Астрономия. Популярные лекции - Владимир Георгиевич Сурдин
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Что там внутри?
Внутреннее строение планет-гигантов пока изучается только теоретически. На прямое проникновение в их недра у нас мало шансов, а методы сейсмологии, т. е. акустического зондирования, к ним пока не применялись. Возможно, когда-нибудь мы научимся просвечивать их с помощью нейтрино, но до этого еще далеко. К счастью, в лабораторных условиях уже неплохо изучено поведение вещества при тех давлениях и температурах, которые царят в недрах планет-гигантов, что дает материал для математического моделирования их недр. На рис. 6.5 показано наше нынешнее представление о внутреннем строении планет-гигантов и, для сравнения, Земли. У Земли, как видите, температура в центре достигает 6000 K (разные модели дают от 5700 до 6300 K). Получается, что в центре Земли такая же температура, как на поверхности Солнца. Но в недрах гигантов она еще выше: температура в ядре Юпитера — от 20 до 35 тыс. K (по разным моделям), т. е. такая же, как на поверхности самых горячих звезд спектрального класса О.
Рис. 6.5. Структура планет Солнечной системы.
Для контроля адекватности моделей внутреннего строения планет есть методы. Два физических поля — магнитное и гравитационное, источники которых находятся в недрах, выходят в окружающее планету пространство, где их можно измерять приборами космических зондов.
На структуру магнитного поля действует много искажающих факторов (околопланетная плазма, солнечный ветер), зато гравитационное поле зависит только от распределения плотности внутри планеты. Чем сильнее тело планеты отличается от сферически симметричного, тем сложнее ее гравитационное поле, тем больше в нем гармоник, отличающих его от простого ньютонова GM/R2.
Прибором для измерения гравитационного поля далеких планет, как правило, служит сам космический зонд, точнее, его движение в поле планеты. Чем дальше зонд от планеты, тем слабее в его движении проявляются мелкие отличия поля планеты от сферически симметричного, поэтому необходимо запускать аппарат как можно ближе к планете (см. гл. 3, рис. 3.9 и 3.10). С этой целью с 2016 г. рядом с Юпитером работает новый зонд Juno (NASA). Он летает по полярной орбите, чего раньше не было. На полярной орбите высшие гармоники гравитационного поля проявляются заметнее, поскольку планета сжата, а зонд время от времени подходит очень близко к поверхности. Именно это дает возможность измерить высшие гармоники разложения гравитационного поля. Но по этой же причине зонд довольно скоро закончит свою работу: он пролетает через наиболее плотные области радиационных поясов Юпитера, и его аппаратура от этого сильно страдает.
Рис. 6.6. Дозы радиации в системе спутников Юпитера (бэр/сутки).
Радиационные пояса Юпитера колоссальны. При большом давлении водород в недрах планеты металлизируется: его электроны обобщаются, теряют связь с ядрами, и жидкий водород становится проводником электричества. Огромная масса сверхпроводящей среды, быстрое вращение и мощная конвекция — эти три фактора способствуют генерации магнитного поля за счет динамо-эффекта. В колоссальном магнитном поле, захватывающем летящие от Солнца заряженные частицы, формируются чудовищные радиационные пояса. В их наиболее плотной части лежат орбиты внутренних галилеевых спутников. Поэтому на поверхности Европы человек не прожил бы и дня, а на Ио — и часа. Даже космическому роботу нелегко там находиться. Более удаленные от Юпитера Ганимед и Каллисто в этом смысле значительно безопаснее для исследования, поэтому именно туда Роскосмос собирается в будущем послать зонд. Правда, Европа с ее подледным океаном была бы намного интереснее.
Ледяные гиганты Уран и Нептун выглядят промежуточными между газовыми гигантами и планетами земного типа. По сравнению с Юпитером и Сатурном у них меньше размер, масса и центральное давление, но при этом их относительно высокая средняя плотность указывает на большую долю элементов группы CNO. Протяженная и массивная атмосфера Урана и Нептуна в основном водородно-гелиевая. Под ней — водная с примесью аммиака и метана мантия, которую принято называть ледяной. Но планетологи подразумевают под «льдами» сами химические элементы группы CNO и их соединения (H2O, NH3, CH4 и т. п.), а не агрегатное состояние, так что мантия в большей степени может быть жидкой. А под ней лежит сравнительно небольшое железно-каменное ядро. Поскольку концентрация углерода в недрах Урана и Нептуна выше, чем у Сатурна и Юпитера, в основании их ледяной мантии может лежать слой жидкого углерода, в котором конденсируются кристаллы, т. е. алмазы, оседающие вниз.
Подчеркну, что внутреннее строение планет-гигантов активно обсуждается, и конкурирующих моделей пока довольно много. Каждое новое измерение с борта космического зонда и каждый новый результат лабораторного моделирования в установках высокого давления приводят к пересмотру этих моделей. Напомню, что прямое измерение параметров весьма неглубоких слоев атмосферы, да и то только у Юпитера, было выполнено лишь однажды зондом, сброшенным с «Галилео» (NASA). А всё остальное — косвенные измерения и теоретические модели.
Магнитные поля Урана и Нептуна слабее, чем у газовых гигантов, но сильнее, чем у Земли. Хотя у поверхности Урана и Нептуна индукция поля примерно такая же, как у поверхности Земли (доли гаусса), но объем, а значит, и магнитный момент намного больше. Геометрия магнитного поля ледяных гигантов очень сложна и далека от простой дипольной формы, характерной для Земли, Юпитера и Сатурна. Вероятная причина — в том, что магнитное поле Урана и Нептуна генерируется в относительно тонком электропроводящем слое мантии, где конвекционные потоки не обладают высокой степенью симметрии (поскольку толщина слоя много меньше его радиуса).
При внешнем сходстве Уран и Нептун нельзя назвать близнецами: у них разная средняя плотность (соответственно 1,27 и 1,64 г/см3) и разная интенсивность выделения тепла в недрах. Хотя Уран в полтора раза ближе к Солнцу, чем Нептун, и поэтому получает от него в 2,5 раза больше тепла, он холоднее Нептуна. Дело в том, что Нептун выделяет в своих недрах даже больше тепла, чем получает от Солнца, а Уран не выделяет почти ничего. Поток тепла из недр Урана вблизи его поверхности составляет всего 0,042 ± 0,047 Вт/м2 — меньше, чем у Земли (0,075 Вт/м2). Уран — самая холодная планета в
