение. Поскольку мы не можем привести решительных доводов ни за, ни против вулканической гипотезы, почему не попробовать примирить её с данными наблюдений? Является ли продолжительность существования в 40 лет для Южного Тропического Возмущения или в 100 лет для Красного Пятна такой невероятно большой? Наименьшие диаметры облаков на Юпитере сравнимы с диаметром Земли, но облака простираются параллельно экватору Юпитера на гораздо большие расстояния. Хотя мы не можем уверенно утверждать, что глубина их равна их ширине, но возможно, что они простираются на глубину до 800 км. На больших глубинах давление (возможно в сто тысяч атмосфер) сожмёт газы до почти жидкого или твёрдого состояния, в зависимости от температуры. Если мы допустим, что облака возникли из огромных вулканических пузырей или извержений из глубоких недр Юпитера, то выброшенное вещество вполне может окрасить материю в объёме, сравнимом с объёмом Луны. Вряд ли покажется удивительным, что такое гигантское облачное пятно сохранило свой характер в течение ряда лет. Продолжительность его жизни может ещё возрасти, если по своей структуре оно будет сильно отличаться от окружающей его атмосферы, например будет горячее или холоднее или меньшей плотности. Ядро, состоящее из металлических веществ, может сохраняться и продолжать окрашивать окружающие его облака в течение многих лет.

Рис. 102. Медленные изменения на Юпитере. Тени спутников видны на снимках, относящиеся к 1914 и 1930 гг.

Однако необычные движения пятен вызывают некоторые сомнения относительно существования какого-то твёрдого слоя на значительной глубине от поверхности Юпитера. Мы помним об особенностях вращения Солнца, которое целиком является газообразным; экваториальная область его вращается быстрее, чем области, близкие к полюсам. Вообще говоря, мы не наблюдаем такой аномалии во вращении Юпитера. Но всё же большие неправильности в движении могли бы быть сглажены трением если бы существовала реальная поверхность планеты (Пассаты на Земле сохраняются вследствие изменений температуры по широте и во времени, а также благодаря испарению воды в океанах)).

Активность всех облакообразующих факторов прекрасно видна на серии фотографий на рис. 102. Характер поверхности в различные эпохи совершенно меняется. Вряд ли структура слоя, находящегося под поверхностью, остаётся постоянной, если снаружи происходят такие заметные изменения.