XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Юпитер – загадочный гигант
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Юпитер очаровал наблюдателей еще 400 лет назад, когда его удалось разглядеть в первые телескопы. Это прекрасный газовый гигант с закрученными облаками, загадочным пятном, семейством спутников и множеством особенностей.
Больше всего впечатляют его масштабы. По показателям массы, объема и площади планета занимает почетное первое место в Солнечной системе. О его существовании знали еще древние люди, поэтому Юпитер отметился во многих культурах. При изучении Солнечной системы на занятиях по астрономии планета Юпитер просто завоевал мое внимание. Если Сатурн, Уран, Нептун планеты гиганты, то Юпитер супер гигант.
Цель работы:
Найти подробную информацию о планете Юпитер и ее космических исследованиях.
Задачи:
Поиск источников информации об Юпитере.
Систематизация полученной информации.
Изложение полученной информации.
Основная часть.
Общие сведения.
Юпитер — пятая от Солнца планета, находящаяся от него на расстоянии примерно 775 млн км. По форме представляет собой раздавленный шар — сфероид, — достаточно сильно сжатый с полюсов.
Юпитер — третий по яркости объект Солнечной системы после Венеры и Луны. Зато он светит даже ярче, чем самая яркая звезда на небосклоне — Сириус. В хороший бинокль или маленький телескоп можно увидеть белый диск Юпитера, а также его четыре ярких спутника.
Юпитер является самой большой планетой нашей Солнечной системы, названный в честь древнеримского бога Юпитера — повелителя людей и богов. Его средний радиус — около 70 000 км (что в 11 раз больше радиуса Земли), а объем в 1300 раз больше земного. Масса в 317 раз больше массы Земли, а также в 2,5 раза больше массы всех остальных планет Солнечной системы вместе взятых. Гравитация на этом гиганте в 2,5 раза сильнее, чем на Земле. Это означает, что если бы человек весом 100 кг попал на эту планету, то он весил бы 250 кг. Правда, там некуда было бы поставить весы — у Юпитера нет твердой поверхности.
Планете необходимо почти 12 земных лет, чтобы завершить один оборот вокруг Солнца. Она мчится по своей орбите со скоростью 13 км/с. Экватор наклонен к плоскости орбиты под углом 3°, поэтому на Юпитере практически нет смены сезонов года.
В отличие от планет земной группы, Юпитер представляет собой шар, состоящий почти полностью из двух газов — водорода и гелия (как и Солнце). Температура на нем крайне низкая -140°С. Этот газовый гигант — самая быстро вращающаяся планета в Солнечной системе: один оборот вокруг своей оси он совершает каждые 10 ч.
Юпитер обладает собственным магнитным полем, которое в 14 раз сильнее земного. Оно простирается на 650 млн км (за орбиту Сатурна).
Магнитное поле обычно связывают с наличием у планеты электропроводящего ядра. Ученые предполагают, что у Юпитера твердое ядро размером с Землю, но гораздо более плотное. Возможно, оно состоит из каменных скальных пород. На глубине 60000 — 65000 км температура возрастает до 20000°С. При этом давление достигает фантастических величин в 5 млн атмосфер.
Водород, будучи под таким колоссальным давлением атмосферы, превращается в металлическую жидкость, подобную ртути. В этой жидкости имеется много свободных электронов. Она способна проводить электрический ток, как это свойственно металлам. Получается, что каменное ядро окружено слоем жидкого металлического водорода, а в наружном его слое преобладает обычный молекулярный водород.
Штормы на Юпитере
Наблюдаемые снаружи красивые облака и штормы на Юпитере — это верхний слой его атмосферы толщиной около 50 км. Эти облака образуют многочисленные полосы желто-коричневых, красных и голубоватых оттенков. Под ними простирается океан из водорода и гелия толщиной 8000 — 20000 км. Еще ниже атмосфера Юпитера создает гигантское давление, которое увеличивается при приближении к центру планеты. Там постепенно возникают экстремальные физические условия, приводящие к переходу вещества в особое состояние.
Для атмосферы Юпитера (как и остальных трех газовых планет) характерны ветра с большими скоростями, дующие в пределах широких полос, параллельных экватору планеты. При этом в соседних полосах на Юпитере ветры направлены в противоположные стороны. Эти полосы различимы даже в небольшой телескоп и находятся в постоянном движении. Ветры на Юпитере достигают скорости 500 км/ч.
На планете наблюдается так называемое Большое красное пятно — гигантский атмосферный вихрь, который бушует в южном полушарии вот уже 400 лет. Столетие назад эта буря имела размер более 40 000 км в поперечнике. Однако ныне его размеры уменьшились наполовину, но все равно его можно наблюдать даже из земных телескопов. Это самый большой атмосферный вихрь в Солнечной системе: вдоль него могли бы разместиться три планеты размером с Землю. Он вращается против часовой стрелки со скоростью 435 км/ч.
Строение Юпитера
В составе атмосферы обнаружены в основном водород и гелий, другие газы: азот, сероводород, аммиак имеются в небольших количествах. Юпитер является не твердой, а газовой планетой. Структура планеты напоминает структуру Солнца. Почти на 90% Юпитер состоит из водорода, 10% приходится на гелий. Остальные вещества, метан, аммоний, этан, вода, занимают незначительную часть. Внутри Юпитера из-за давления водород становится похожим на металл.
Во внутреннюю структуру Юпитера входит плотное ядро из водорода, камня и гелия, металлический водород, жидкий водород и оболочка из гелия и водорода.
Водород, будучи под таким колоссальным давлением атмосферы, превращается в металлическую жидкость, подобную ртути. В этой жидкости имеется много свободных электронов. Она способна проводить электрический ток, как это свойственно металлам. Получается, что каменное ядро окружено слоем жидкого металлического водорода, а в наружном его слое преобладает обычный молекулярный водород.
Строение Юпитера
Кроме большого красного пятна в 1938 году были замечены ещё три белых овала — это тоже ураганы. В 1988 году два из них слились в один вихрь, в 2000 году к ним присоединился третий белый овал. В 2005 году этот большой ураган, получившийся из трёх небольших, стал менять цвет и покраснел. Сейчас он называется — «малое красное пятно».
Юпитер — огромная планета Солнечной системы, масса которого больше Земли в 318 раз. Для того, что представить, насколько громаден Юпитер, необходимо сравнить его к примеру, с Землей. Представим, что некий человек прошел бы вдоль по линии экватора Земли от начала до конца. Такой непростой путь составил бы около 40 000 километров. Линия экватора Юпитера составляет приблизительно 449 000 километров, что в десятки раз больше линии Земли.
Спутники и кольца Юпитера
У Юпитера на сегодняшний день 79 спутников-лун. 4 больших спутника можно увидеть с Земли в обычный бинокль. Самый большой, Ганимед, размером — как половина Земли. Ганимед — вообще самый большой из имеющихся в Солнечной системе спутников.
10 самых больших спутников Юпитера: Ганимед (размер 5260 км); Каллисто (4820 км); Ио (3642 км); Европа (3122 км); Амальтея (250 км); Гималия (170 км); Фива (116 км); Элара (86 км); Пасифе (60 км); Карме (46 км); Лиситея (36 км). Пять самых маленьких спутников имеют размеры в 1 км.
Ганимед, Каллисто, Ио и Европа называются Галилеевыми спутниками, потому что их в 1609-1610 открыл ученый Галилео Галилей с помощью его первого в истории телескопа.
Юпитер и его кольца
Когда вокруг планеты вращается множество спутников и малые небесные тела — рано или поздно они могут сталкиваться друг с другом, разбиваясь на части. В окружающее космическое пространство выбрасываются в результате таких столкновений огромные массы пыли.
Также, большая планета притягивает к себе кометы, которые тоже оставляют немало пыли. Все эти пылевые облака из-за вращения планеты постепенно сдвигаются к экватору и приобретают форму колец.
Вокруг Юпитера, как и вокруг другой большой планеты, Сатурна, имеется планетарная система колец. Она состоит из пяти колец:
Гало. Оно самое ближнее к планете и самое толстое, его ширина 30 тыс. км.
Главное кольцо — самое заметное и яркое. Ширина его — 6 с половиной тыс. км.
Паутинное кольцо Амальтеи. Названо паутинным потому, что оно прозрачное. По массе такое же, как Главное кольцо, но более тонкое.
Паутинное кольцо Фивы. Является самым тусклым и прозрачным.
Кольцо Гималии — самое молодое и тоненькое. Возникло после 2000 г, когда один из только что открытых спутников врезался в другой, Гималию, и рассыпался на мелкие части и пыль.
Строение колец Юпитера
4 самых ближних спутника: Адрастея, Фива, Метида и Амальтея — вращаются внутри и среди этих колец. Остальные спутники расположены намного дальше от планеты, за кольцами.
Возможна ли жизнь на Юпитере?
Эта планета относится к газовым гигантам, то есть плотным в ней может быть только внутреннее ядро. Континентов там нет, т.к. нет как таковой поверхности, по докладам учёных она газовая и представляет собой кипящий океан жидкого водорода. Поверхность гиганта отличается от земнойповерхности. Планета не обладает удобной для ходьбы твердой поверхностью. Вместо этого на Юпитере лишь громадных размеров океан, только наполненный не водой, а газообразными и жидкими (напоминающими кисель) веществами. Планета вращается на значительном расстоянии от Солнца, поэтому температура там -145°С.
Гравитации и сила тяжести на Юпитере гораздо сильнее, чем на Земле.
На Юпитере настолько высокое давление, что водород там становится жидким. На этой планете ещё и очень высокая температура, такая же, как на поверхности Солнца: +6000 градусов Цельсия (а ядро ещё горячее).
Ввиду столь неблагоприятных условий жизнь на планете невозможна. Удаленность от Солнца, отсутствие твердой поверхности, атмосферы, воды, не способствует тому, чтобы на планете зародилась жизнь.
Исследования Юпитера
Как яркое небесное тело, Юпитер привлекал внимание наблюдателей с древности и, соответственно, становился объектом поклонения. Например, с ним связан культ семитского божества Гада, индийский религиозный праздник Кумбхамела, китайское божество Тай-Суй.
Юпитер играет одну из ключевых ролей в астрологии, символизируя собой мощь, процветание, удачу. Согласно представлениям астрологов, Юпитер является царём планет. В китайской философии, в рамках учения о пяти стихиях, планета именуется «древесной звездой».
Древние тюрки и монголы полагали, что эта планета способна влиять на природные и общественные процессы.
С развитием современной астрономии, начались научные исследования гигантской планеты: к нему отправляли межпланетные аппараты «Вояджер», «Пионер», «Галилео». Ведутся исследования с помощью орбитальных (расположенных на искусственных спутниках вокруг Земли) и наземных телескопов.
«Юнона» (также «Джуно»),- автоматическая межпланетная станция НАСА, запущенная 5 августа 2011 года для исследования Юпитера. Это второй проект в рамках программы «Новые рубежи». Выход аппарата на полярную орбиту газового гиганта произошёл 5 июля 2016 года. Целью миссии является изучение гравитационного и магнитного полей планеты, а также проверка гипотезы о наличии у Юпитера твёрдого ядра. Кроме того, аппарат должен заняться исследованием атмосферы планеты — определением содержания в ней воды и аммиака, а также построением карты ветров, которые могут достигать скорости в 618 км/ч. «Юнона» также продолжит изучение районов южного и северного полюсов Юпитера, начатое АМС «Пионер-11» в 1974 году (северная полярная область) и АМС «Кассини» в 2000 году (южная полярная область). Миссия Джуно (Juno, в официальном переводе "Юнона") - одна из самых важных миссий по освоению космического пространства на сегодняшний день.
Если Юпитер - это первая планета, что где-то в его недрах лежит разгадка прошлого и будущего нашего мира. Именно эту информацию и предстоит узнать Джуно. У Юпитера много загадок: магнитное поле такой силы, что вы могли бы его слышать в радиоприемнике, чрезмерно быстрое вращение для планеты такого размера (примерно в 3 раза быстрее Земли), колоссальные штормы и вихри в его атмосфере и другие.
Когда речь идет о колонизации планет Солнечной системы (а также экзопланет в других отдаленных галактиках), как правило, имеют в виду космические объекты с твердой поверхностью. Тем не менее, ученые вполне серьезно рассматривают возможность колонизации газовых гигантов – Юпитера и Сатурна, - путем создания поселений в их атмосферах.
Дело в том, что атмосфера Юпитера, например, располагает достаточно благоприятными условиями для поддержания жизни и создания поселений. В определенном слое атмосферы, где расположены водяные облака, температура около -20 градусов по Цельсию, а давление равно 1-5 атмосфер. По сравнению, с другими космическими условиями, эти можно назвать вполне «тепличными».
Именно поэтому ученые рассматривают проект создания в отдаленном будущем в атмосфере газовых гигантов «плавающих городов». Главный вопрос состоит в том, как удержать объект для поселения на необходимой высоте. По мнению специалистов, нижняя часть «плавающего города» должна находиться в слое, где плотность атмосферы равна плотность воды. Другим вариантом является создание корабля-дирижабля, воздушный шар которого можно наполнить чистым водородом.
Тем не менее, более реальной перспективой является освоение спутников газовых гигантов. Сегодня рассматривается возможность колонизации трех крупных спутников Юпитера: Европы, Ганимеда и Каллисто. Предполагается, что на Европе под ледяной поверхностью находится океан. Однако значительной помехой в колонизации этого спутника является сильная радиация на поверхности объекта из-за сильного радиационного пояса Юпитера.
Что касается Ганимеда, самого большого спутника в Солнечной системе, то стоит отметить, что данный объект обладает магнитосферой, которая способна защитить космонавтов от губительного воздействия радиации (кстати, в отличие от Европы, Ганимед находится вне радиационного пояса Юпитера). Плюс к этому, спутник располагает большими запасами водного льда. Предполагается, что после терраформирования Ганимед будет способен удержать достаточно плотную атмосферу, а запасы газогидратов могут послужить источником для постоянного ее восполнения.
Еще один кандидат на потенциальную колонизацию – спутник Каллисто. Данный спутник находится вне зоны действия радиационного пояса планеты. Каллисто отличается большими запасами водного льда, а также спокойной геологической обстановкой. Сила тяжести спутника не достаточно велика, чтобы удержать плотную атмосферу, однако, по мнению ученых, благодаря запасам воды и газогидратов атмосфера может постоянно восполняться. На данный момент рассматривается возможность построения на поверхности Каллисто замкнутых экологических систем в виде купольных поселений.
Изучение Юпитера и его спутников, уже давшее много существенно новых результатов, привело и к постановке ряда новых проблем. В частности, еще только в процессе становления находятся исследования, касающиеся физической природы интенсивных электрических полей у ближайших к Юпитеру спутников.
Заключение.
Интересно, что будет с Юпитером, когда Солнце превратиться в красного гиганта?
Известно, что Солнце в результате постепенного исчерпания своего термоядерного топлива, увеличивает свою светимость примерно на 11 % каждые 1,1 млрд лет, и в результате этого его околозвёздная обитаемая зона сместится за пределы современной земной орбиты, пока не достигнет системы Юпитера. Увеличение яркости Солнца в этот период разогреет спутники Юпитера, позволив высвободиться на их поверхность жидкой воде, а значит, создаст условия для поддержания жизни. Через 7,59 миллиарда лет Солнце станет красным гигантом. Модель показывает, что расстояние между Солнцем и газовым гигантом сократится с 765 до 500 млн км. В таких условиях Юпитер перейдёт в новый класс планет, называемый "горячие юпитеры". Температура на его поверхности достигнет 1000 К, что вызовет тёмно-красное свечение планеты. Спутники станут непригодными для поддержания жизни и будут представлять собой иссушенные раскалённые пустыни.
Это будет не скоро. А сейчас Юпитер радует астрономов своим блеском, красотой поверхности, загадочными спутниками, своей силой.
Список используемых источников
Бронштейн В.А. Планеты и их наблюдения. - М.: Наука, 1995
Маров М.Я. Планеты солнечной системы. - М.: Наука, 1996
Энциклопедия для детей. Т.8. Астрономия.- М.: Аванта +, 2002.
Детская энциклопедия "Мир небесных тел". – М.: 2006.
А. Ильин. Космическая станция Juno (Юнона) летит к Юпитеру - Российский космос, 2016.
Интернет, http://galspace.spb.ru/
Интернет, http://ru.wikipedia.org/wikiИнтернет, http://www.astronet