2. Планети-гіганти: Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун та їхні супутники

Планети-гіганти на відміну від планет земної групи не мають твердої поверхні, адже за хімічним складом (99 % Гідрогену і Гелію) і густиною (≈1 г/см 3 ) вони нагадують зорі, а їхня велика маса спричиняє нагрівання ядер до температури понад +10 000 °С. Крім того, планети-гіганти досить швидко обертаються навколо осі та мають велику кількість супутників.

Рис. 2.1. Юпітер

Юпітер виявився найбільшою планетою Сонячної системи (рис. 2.1). Навколо цієї планети обертається численна родина супутників, чотири з яких — Іо, Європа, Ганімед та Каллісто (так звані Галілеєві супутники) — найбільші, які можна порівняти за розміром із Місяцем (рис. 2.2). Маса Юпітера майже в 2,5 раза перевищує сумарну масу решти планет і в 318 разів більша за масу Землі. Основними компонентами атмосфери Юпітера є водень — 74 % та гелій — 20 %, а у хмарах помічена присутність метану, аміаку та водяної пари. Верхній шар світлих хмар, де атмосферний тиск сягає 1 атм, складається з кристаликів аміаку. Шар хмар з домішками сірки, що розташований нижче, має червоний колір (рис. 2.3). Найнижче розташовані хмари з водяної пари, які утворюються на глибині 80 км від верхніх світлих хмар. Температура і атмосферний тиск із глибиною поступово зростають. Нещодавно з’явилися гіпотези щодо можливості існування життя у хмарах Юпітера, адже його атмосфера має всі компоненти, які були необхідні для появи життя на Землі. Деякі шари хмар теплі та відносно комфортні для існування навіть земних мікроорганізмів.

Рис. 2.2. Супутники Юпітера: Іо, Європа, Ганімед, Каллісто

Рис. 2.3. «Велика Червона Пляма», яка розташована в південній півкулі Юпітера і за розмірами майже вдвічі більша, ніж Земля, є велетенським вихорем в атмосфері, у якому вітер дме з ураганною швидкістю до 100 м/с

На глибині 20 000 км водень переходить у металічний стан, і його фізичні властивості нагадують розплавлений метал, який добре проводить електричний струм. Такий агрегатний стан водню (густина 4 г/см 3 при тискові 106 атм) на Землі не існує. Завдяки електричному струмові, що генерується у цій металевій оболонці, виникає потужне магнітне поле, тому навколо Юпітера утворюються радіаційні пояси, які в 104 рази інтенсивніші від земних. Юпітер є потужним джерелом випромінювання. У центрі Юпітера існує тверде ядро, подібне за хімічним складом до планет земної групи, яке може складатися зі скельних порід.

Дізнайтеся більше про Юпітер.

Сатурн — друга за розміром планета-гігант, оточена гарними кільцями (рис. 2.4). Світлини, які зробив космічний апарат «Вояджер-2», продемонстрували, що систему кілець утворюють тисячі тонких кілець (рис. 2.5). Кожне з них складається з численних уламків льоду. Товщина кілець становить не більше 2 км.

Рис. 2.4. Сатурн

Рис. 2.5. Кільця Сатурна

Сатурн не має того розмаїття кольорів, який ми спостерігаємо в атмосфері Юпітера, але структура атмосфери цих планет дуже схожа. Жовтуватого кольору верхнім шарам атмосфери Сатурна надають снігові хмари з аміаку. На глибині 300 км від верхніх шарів хмар розташовуються хмари води, у яких при підвищенні температури сніг перетворюється в дощ. Середня густина Сатурна менша, ніж води, що свідчить про невелику кількість важких хімічних елементів у ядрі планети. Сатурн, як і Юпітер, має магнітне поле, радіаційні пояси та є джерелом випромінювання.

Космічний корабель НАСА «Кассіні» здійснює занурення між Сатурном та його внутрішніми кільцями

У Сатурна виявлено багато супутників діаметром від 34 до 5150 км. Поверхні великих супутників вкриті багатьма кратерами різних розмірів. Найбільшим супутником планети є Титан, який можна спостерігати навіть у телескоп шкільного типу. Він майже у півтора рази більший за Місяць, оточений щільною азотною атмосферою. Під час висадження на його поверхню космічної станції «Кассіні» були виявлені озера й річки рідкого азоту й метану.

Для допитливих

Сатурн випромінює у космос більше енергії, ніж отримує від Сонця. Астрономи недавно виявили дефіцит Гелію в атмосфері Сатурна в порівнянні з атмосферою Юпітера і запропонували цікаву гіпотезу про можливе джерело його енергії. На Сатурні Гелій не повністю розчиняється у водні, як це спостерігається на Юпітері, де вищі тиск і температура. У водневій атмосфері Сатурна Гелій утворює краплі, які конденсуються в атмосфері як своєрідний туман і потім випадають у вигляді дощу. Такі гелієві опади у верхніх шарах атмосфери можуть бути джерелом внутрішньої енергії, тому що більш густий Гелій (у порівнянні з воднем) опускається ближче до центру. Таким чином, потенціальна енергія крапель Гелію перетворюється в кінетичну енергію, що призводить до підвищення температури в надрах. Із часом гелієві дощі припиняться, тому температура на Сатурні знизиться.

Дізнайтеся більше про Сатурн.

Уран — третя за розміром планета-гігант — має зеленувато-блакитний колір, тому що 1/7 його атмосфери складає метан (рис. 2.6). Він добре поглинає червоні промені й відбиває блакитні та зелені. Вісь обертання Урана нахилена під кутом усього лише 8° до площини орбіти. Існує одна особливість, яка виділяє Уран з усіх планет Сонячної системи: його екватор нахилений до площини орбіти під кутом 98°. Такий великий кут нахилу призводить до унікальної у Сонячній системі зміни пір року — полярні кола розташовуються майже на екваторі, а тропіки — біля полюсів.

Рис. 2.6. Уран

Це означає, що Сонце освітлює один із полюсів планети майже 42 земні роки, у той час як на іншому полюсі стільки ж триває полярна ніч (рис. 2.7). Щоправда, спеки там не буває, адже Уран отримує від Сонця набагато менше енергії, ніж Земля. У 1977 р. були відкриті кільця Урану. Планета оточена 11 вузькими кільцями, які розташовані в площині екватора на відстані близько 50 тис. км від центра планети. Товщина кілець не перевищує 1 км. Також Уран оточений великою кількістю супутників.

Рис. 2.7. Вісь обертання Урана лежить майже у площині орбіти, тому там тропіки збігаються з полярним колом. Тривалість сезонів на Урані 21 земний рік. Осьове обертання Урана, як і Венери, відбувається у напрямку, протилежному напрямку обертання інших планет Сонячної системи

Дізнайтеся більше про Уран.

Нептун — найменший серед планет-гігантів. Він розташований на межі Сонячної системи. Планета має внутрішнє джерело енергії, оскільки випромінює у космос тепла майже втричі більше, ніж отримує його від Сонця (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Нептун

Від часу свого відкриття у 1846 р. Нептун зробив повний оберт навколо Сонця тільки у 2011 р. Реальною є гіпотеза про водяні хмари з розчином аміаку, густина яких може перевищувати густину рідкої води в кілька разів (рис. 2.9). Швидкість вітрів у хмарах сягає фантастичної величини — 600 м/с. Чому виникають сильні вітри на такій холодній планеті — це ще одна нерозгадана таємниця планети.

Рис. 2.9. На Нептуні виявлений велетенський вихор із діаметром понад 1000 км, який має назву «Велика Чорна Пляма»

Навколо Нептуна обертаються вісім супутників, найбільший з них — Тритон, який кружляє навколо планети у зворотному напрямку. На світлинах, отриманих 1989 р. космічним кораблем «Вояджер-2», можна побачити, що планету оперізують три замкнені й одне незамкнене кільця. Вони розташовані на відстані від 1,7 до 2,5 радіуси Нептуна.

Дізнайтеся більше про Нептун.

Найбільші супутники планет Сонячної системи

Контрольні запитання

• 1. Які особливості у планет-гігантів?
• 2. Чому Юпітер можна вважати дуже схожим на зорю?
• 3. Що викликає гелієві дощі на Сатурні?
• 4. Чим обумовлена зміна пір року на Урані?
• 5. Опишіть поверхні планет-гігантів.
• 6. У чому полягають особливості планет-гігантів?

Завдання для спостереження

• 1. За допомогою астрономічного календаря відшукайте на небі Юпітер та Сатурн і визначте, у якому сузір’ї спостерігаються ці планети.
• 2. Які планети-гіганти видно сьогодні у вечірній час?

Дізнайтеся, як за допомогою глобуса можна показати розміри планет Сонячної системи та відстані між ними.

Планета Уран – 7-ма від Сонця

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Зміст:

Історія відкриття

Особливості планети

Уран важче нашої Землі в 14,5 разів. Тим не менш, це найлегша планета серед планет-гігантів, так сусідня з ним планета Нептун, хоча і має менші розміри, маса її більше, ніж Урану. Відносна легкість цієї планети обумовлена її складом, значну частину якого складає лід, причому лід на Урані самий різноманітний: є лід аміачний, водний, метановий. Густина Урану складає 1.27 г/см кубічних.

Температура

Яка температура на Урані? Зважаючи на віддаленість від Сонця, зрозуміло, дуже холодна і справа тут не тільки в її віддаленості, але і в тому, що внутрішнє тепло Урану в рази менше, ніж в інших планет. Тепловий потік планети надзвичайно маленький, він менше, ніж у Землі. Як наслідок на Урані була зареєстрована одна із самих низьких температур Сонячної системи -224 С, що навіть нижче ніж у Нептуна, який знаходиться ще далі від Сонця.

Чи є життя

При температурі, описаній абзацом вище, очевидно, що зародження життя на Урані не можливе.

Атмосфера

Яка атмосфера на Урані? Атмосфера цієї планети ділиться на шари, які визначаються температурою і поверхнею. Зовнішній шар атмосфери починається на відстані 300 км від умовної поверхні планети і називається атмосферною короною, це найхолодніша частина атмосфери. Далі ближче до поверхні йде стратосфера і тропосфера. Остання – сама нижня і найбільш щільна частина атмосфери планети. Тропосфера Урану має складну будову: вона складається з водних хмар, хмар аміаку, метанових хмар перемішаних між собою в хаотичному порядку. Склад атмосфери Урана відрізняється від атмосфер інших планет внаслідок високого вмісту гелію і молекулярного водню. Також велика частка в атмосфері Урана належить метану, хімічному з’єднанню, що становить 2,3% всіх молекул тамтешньої атмосфери.

Фото

Поверхня

Поверхня Урану складається з трьох шарів: скелястого ядра, крижаної мантії і зовнішньої оболонки з водню і гелію, які перебувають у газоподібному стані. Також варто відзначити ще один важливий елемент, який входить до складу поверхні Урану – це метановий лід, який створює, що називається фірмовий, блакитний колір планети. Також вчені засобами спектроскопії виявили окис і двоокис вуглецю у верхніх шарах атмосфери.

Кільця

Супутники

До речі про супутникі, як думаєте, скільки супутників в Урану? А їх у нього аж цілих 27 штук (принаймні, відомих на даний момент). Найбільшими вважаються: Міранда, Аріель, Умбриель, Оберон і Титанія. Всі супутники Урану являють собою суміш гірських порід з льодом, за винятком Міранди, яка повністю складається з льоду. Так виглядають супутники Урану в порівнянні з самою планетою. У багатьох супутників немає атмосфери, також частина з них рухається всередині кілець планети, через що їх називають внутрішніми супутниками, і всі вони володіють міцним зв’язком з кільцевою системою Урану. Вчені вважають, що багато супутників були захоплені гравітацією Урану.

Обертання

Обертання Урану навколо Сонця, мабуть, є найбільш цікавою особливістю цієї планети. Так як ми писали вище, Уран обертається інакше, ніж всі інші планети, а саме «ретроградно», подібно до того, як котиться по землі куля. Внаслідок цього зміна дня і ночі (в нашому звичному розумінні) на Урані відбувається тільки поблизу екватора планети, притому, що Сонце там розташована дуже низько над горизонтом, приблизно як у полярних широтах на Землі. Що ж стосується полюсів планети, то там «полярний день» і «полярна ніч» змінюють один одного разу в 42 земних роки. Що ж стосується року на Урані, то один тамтешній рік дорівнює нашим 84 земним рокам, саме за цей час планета робить коло по своїй орбіті навколо Сонця.

Скільки летіти

Скільки летіти до Урану від Землі? Якщо при сучасних технологіях політ до найближчих наших сусідок Меркурія, Венери, Марса займає кілька років, то політ до таких віддалених планет як Уран може розтягнутися на десятиліття. На даний момент лише один космічний апарат здійснив подібну подорож: Вояджер-2, запущений НАСА в 1977 році, долетів до Урану в 1986 році, як бачите політ в одну сторону зайняв майже десятиліття. Також передбачалося відправити до Урану апарат Кассіні, який займався вивченням Сатурна, але потім було прийнято рішення залишити Кассіні біля Сатурна, де той і загинув зовсім недавно – у вересні минулого 2017 року.

Цікаві факти

• Через три роки після свого відкриття планета Уран стала місцем дії сатиричного памфлету. Часто цю планету згадують у своїх науково-фантастичних творах письменники фантасти.
• Уран можна побачити в нічному небі і неозброєним оком, треба лише знати, куди дивитися, і небо повинно бути ідеально темним (що, на жаль, не можливо в умовах сучасних міст).
• На планеті Уран є вода. Ось тільки вода на Урані перебуває в замороженому вигляді, як лід.
• Планеті Уран можна з усією впевненістю призначити лаври «самої холодної планети» Сонячної системи.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв’язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.

Ця стаття доступна на англійській мові – Planet Uranus.