Солнечная система - Владимир Сурдин

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 метео-явлениях 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.

Внутреннее строение и магнитное поле

Протяженность атмосферы Юпитера по разным оценкам составляет от 1 до 6 тыс. км. При первом из этих значений — 1000 км. — давление на «дне» водородо-гелиевой атмосферы будет достигать 150 тыс. бар. Там должна начинаться зона плавного перехода газообразной, жидкой и твердой фаз в «поверхность» Юпитера, по некоторым расчетам раскаленную до 2000 К.

Толстый слой «жидкого водорода» действительно ведет себя как жидкость, хотя правильнее называть это состояние газожидким. Из-за высокой температуры водород Юпитера и других гигантов находится в сверхкритическом состоянии: водород не может быть жидкостью при температуре более 33 К. Здесь необходимо сделать оговорку.

Увеличение давления выше некоторого предельного приводит к разрушению электронных оболочек атомов. Вещество резко изменяет свои свойства. Так, при давлении около 1 млн. бар. (для Юпитера это глубина, по разным оценкам, от 12 до 20 тыс. км.) возникает жидкий молекулярный водород. Его слой, вероятно, с примесью гелия, образует внешнее ядро планеты. Далее водород переходит в металлическое состояние с выделением теплоты фазового перехода. Это один из источников энергии в недрах планеты. При металлизации водорода могут возникнуть своеобразные растворы, например раствор гелия в металлическом водороде. Наконец, сам металлический водород тоже может быть твердым или жидким. Учет всех этих подробностей делает расчеты внутреннего строения планет-гигантов крайне сложными.

Схемы внутреннего строения планет-гигантов представлены на рис. в виде объемных секторов. Там же для сравнения показано строение Земли.

Плотность оболочек возрастает по направлению к центру планеты. Атмосфера Юпитера, толщина которой принята 1500 км., уплотняется в глубину. На дне атмосферы находится слой газо-жидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,88 радиуса водород переходит в жидкомолекулярное состояние с резким увеличением плотности от 0,56 до 0,66 г/см3. Здесь давление и температура составляют 0,69 Мбар и 6500 К. Ниже, на уровне 0,77 радиуса (3 Мбар, 10000 К) водород переходит в жидкое металлическое состояние. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входит небольшое количество тяжелых элементов. Общее количество водорода и гелия у Юпитера соответствует 225 и 70 массам Земли. Еще 20 масс Земли приходится на тяжелые элементы в центре планеты и отчасти в оболочках.

На внутреннее ядро Юпитера приходится не менее 5 масс Земли, а по диаметру оно примерно вдвое больше Земли. По составу ядро металло-силикатное и, возможно, включает воду, аммиак и метан. Предполагают, что внутреннее ядро окружено слоем гелия или растворов гелия. Температура в центре планеты близка к 20000 К, а давление около 50 Мбар. Похожее строение имеет и Сатурн, однако уровень внешней границы металлического водорода у него находится у 0,49 радиуса, а граница внутреннего ядра — у 0,15 радиуса. Температура и давление в центре Сатурна, согласно расчетам, 17000 К и 23 Мбар.

Значительно ниже температура и давление в центре Урана и Нептуна: около 7200 К и 8 Мбар. Водорода в их составе намного меньше. Над большим металло-силикатным ядром у них расположены мантии из смеси водяного и аммиачно-метанового льдов. Не следует понимать слово «льды» в привычном смысле: это вещества, образующие льды при физических условиях облачного покрова Юпитера.