Какой газ составляет основу атмосферы планет-гигантов?
Люблю темы про космос, поэтому с удовольствием расскажу про газовые гиганты, их атмосферы, количество и соотношение газов в них. А примеры приведу из нашей Солнечной системы, так как это будет нагляднее.
Газы, составляющие атмосферы планет-гигантов
Основной газ в атмосферах таких планет — это водород, но к нему добавляется также гелий с небольшим количеством других газов.
Всего в нашей системе 4 газовых гиганта, в составе которых есть водород, это:
- Юпитер;
- Сатурн;
- Уран;
- Нептун.
Атмосфера Юпитера
Итак, Юпитер — первый по величине и самый близкий к Солнцу газовый гигант. Сама планета состоит на 87 % из водорода и на 13 % из гелия с примесью кислорода, азота и серы. Из-за огромного давления, водород здесь находится в металлической форме и уходит на десятки тысяч километров вглубь планеты. Получается полужидкий металлический водород, создающий сильное магнитное поле своей планете.
Об атмосфере Сатурна
Здесь водород занимает 75 процентов, а гелий — 25, причем к нему добавляются примеси аммиака, этана и метана, которые находятся в ядре. Также здесь тоже есть большой металлический слой из водорода, создающий мощнейшее магнитное поле. В верхней части атмосферы присутствуют аммиачные облака, а в нижней ее части они содержат гидросульфид аммония или воду.
Состав атмосферы Урана
Атмосфера планеты состоит в основном из водорода и гелия. На большой глубине она содержит немалое количество аммиака, воды и метана. А атмосфера плавно перетекает в мантию из льда, без какой-либо границы. В атмосфере присутствует несколько облачных соединений, это метановые облака на границе, сероводородные и аммиачные облака в слое ниже, облака из гидросульфида аммония и водяные облака из кристалликов льда в глубине.
Атмосфера Нептуна
В атмосфере гиганта Нептуна находится около 80 % водорода и 19 % гелия и немного метана. Внутри Нептуна атмосфера постепенно уплотняется и переходит в жидкую и горячую мантию.
При давлении в слоях формируются облака аммиака и сероводорода. Глубже облака состоят из сульфида аммония, аммиака и сероводорода.
Поскольку обожаю все то, что связано с астрономией и космосом, не могу пройти мимо такого интересного вопроса. Постараюсь кратко охарактеризовать планеты-гиганты и расскажу некоторые интересные факты об этих телах.
Какой газ является основным в атмосферах газовых гигантов
Согласно научному определению, таковыми считаются те планеты, которые образовались из газов, среди которых больший объем занимает водород. Их в нашей звездной системе насчитывается четыре: Юпитер и Нептун, Сатурн и Уран. Согласно международной классификации, вышеуказанные тела характеризуются по ряду признаков:
- имеют устойчивые магнитные поля;
- удалены от Солнца;
- имеют систему спутников;
- некоторые обладают кольцами.
Кроме этого, все они являются внешними планетами, то есть такими, что расположены вне пределов пояса астероидов. Это весьма холодные планеты, каждая из которых, несмотря на некоторые схожие черты, по-своему уникальна.
Интересные факты о газовых гигантах
Для каждой из представленных планет характерна неопределенность границ между атмосферой и другими оболочками. Более того, вызывает сомнение существование твердого ядра как такового, поскольку, скорее всего, оно представлено жидким газом, образовавшимся ввиду колоссального давления. Эти планеты вращаются намного быстрее, чем обладающие твердой поверхностью, причем скорость у полюсов значительно меньше, чем в районе экватора. Юпитер является самым огромным не только среди «собратьев», но и вообще во всей Солнечной системе, конечно же, уступая Солнцу. После него следует Сатурн, который считается самым загадочным объектом из-за своих колец. Их происхождение вызывает жарке споры, однако известно, что основа их представлена льдинками и кусками пород различной величины.
Уран является обладателем самой холодной атмосферы — -250°C, кроме того, он знаменит необычным наклоном, благодаря которому выглядит так, словно «прилег на бок». Нептун же является планетой, на которой не утихают самые сильные ветры в звездной системе — до 2500 км/ч. Его гравитация практически аналогична земной.
Планеты-гиганты Солнечной системы
В Солнечной системе имеются следующие планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Они расположены за пределами пояса астероидов, на большом расстоянии от Солнца, и потому часто называются внешними планетами. Эти 4 планеты-гиганты гораздо больше планет земной группы, однако по сравнению с Солнцем кажутся совсем крошечными. Они имеют много общего, благодаря чему выделены в отдельную группу.
Структура планет-гигантов
Все планеты Солнечной системы разделены на две большие группы: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты. Их разделяет пояс из космических малых тел — астероидов.
Интересно. Планеты-гиганты иногда называют газовыми гигантами. Тем не менее, многие астрономы применяют последний термин только к Юпитеру и Сатурну. Уран и Нептун, которые имеют различные составы, выделяют в отдельную группу ледяных гигантов.
Рис. 1. Планеты-гиганты в Солнечной системе.
Планеты-гиганты Солнечной системы образованы из сложной смеси газов: водорода, аммиака, гелия, метана. Их главным отличием является отсутствие привычной твёрдой поверхности. По мере приближения к центру планеты атмосфера становится всё более плотной и в результате переходит из газообразного состояния в жидкое. Однако чёткой границы между океаном и атмосферой, как на Земле, у газовых гигантов нет. Этот океан состоит не из воды, а по большей части из жидкого водорода.
На большой глубине давление в планетах-гигантах вырастает до такой степени, что жидкий водород становится металлическим. Под слоем металлического водорода располагается ядро планеты, состоящее из предельно сжатых каменных пород.
Краткая характеристика планет-гигантов
К списку планет-гигантов относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, которых объединяет не только большая удалённость от Солнца, но и многие физические данные.
Сравнительную характеристику планет-гигантов удобно представить в виде таблицы.
Планеты-газовые гиганты, в пределах и за пределами Солнечной системы
Небесные тела, населяющие наше ближайшее окружение в Солнечной системе, все каменистые: Меркурий, Венера, Земля, Луна, Марс и астероиды состоят в основном из железа и камня в различных пропорциях. На некоторых из этих планет есть океаны или атмосфера, но подавляющая часть их массы твердая.
Это не относится к планетам, расположенным дальше от Солнца: Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну, состоящим в основном из газов. Они также намного больше, чем все прочие планеты, именно поэтому они названы «газовыми гигантами».
Этот термин ввел в оборот в 1952 году в рассказе «Солнечное сплетение» американский писатель-фантаст Джеймс Блиш, назвав «газовыми гигантами» все планеты за орбитой Марса.
Образование
При формировании Солнечной системы газовые гиганты (образовавшиеся позднее планет земной группы, и которые на ранних стадиях были твердыми и состояли из камня и льда), были способны притягивать и удерживать газы из протопланетной туманности благодаря своей гравитации.
Прочие планеты не в состоянии были притягивать газы вследствие своей меньшей массы, а примерно через 1 миллион лет после образования аккреционного диска (т.е. структуры, образовавшейся из вещества, вращающегося вокруг центрального тела – молодой звезды или протозвезды) подул солнечный ветер, изгнавший оставшийся в Солнечной системе газ за ее пределы.
Строение
На первый взгляд, четыре газовых гиганта выглядят очень похоже: их небольшое каменное ядро окружено слоем льда и мантией из водорода. Однако измерения и расчеты показывают, что более крупные Юпитер и Сатурн очень схожи по составу и существенно отличаются от более мелких Урана и Нептуна.
Юпитер и Сатурн — типичные представители
Юпитер находится на пятом месте в порядке удаления от Солнца, и по размеру настолько велик, что может занять почти половину пространства, отделяющего Землю от Луны. Его масса – 317 земных масс. Юпитер обращается вокруг Солнца за 12 лет, а вокруг своей оси менее чем за 10 часов, благодаря чему значительно сжат у полюсов. На планете дуют ураганные ветры, со скоростью до 600 км/час.
Сатурн располагается в Солнечной системе за Юпитером, при огромной массе (95 земных), его плотность меньше плотности воды. Вокруг Солнца Сатурн делает оборот за 29,5 лет.
Ветры на нем еще более сильные, чем на Юпитере, и дуют с совершенно фантастической скоростью 1800 км/час. Один из спутников Сатурна, Титан, очень похож на Землю.
Этот металлический водород окружает небольшое твердое ядро из силикатов и металла, и является причиной сильных магнитных полей Юпитера и Сатурна.
На определенном расстоянии от ядра давление падает, и мантия состоит из обычного водорода.
Уран и Нептун — ледяные гиганты
Уран и Нептун существенно отличаются по составу от Юпитера и Сатурна, они содержат гораздо меньше водорода, находящегося в основном во внешних слоях планеты, поэтому эти две планеты обладают гораздо более слабым магнитным полем. Мантия Урана и Нептуна состоит из замерзшей воды, метана и аммиака.
Ученые называют эти три вещества «льдом», хотя они все еще жидкие и горячие вследствие высоких давления и температуры в состоящем из силикатов и металла относительно большом ядре планеты.
Атмосфера
Поверх толстой газовой мантии планет-гигантов имеется атмосфера, как и на некоторых малых планетах. Однако, в отличие от земных планет, здесь нет четкой разделительной линии: вследствие растущего давления газообразное состояние медленно и непрерывно переходит в жидкое.
«Увидеть» границу между мантией и атмосферой можно только по разнице температур. Верхняя часть атмосферы при взгляде с Земли временами видна в виде интригующих облачных узоров. Поверхностью газового гиганта считается видимая внешняя поверхность атмосферы планеты.
Цвет облакам придают различные химические элементы, и, как и на Земле, погодные условия определяются разницей температур и эффектом Кориолиса.
Однако штормы на планетах-гигантах могут длиться веками и часто локализуются в одном и том же месте. Юпитер, например, виден как ряд параллельных облачных полос, всегда находящихся на одной и той же широте.
Космический телескоп «Хаббл» смог увидеть на Юпитере молнии, в сто раз более мощные, чем наблюдающиеся на Земле. Спектральный анализ позволяет узнать, из каких элементов состоят атмосферы планет-гигантов. На Юпитере и Сатурне это смесь аммиака, аммиака-гидросульфида и воды, на Уране и Нептуне это в основном метан.
Спутники и кольца
Газовые гиганты не являются одиночными планетами: их масса позволила им собрать вокруг себя множество лун (у Юпитера 63 спутника, у Сатурна 62). Некоторые из них размером с небольшую планету, другие – чуть больше каменной глыбы.
Экзопланеты
Планеты, обнаруженные в настоящее время вблизи других звезд (экзопланеты), обычно являются газовыми гигантами. Этот факт никоим образом не отражает преобладание среди планет газовых гигантов, а является прямым следствием ограниченности технологии наблюдения, поскольку газовые гиганты легче всего обнаружить посредством существующих методов.
Однако постепенно вокруг других звезд обнаруживается все больше планет-гигантов, не являющихся газовыми гигантами.
Обреченная экзопланета TrES-4
Из экзопланет, газовых гигантов, наиболее примечательна планета TrES-4, также называемая TrES-4b. Об открытии планеты было объявлено 7 августа 2007 года как результате исследования по программе Трансатлантического обзора экзопланет.
Масса планеты составляет около 90% массы Юпитера при почти вдвое большем диаметре. К моменту открытия TrES-4 являлась самой большой и наименее плотной экзопланетой из известных.
Планета принадлежит системе звезды GSC 02620-00648 из созвездия Геркулеса (масса звезды превышает массу Солнца на 20%), ее расстояние от нас около 1500 световых лет. При вращении вокруг своего солнца с периодом 3,55 суток планета временами затмевает его, что наблюдается с Земли.
Причина низкой плотности экзопланеты не установлена, но одной из причин может явиться внутреннее тепло планеты и ее близость к родительской звезде (расстояние от звезды в 8 раз меньше, чем радиус орбиты Меркурия), оттого температура поверхности планеты может достигать 2000 °С.
Итак, ранее к планетам-газовым гигантам относили все планеты за орбитой Марса (а таковых всего четыре), но затем было проведено более тонкое разделение, и в настоящее время газовыми гигантами считаются лишь Юпитер и Сатурн. То, что планеты состоят в основном из газов, даже не позволяет четко определить, где кончается собственно планета и начинается ее атмосфера.
Новые газовые гиганты постоянно обнаруживаются за пределами Солнечной системы, их характеристики в общем схожи с характеристиками хорошо изученных Юпитера и Сатурна.
Вопросы и ответы
Четкой границы не существует, условно она проводится по температурным перепадам.
Американский писатель-фантаст Джеймс Блиш.
Нет, низкая температура не позволяет водороду и гелию находиться в газообразном состоянии.
К Юпитеру; обе планеты относятся к газовым гигантам, в то время как Уран (вместе с Нептуном) относится к ледяным гигантам.
Большое давление заставляет электроны покинуть ядра атомов водорода, что приводит к электропроводности водорода.
Астрономия без конца и края
Первые четыре планеты около Солнца — Меркурий, Венеру, Землю и Марс — относят к планетам земной группы, это «каменные» планеты. Они сильно отличаются от следующих четырёх планет — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, которых называют газовыми гигантами .
Планеты земной группы отделяет от газовых гигантов первый пояс астероидов. Отличия этих двух групп планет, видимо, связаны с тем, как они образовывались.
Давным-давно, примерно четыре с половиной миллиарда лет назад, молодое Солнце было окружено огромным облаком из холодного газа и пыли. Облако имело форму диска и вращалось вокруг Солнца как одно целое. Планеты и их спутники сформировались из сгущений этого диска под действием сил гравитации. Сгущения сначала были рыхлыми бесформенными комками, но постепенно росли, слипались друг с другом при столкновениях, уплотнялись и, достигнув определённого размера, становились похожими на шары.
Тем планетам, которые формировались около Солнца, доставалось больше тепла, поэтому в их составе мы видим, в основном, тугоплавкие вещества (например, железо и кремний). Остальные поспешили испариться. Далёким планетам, формировавшимся при низких температурах, достались лёгкие газы — водород и гелий. Их сносило туда «солнечным ветром». Но хотя газовые гиганты состоят из самых лёгких веществ во Вселенной — водорода и гелия, — они из-за своих размеров оказались гораздо тяжелее, чем планеты земной группы.
Например, Юпитер. Юпитер — самая большая планета Солнечной системы. Он в 11 раз больше Земли по размеру и в 318 раз тяжелее! Сатурн — в 95 раз тяжелее! И даже самый лёгкий из «гигантов» — Уран — тяжелее Земли больше чем в 14 раз.
Несмотря на свои размеры и вес, газовые гиганты крутятся вокруг своей оси гораздо быстрее, чем Земля. Юпитер, например, один оборот делает всего за десять часов! Сатурн — за десять с половиной часов.
Из-за быстрого вращения облака в атмосфере Юпитера вытянуты вдоль экватора. Это делает его хорошо узнаваемым на фотографиях: это единственная такая полосатая планета. Сатурн тоже имеет полосы, но гораздо менее контрастные.
Атмосферы газовых гигантов состоят, в основном, из водорода и гелия. Кроме этого, там есть метан и аммиак. Облака как раз и состоят из кристалликов аммиака. Атмосфера-то у них есть, а вот твёрдой поверхности — нет. Предполагают, что при погружении внутрь газового гиганта атмосфера становится плотнее и плотнее, постепенно становясь похожей на жидкость всё более густую и вязкую.
У всех газовых гигантов много спутников. У Юпитера — 79 штук, у Сатурна — ещё больше — 82, у Урана — около 30 и даже у далёкого Нептуна открыто 14 спутников (на 2020 год).
Первые и самые крупные увидели с помощью телескопа. Ещё Галилео Галилей, который в XVII веке первым направил «зрительную трубу» на ночное небо, обнаружил у Юпитера четыре спутника. Их так и называют — галилеевские .
Галилеевские спутники Юпитера
Эти спутники помогли подтвердить очень важные законы нашего мира. Например, закон всемирного тяготения. Юпитер со своими спутниками напоминает Солнечную систему в миниатюре. Кроме того, наблюдения за ними помогли впервые измерить скорость света — самого быстрого, что сейчас известно во Вселенной. Сделал это в XVII веке датский астроном Олаф Рёмер.
Галилеевские спутники все очень разные и их можно отнести по строению к планетам земной группы. Самый крупный из них — Ганимед . Он даже больше Меркурия, самой маленькой и самой близкой к Солнцу планеты. Следующий по величине спутник — Каллисто . Он чуть-чуть уступает Меркурию по размеру. Поверхность Каллисто вся сплошь покрыта ударными кратерами, образующими цепочки и другие странные фигуры, и этим напоминает Луну и Меркурий. Верхушки гребней покрыты здесь ярким инеем.
Затем по размеру идёт Ио . Этот спутник проявляет необыкновенную вулканическую активность: там действуют более 500 вулканов одновременно! Они изливают потоки лавы, отчего поверхность Ио всё время меняется. Она бывает разных оттенков жёлтого, красного, зелёного. Ио находится к Юпитеру ближе всех остальных галилеевских спутников; вулканический пепел даже попадает в атмосферу этого газового гиганта.
Самый маленький галилеевский спутник — Европа . Он чуть поменьше нашей Луны и имеет удивительно гладкую поверхность. Ни кратеров на ней не видно, ни гор, только длинные извилистые трещины. Не сразу учёные догадались, что юпитерианская Европа покрыта сплошным льдом, под которым скрывается океан. И разумеется, очень-очень интересно, есть ли в этом океане живые существа. Не рыбки, конечно, а хотя бы бактерии.
Пятый по размеру спутник Юпитера — Амальтея — значительно меньше галилеевских: он поместился бы в нашем Азовском море. Он не круглый, как и спутники Марса, похож на огромный булыжник.
Самый крупный спутник Сатурна — Титан , его открыл Христиан Гюйгенс, вдохновлённый астрономическими успехами Галилея. Титан больше Меркурия и уступает по размеру только Ганимеду — самому большому спутнику Юпитера. Титан — удивительный, потому что только у него есть плотная атмосфера, в которой, как и в атмосфере Земли, главный газ — азот, а на поверхности у него — озёра, реки и болота из жидкого метана и этана.
Сатурн с системой колец и полярным сиянием на южном полюсе
Но Сатурн знаменит не спутниками, а своими кольцами. По ним его легко опознать среди изображений других планет. Кольца состоят из камешков и льдинок. Именно лёд так хорошо блестит в солнечном свете, что кольца Сатурна обнаружили ещё в XVII веке. Сделал это тоже Христиан Гюйгенс. Кольца казались загадочными. Из чего они сделаны? Почему такие плоские? Почему только у этой планеты? Почему не разрушаются?
А в XX веке организовали полёты автоматических станций к газовым гигантам. И вот тогда обнаружилось, что кольца есть не только у Сатурна.
1. Сможешь назвать всех газовых гигантов?
2. Какая планета самая большая в Солнечной системе?
3. Из чего состоят атмосферы газовых гигантов?
4. Что такое «галилеевские спутники»?
5. Какие спутники планет Солнечной системы по размеру превосходят планету Меркурий?
Комментарии к публикации
Астрономия без конца и края
28.09.2020, 10:05
Наталья
Спасибо за новую рубрику! Будем с дочкой читать. 09.10.2020, 10:19
Inessa
Ochen poznavatelno. Spasibo, chto pomogaete razvivat detei! 30.10.2020, 12:09
Инна
Очень познавательно. Спасибо! 23.11.2020, 10:31
Валентина
Очень интересно, доступно, познавательно. Большое спасибо! 08.12.2020, 09:04
Валентина
Ещё раз убедилась, что рубрика "Астрономия без конца и края" очень познавательная и полезнп не только для детей, но и для взрослых читателей 11.12.2020, 18:19
Редактор портала «Солнышко»
Наталья, Инесса, Инна, Валентина, спасибо за отклики! Нам очень важна обратная связь с читателями! 06.01.2021, 17:48
Алена
Очень интересно 15.01.2021, 12:45
Людмила
Дочери очень понравилась викторина. С удовольствием отвечала на вопросы. Узнали много новой информации. Хотим чаще подобные викторины! 16.01.2021, 10:09
Светлана
Спасибо большое за книгу, викторину и кроссворды! Очень интересно и познавательно! 16.01.2021, 10:25
Елена 🙂
Не только детям, но и взрослым интересно 🙂 Спасибо! 18.01.2021, 09:21
Валентина
Большое спасибо за очень увлекательную книгу, за интересные викторину "Астрономия без конца и края" и кроссворд "Небесные тела". 19.01.2021, 23:31
КСЕНИЯ
спасибо за познавательную книгу! викторина супер! 24.01.2021, 11:53
Валентина
Спасибо за второй кроссворд по астрономии "Великие имена", очень интересный и позновательн.