Газовые гиганты: Юпитер и Сатурн

Два водородно-гелиевых гиганта, доминирующие во внешней Солнечной системе, с глубокими внутренними областями из металлического водорода, полосатыми атмосферами и огромными магнитосферами.

Definition

Газовые гиганты — это планеты, состоящие в основном из водорода и гелия, не имеющие твердой поверхности; в Солнечной системе это Юпитер и Сатурн.

Scope

Эта тема охватывает Юпитер и Сатурн: их объемный состав и слоистые внутренние области, включая область металлического водорода, источник их внутреннего тепла, динамику их полосатых атмосфер и долгоживущих штормов, их сильные внутренние магнитные поля и магнитосферы, а также заметные кольца Сатурна. Она основана на данных пролетных и орбитальных аппаратов Voyager, Galileo, Cassini и Juno, а также на лабораторных и теоретических исследованиях водорода при экстремальных давлениях.

Core questions

• Какова внутренняя структура Юпитера и Сатурна, и имеют ли они компактные или размытые ядра?
• Почему они излучают больше тепла, чем получают от Солнца?
• Что поддерживает их полосатые струйные течения и гигантские штормы, такие как Большое Красное Пятно?
• Как возникают их мощные магнитные поля и магнитосферы и как они взаимодействуют со своими спутниками?

Key theories

Внутренняя область из металлического водорода

При огромных давлениях внутри Юпитера и Сатурна водород становится электропроводящей металлической жидкостью, образуя область динамо, которая генерирует их сильные магнитные поля.

Внутреннее тепло и гелиевый дождь

Гиганты излучают больше энергии, чем поглощают, что обусловлено гравитационным сжатием и, на Сатурне, разделением и оседанием капель гелия, которые выделяют дополнительное тепло.

Динамика атмосферы с зональными струйными течениями

Быстрое вращение и конвективный тепловой поток организуют атмосферы в чередующиеся восточно-западные струйные течения и пояса, внутри которых вихри, такие как Большое Красное Пятно, сохраняются на протяжении столетий.

Mechanisms

Самогравитация сжимает водород и гелий до тех пор, пока водород не становится металлическим и проводящим, что приводит в действие динамо-эффект и сильное магнитное поле. Медленное сжатие и дифференциация гелия обеспечивают внутреннее тепло, которое вместе с вращением приводит в движение полосатую конвекцию на поверхности. Магнитосферные взаимодействия со спутниками генерируют полярные сияния и интенсивные радиационные пояса.

Clinical relevance

Юпитер и Сатурн являются наиболее изученными планетами-гигантами и служат образцами для интерпретации гигантских экзопланет, в то время как их гравитация сформировала динамическую историю всей Солнечной системы.

History

Телескопические наблюдения поясов Юпитера и Большого Красного Пятна насчитывают столетия, но современное понимание пришло благодаря пролетам аппаратов Pioneer и Voyager, орбитальному аппарату и атмосферному зонду Galileo на Юпитере, орбитальному аппарату Cassini на Сатурне и миссии Juno, чьи точные гравитационные и магнитные измерения изменили модели глубоких внутренних областей Юпитера.

Debates

Природа ядра Юпитера

Гравитационные данные Juno предполагают размытое, нечеткое ядро, смешанное с оболочкой, а не четко определенное тяжелое ядро, что требует пересмотра моделей формирования и внутреннего строения.

Key figures

• Andrew Ingersoll
• Tristan Guillot
• Scott Bolton
• William Hubbard

Seminal works

• guillot2005
• ingersoll2004
• bolton2017

Frequently asked questions

Что такое Большое Красное Пятно?

Это гигантский, долгоживущий антициклонический шторм в атмосфере Юпитера, шире Земли, который сохраняется на протяжении по крайней мере нескольких столетий телескопических наблюдений.

Почему Юпитер и Сатурн выделяют больше тепла, чем получают?

Они все еще медленно сжимаются под действием собственной гравитации, а на Сатурне оседание гелия к центру выделяет дополнительное тепло, поэтому обе планеты излучают больше энергии, чем поглощают от Солнца.