«Юпитер и его спутники»

Юпитер — величайший спутник Солнца. Из вещества, в нем заключенного, можно было бы слепить 318 таких шаров, как наша Земля. Было бы, однако, большой ошибкой считать Юпитер просто увеличенным подобием Земли. В природе действует великий закон — закон перехода количественных изменений в качественные. По этому закону количественные различия в конце концов непременно должны повлечь за собой и качественные изменения. Все это и видно хорошо на примере Юпитера.

Его масса огромна. Поэтому в центре Юпитера давление вышележащих слоев его вещества должно достигать неимоверно большой величины — по оценке советского астронома Н. А. Козырева не менее 70 миллионов атмосфер.

С другой стороны, найдя из наблюдений объем Юпитера и поделив его массу на объем, можно получить среднюю плотность Юпитера. Она очень мала — всего в 1,38 раза больше плотности воды. Объясняется это странное на первый взгляд обстоятельство тем, что Юпитер, по-видимому, на 85% своей массы состоит из водорода, а остальные 15% приходятся на гелий с весьма незначительной примесью более тяжелых элементов.

Сочетав данные о химическом составе Юпитера с подсчетом давления на различных расстояниях от его центра, можно построить гипотетическую модель самого большого спутника Солнца, т. е. схему его строения.

Как непохожа величайшая из планет на нашу Землю! У Юпитера, возможно, вовсе нет твердого ядра, окруженного газообразной атмосферой. Строго говоря, Юпитер полностью состоит из газов, хотя в его центре плотность газов вдвое больше плотности стали! И все-таки центральные области Юпитера можно назвать газообразными. Уже на глубине около 10 000 км от поверхности Юпитера давление достигает 700 000 атмосфер и водород переходит в так называемую металлическую фазу. Электроны покидают ядра атомов, вокруг которых они до этого обращались, и возникает беспорядочная смесь из «ободранных» ядер и снующих между ними электронов. Эта смесь обнаруживает способность к дальнейшему сжатию, а следовательно, к увеличению плотности. Вот почему есть все основания считать ее газом. Температура в центре Юпитера, по-видимому, близка к 100 000 градусов! Итак, величайший из спутников Солнца скорее похож на звезду, чем на Землю. Такими же «полузвездами» могут быть названы и остальные планеты-гиганты: Сатурн, Уран и Нептун. Между Ураном и Землей существует значительный скачок в массе (Уран по массе в 15 раз превосходит Землю). Поэтому мы лишены возможности наблюдать в нашей солнечной системе постепенный переход от звездоподобных планет к планетам земного типа. Но во всяком случае можно сделать вывод, что при очень большой массе планета не может быть обителью жизни. С уменьшением же массы наблюдаются изменения химического состава планеты и ее физического состояния. Юпитер по своей структуре представляет собой газовый шар не имеющий поверхности. Его размеры определяются в соответствии с границей давления в 1 атм. Химический состав Юпитера сходен с составом Солнца. 90% и 10% по числу атомов составляют водород и гелий соответственно и 75% и 25% по массе. Также обнаружены вода, аммиак и метан. Нужно заметить, что в том же соотношении элементы представлены на Сатурне. Всё это говорит в пользу того, что эти планеты сформировались из той же туманности, что и Солнце. Однако, их массы было недостаточно для того, чтобы разогреть их центр до температуры термоядерных реакций. И всё же температура в центре достаточно велика для того чтобы, Юпитер излучал в два раза больше тепла, чем он получает от Солнца. Температура в центре достигает порядка 20 тыс. К.

Спутники Юпитера

Средние плотности галилеевых спутников Юпитера - Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто - регулярным образом уменьшаются с увеличением расстояния от центрального тела, что указывает на более высокое содержание льда Н2О в составе внешних спутников. Обработка данных измерений гравитационного и магнитного полей галилеевых спутников, полученных в результате космического эксперимента миссии "Галилео", привела к определению важнейших геофизических характеристик, которые были использованы для построения моделей химического состава и внутреннего строения спутников Юпитера, включающих распределение температуры/ плотности в мантии при температурах и давлениях до 1500-1800 К и 40-70 кбар и оценки размеров металлических ядер.

Внутреннее строение спутников, состоящих из коры или ледяной оболочки, силикатной мантии и металлического Fe-FeS ядра, моделировалось на основе геофизической (тепловой поток, средняя плотность, масса, момент инерции) и геохимической (состав H, L, LL, CM, CV- хондритов) информации, а также термодинамических данных в системе Na2O-TiO2-CaO-FeOMgO-Al2O3-SiO2-Fe-FeS-Н2О (фазы: модификации железа и сульфида железа; минералы (твердые растворы) - плагиоклаз, оливин, ильменит, шпинель, гранат, орто- клинопироксен) с учетом фазовой диаграммы Н2О, уравнений состояния и фазовых превращений льда I-VI при высоких давлениях. Задача решается методом Монте Карло. Просматривается вся область петрологически допустимых значений плотности в мантии и выбираются те значения ρmin,i<ρi<ρmax,i, для которых выполняются балансовые соотношения для массы и момента с соответствующей погрешностью. Затем из уравнения сохранения массы вычисляются размеры ядра.

На этой основе построены численные модели химического состава галилеевых спутников. Проведено их сопоставление с веществом метеоритов и показано, что валовый химический состав спутников соответствует составу обыкновенных (L, LL) хондритов По совокупности геофизических и геохимических ограничений выявлены критерии окислительно-восстановительных условий и степени фракционирования металл/силикат (Fe/Si) во внешней части Солнечной системы. Определены размеры металлических ядер спутников (рис. 2), распределение плотности и минеральный состав мантии, количество Н2О в оболочках спутников. Содержание Н2О изменяется от полного отсутствия на Ио до 46-50 мас.% у Ганимеда и Каллисто. Внешняя оболочка Европы содержит всего 6-7% льда от массы планеты. Мощность водно-ледяных оболочек изменяется от 120-140 км для Европы до 900-950 км для Ганимеда.

Проведенные исследования показывают, что Ио, Европа и Ганимед прошли через стадию дифференциации с образованием коры (Ио) или водно-ледяных внешних оболочек (Европа, Ганимед), силикатной мантии и металлического ядра. Каллисто - недифференцированный спутник.

Ганимед

Рассмотрены две возможные модели строения оболочки Ганимеда:

Модель (D) соответствует сплошному слою льдов высокого давления от поверхности до границы железокаменного ядра мощностью 890-920 км. Чистый лед при температуре <251ОК остается в твердом состоянии на любой глубине. Валовый состав железокаменного ядра Ганимеда (без внешней ледяной оболочки) соответствует составам L-хондритов. Ганимед по модели (D) имеет массивное металлическое ядро: 820-900 км для эвтектики Fe-FeS (15-20% от массы железокаменного ядра Ганимеда), 580-650 км для Fe-ядра (8-12%).

Модель (B) показывает, что существование внутреннего водного океана не исключено, если железокаменное ядро Ганимеда имеет валовый состав близкий к LL хондритам. Обе модели железокаменного ядра Ганимеда по своему химическому составу подобны валовому составу Ио. Полученные данные по составу и строению Ганимеда позволяют сделать вывод, что магнитное поле Ганимеда может быть объяснено как существованием массивного металлического ядра, так и наличием жидкого внутреннего океана, содержащего электролиты.

URL:h**t://w*w.scgis.r*/russian/cp1251/h_dgggms/1-2002/informbul-1.htm#planet-2

3. МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ

ГАЛИЛЕЕВЫХ СПУТНИКОВ ЮПИТЕРА. О.Л.Кусков, В.А.Кронрод. Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН, Москва. Вестник ОГГГГН РАН № 5 (15)’2000 т.1

URL: h**t://w*w.scgis.r*/russian/cp1251/h_dgggms/5-2000/planet8.

4. Джон Каннингем. Возможная жизнь на спутниках Юпитера. John Cunningham. Possible Life on Jupiter's Moons.

h**t://members.aol.com/jccunn/mars.htm