Масса Юпитера и его физические характеристики

Какая же масса у Юпитера? Самая массивная, самая быстрая и обладающая самым мощным магнитным полем планета солнечной системы Юпитер относится к классу газовых гигантов. Но, даже по сравнению с остальными представителями класса: Сатурном, Ураном и Нептуном, он обладает выдающимися характеристиками: 143 тысячи километров в поперечнике.

Газовые гиганты Солнечной системы

Пятая по порядку от Солнца планета, за счет своих огромных размеров, является третьим по величине космическим объектом, видимым на ночном небе Земли, уступая только Луне и Венере (наблюдается по вечерам, в юго-западной части неба).

Во время регулярных противостояний с интервалом 13 месяцев, видимая звездная величина Юпитера составляет -2,94^m, а каждые 12 лет, во время великих противостояний, это значение увеличивается до -2,9^m.

Узнать точные физические характеристики самой крупной планеты нашей системы – измерить ее гравитационный потенциал, напряженность магнитного поля и обнаружить кольца, окружающие ее экватор, ученые смогли только в 1973 году, получив данные с автоматической космической станции «Пионер-10».

Положение в солнечной системе

Порядковое число космического тела – 5. Его орбита находится далеко за пределами планет земной группы (Меркурия, Венеры, Земли, Марса) – среднее расстояние от Солнца составляет 778,57 млн. км (5,203 а. е.). Отклонение от среднего значения в афелии и перигелии составляет около 76 млн. км. Ближайшие соседи – Марс, Сатурн.

Планета Юпитер в Солнечной системе

Период обращения Юпитера вокруг Солнца (год) составляет 11,86 земных лет. Он вращается по гелиоцентрической эллиптической орбите на расстоянии от 4,95 до 5,45 а. е. Полный оборот вокруг своей оси он делает за 9 часов 55 минут. Угловой диаметр Юпитера  наблюдаемого с Земли изменяется в пределах от 50,1 до 29,8 угловых секунд. Вокруг объекта вращается 79 постоянных спутников. Крупнейшие из них: Ио, Европа, Ганимед, Каллисто.

Атмосфера планеты

Как и все газовые гиганты, Юпитер состоит преимущественно из водорода и гелия. Физическая модель планеты – сферическое, сплюснутое с полюсов облако газа, на глубине около 0,25 ее радиуса переходящего в твердое металлическое состояние. Атмосфера Юпитера – газовый слой толщиной около 1000 км в котором происходит постоянная циркуляция больших масс облаков. Они движутся в направлении вращения планеты со скоростью от 50 до 150 км/с. Скорость вращения слоев атмосферы разнится в зависимости от широты. На экваторе – течение воздушных масс самое быстрое.

Плотные облачные массы из пылинок аммиачного льда, метана и небольшого количества воды, наполняющие «атмосферу», непроницаемы в оптическом диапазоне, поэтому наблюдения в телескоп не дают точных сведений о составе и внутреннем строении планеты.

Измерения излучения Юпитера в радиодиапазоне показали наличие постоянного притока тепла из недр. Объем тепла, излучаемого его поверхностью, в два раза больше, чем получаемая им энергия Солнца.

Химический состав

Линии спектрального анализа указывают на наличие в составе планетного вещества азота, серы, углерода, железа и кислорода, но подсчитать их процентное соотношение пока не представляется возможным.

Содержание основных элементов и соединений:

• водород – 90%;
• гелий – 10%;
• метан – 0,%;
• водяной пар – 0,1%;
• аммиак – 0,02%;
• этан – 0,0002%;
• фосфин – 0,0001%;
• сероводород – меньше 0,0001%.

В верхних слоях атмосферы присутствует некоторое количество благородных газов: аргона, криптона, ксенона, а также ацетилен, деацетилен, моноксиды и диоксиды углерода, арсин, герман, водяной лед.

Физические свойства

Планета находится в состоянии гидродинамического и термодинамического равновесия. Большинство видимых изменений происходят на поверхности облачного слоя, глубина которого  около 50 километров. Этот бурлящий газовый океан порождает непрерывную электрическую активность – отдельные вспышки молний, длиной до нескольких тысяч километров имеют потенциал, превышающий земные на три порядка.

Разделенные горизонтальными темными полосами антициклонов, восходящие потоки – так называемые «зоны» и нисходящие – «пояса» имеют контрастную окраску от сине-белого и светло-бежевого до коричневого. Более темные слои – более глубокие, светло-голубые – находятся ближе к поверхности.

Некоторые физические характеристики Юпитера:

• Минимальная температура видимого слоя облаков – 110 К.
• Средняя температура видимого слоя облаков – 150 К.
• Альбедо (индекс отражающей способности) – 0,52.
• Давление внутри ядра – более 800 ГПа.
• Температура ядра – более 25 000⁰ К.
• Напряженность магнитного поля – 318 А/м.
• Концентрация электронов в ионосфере – 10⁵ см^-3.
• Энергетический потенциал электронов во ионосфере – 3–10 МэВ.
• Средняя плотность вещества – 1, 326 г/см³

Плотность Юпитера самая низкая среди объектов нашей системы: 1,32 г/см3. Из-за большого содержания легких элементов (H, He), она близка к характеристикам звездного вещества: 1,4 г/см3 – плотность Солнца.

В районе северного полюса планеты обнаружен устойчивый источник пульсирующего радиоизлучения. На других планетах подобного явления пока не зафиксировано и гипотез его возникновения современная астрономия не имеет.

Большое красное пятно

На «стыках» зональных течений формируются устойчивые водовороты – гигантские циклоны, нередко превышающие диаметром Землю. Самый известный вихрь – Большое красное пятно – наблюдаемый более 300 лет, за последнее столетие сократил диаметр почти в два раза, но все еще остается самым большим циклоном солнечной системы (15 х30 тыс. км). Скорость ветра внутри Большого Красного Пятна – 360 км/ч.

Масса планеты

Масса Юпитера, в процентном соотношении, почти в два с половиной раза превышает общую массу остальных планет солнечной системы:

• Юпитер – 71%;
• Сатурн – 21,31%;
• Нептун – 3,84%;
• Уран – 3,25%;
• Земля – 0,22%;
• Венера – 0,18%;
• Марс – 0,02%;
• Меркурий – 0,01%.

Масса ядра планеты Юпитер – составляет всего 4% от общей (1,8986·10²⁷ кг), оно весит  в 10 раз больше массы Земли и в полтора раза превосходит нашу планету по диаметру.

Определить полную массу Юпитера, зная его объем, можно путем простого умножения: m = pV,

где m – это масса, p – средняя плотность планетного вещества, а V – объем космического тела.

Диаметр

Условной поверхностью газового гиганта считается уровень верхнего слоя облаков.

Средний диаметр планеты Юпитер – 139,8 тыс. км. За счет полярного сжатия из-за быстрого суточного вращения, экваториальный диаметр больше полярного на 4 тыс. 638 км.

В диаметре юпитерианского экватора помещается 11,2 земных. Из-за естественных потерь планетного вещества (рассеивания) диаметр газовой оболочки уменьшается примерно на 2 см в год.

Радиус

Средний радиус Юпитера – 69 911 км, а его экваториальный радиус – 71 492 км. Величина полярного радиуса – 66 854 км. Длина экватора (по верхней границе облаков) – 439 264 км. При этом радиус твердой части (ядра) составляет менее 0,1 части общего планетарного радиуса.

Площадь

Площадь поверхности Юпитера в 120,5 раз превышает размер Земли. Она равна 61,4 миллиардам квадратных километров. Для сравнения: площадь Солнца – 6,078⁷⁷х1018 м². Она больше земной в 11 918 раз.

Сравнение Юпитера с Землей

Устаревшая масштабная модель, в которой пропорции нашей планеты и Юпитера сравнивались как «яблоко и футбольный мяч» — не соответствуют действительности. Вычислить, во сколько раз его диаметр больше Земли можно путем простого сравнения: если радиус объекта превышает радиус Земли в 11,2 раза, то диаметр (соответственно равный двум радиусам) – будет больше в 22,4 раза.

Чтобы узнать, сколько «земель» поместится в одном «юпитере» (по объему), нужно разделить большее значение на меньшее. Объем гиганта – приблизительно 1.43х10¹⁵ км³. Объем нашего «шарика» – всего 1.08 трлн. км³. Приблизительно представить себе это соотношение и гигантские размеры Юпитера, Земли и других планет можно, если перевести короткое значение в кубические километры. Цифра выйдет впечатляющая: 1 430 000 000 000 000 куб. км. Для Земли это значение составит: 1 080 000 000 000 куб. км. В объеме, занимаемом крупнейшей планетой нашей системы можно разместить около 1320 «земель».

Масса Юпитера в массах Земли

Чтобы узнать, во сколько раз масса Юпитера больше массы Земли, делим цифру его массы на цифру массы нашей планеты. Разделим: 1,899х10²⁷ на 5,9722х10²⁴ получим ответ: масса Земли меньше в 317,8 раз.

Сравнение Юпитера с Солнцем

Самая большая  планета солнечной системы и Солнце похожи по своему химическому составу: оба состоят преимущественно из водорода и гелия, а массовая доля остальных элементов не превышает 3%.

Но, в отличие от солнечной «атмосферы», содержащей большинство элементов в чистом виде, юпитерианская состоит из множества простых соединений: воды, этана, сероводорода, фосфина, метана  и аммиака. По массе Солнце больше Юпитера в 1050 раз.

Именно масса для космического тела – решающий фактор в эволюции. Если увеличить массу пятой планеты, относительно теперешней, в 80–100 раз – наша планетная система получит второе «солнце». Тогда большой газовый гигант превратится в самую маленькую звезду – «коричневый карлик», а в его недрах начнутся процессы термоядерного синтеза.

Сравнение Юпитера с Нептуном

Несмотря на то, что и Юпитер, и Нептун относятся к одинаковому типу космических объектов, сравнение размеров (масса Нептуна составляет 1/19 от массы пятой планеты), скорости вращения и температуры выдает значительные различия. По составу атмосферы Нептун ближе к Урану. Масса Нептуна — 101,592х10²⁴ кг лишь в 17 раз превышает земную, а диаметр экватора – только в 3,9 раза.

Температура на «поверхности» обоих гигантов минусовая: у Юпитера – 107⁰С, у Нептуна – 200⁰С.

Плотность – почти на треть превышает среднюю плотность Юпитера – 1,638 г/см³. В отличие от крупного собрата, Нептун по большей части состоит из льда – «атмосфера» занимает только 10% его среднего радиуса.

Ускорение свободного падения

Ускорение свободного падения на поверхности Юпитера – 2,44 g (или 23,95 м/с²), найти его можно если массу планеты разделить на квадрат ее радиуса и умножить на гравитационную постоянную (общую константу для всех космических тел). Формула будет выглядеть как: g = G*M₃/ R₃² , в которой g – искомое ускорение, G – константа, M – масса объекта, R- его радиус.

Гравитационная постоянная планеты

Гравитационное поле сферически несимметрично из-за высокой скорости суточного вращения.

Характеристика гравитационной постоянной Юпитера: 1,3*10⁸. Гравитационное ускорение в районе условной поверхности (границы облаков) гиганта более однородно, чем на поверхности Земли за счет более симметричного распределения массы (вещества) по объему.

Сила тяжести

Чтобы определить ускорение силы тяжести на поверхности Юпитера, можно воспользоваться округленными значениями: величина гиганта соответствует 317 земным массам, а радиус – 11 радиусам Земли.

Значение рассчитывается по формуле:

g = G* M/r².

Где:

• G – это общая гравитационная постоянная (ГП);
• M – масса интересующего нас небесного тела;
• r – радиус объекта.

Ускорение силы тяжести на Юпитере равно 23,95 м/с, а сила притяжения превосходит земной показатель в 2,4 раза. Гравитация Юпитера в районе экватора меньше чем на полюсах, потому, что из-за сжатия полярный радиус короче срединного, а  также потому, что центробежная сила быстро вращающейся планеты противодействует центростремительной (притяжению).

Магнитное поле

Форма магнитного поля Юпитера торообразная, сплюснутая у полюсов. В направлении Солнца (на дневной стороне) его протяженность достигает от 50 до 100 радиусов планеты, а на противоположной (ночной) – удлиняется до 650 млн. км, далеко выходя за орбиту Сатурна. Вращение магнитного поля происходит с периодом 9 ч 55 мин., синхронно с суточным планетарным вращением.

Полярность дипольного магнитного поля Юпитера обратна полярности магнитного поля Земли. Его напряженность в зоне верхней границы облаков составляет 14 эстред – в области северного полюса и 10,7 эстред – в районе южного. Экваториальная индукция магнитного поля составляет около 428 мкТл (в 10 раз больше земной).

Магнитосфера Юпитера – в нашей системе самая большая из планетарных. Ее магнитный момент превышает земные показатели в 18 000 раз. Она включает в себя орбиты четырех крупнейших спутников, защищая их от воздействия солнечного ветра. Кроме ионов водорода, приносимых солнечным ветром, магнитосфера пятой планеты наполнена заряженными частицами серы и кислорода, захваченными из атмосферы спутника Ио, на котором происходят постоянные вулканические выбросы. Если бы магнитосфера гиганта была видимой, с Земли ее угловой диаметр был бы больше диска Луны.

Под действием мощного магнитного поля в атмосфере возникают обширные области полярного сияния, регистрируемые в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне. Внутри экваториальных областей магнитосферы планеты сформировались несколько радиационных поясов. Потоки заряженных электронов во внешнем поясе имеют энергию свыше 20 МэВ и представляют опасность для оборудования космических аппаратов, а уровень радиации – в 25 раз превышает смертельные для человека дозы облучения.