Есть ли магнитное поле у планет гигантов у каких кратко
Обновлено: 02.07.2024
Планеты - гиганты, или внешние планеты, это Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. У них нет ни твердой, ни жидкой поверхности. Газы их огромных атмосфер, уплотняясь по мере движения к центру, переходят в жидкое состояние. Как раз отсутствие четкого перехода от газообразного состояния вещества в атмосфере к твердому или жидкому, дает возможность ученым считать планеты - гиганты планетами без поверхности.
Отличительной особенностью этой группы планет от планет земной группы также будут их исполинские габариты и вес (поэтому давление в их недрах существенно больше). Малая средняя плотность (приближающаяся к средней Солнечной, 1,4 г/см³), мощные атмосферы, высокая скорость вращения, и кроме того кольца (в то время как у планет земной группы их вообще нет) и множество спутников.
Эти планетам свойственна высокая скорость вращения вокруг собственной оси (10 - 18 часов). Кроме того, вращение происходит пластами: скорость вращения на экваторе самая высокая, а околополярные области - замедлены. Из-за того, что гиганты нетвердые планеты, они сжаты у полюсов, что можно наблюдать в обыкновенный телескоп.
В атмосферы Юпитера и Сатурна представлены легкие элементы: водород и гелий. В атмосферах Урана и Нептуна преобладают метан, аммиак, вода и прочие не слишком тяжелые соединения. Прочие элементы так же представлены, но их значительно меньше. Астрофизики установили закономерность, что с ростом массы гиганта возрастает и его атмосфера. Получается, самая огромная атмосфера принадлежит Юпитеру. Разность химических составов гигантов объясняются процессом формирования и эволюции Солнечной системы.
В центре гигантов присутствует незначительное твердое ядро. По всей видимости, в глубине планет - гигантов, где существенное давление и температура, присутствует пласт водорода, которому присущи металлические свойства. Это феноменальное вещество не будет в полной мере ни газообразным, ни твердым. Но ему присуще важное качество: проводить ток. Вследствие этого, планетам - гигантам присуще магнитное поле. Суммарное магнитное поле внешних планет, больше магнитного поля планет земной группы.
Преобладающая часть естественных спутников планет в Солнечной системе располагаются около планет - гигантов. У Сатурна известно 30 спутников, у Урана – 21, у Юпитера – 39, у Нептуна – 8.
Кроме множества спутников, отличительной чертой внешних планет будут еще и кольца – сосредоточение мелких частиц, вращающихся вокруг планет и сконцентрировавшихся вблизи их экваториальной части. И все же, лишь у Сатурна, представлены внушительные по размерам кольца. Прочие внешние планеты наделены лишь размытыми и еле различимыми кольцами.
6 из 8 планет солнечной системы обладают собственными источниками магнитных полей, способные отклонять потоки заряженных частиц солнечного ветра. Объем пространства вокруг планеты, в пределах которого отклоняется от траектории солнечный ветер, именуется магнитосферой планеты. Несмотря на общность физических принципов генерирования магнитного поля, источники магнетизма, в свою очередь, сильно варьируются у разных групп планет нашей звездной системы.
Изучение разнообразия магнитных полей интересно тем, что наличие магнитосферы, предположительно, является важным условием для возникновения жизни на планете или ее естественном спутнике.
Железом и камнем
У планет земной группы сильные магнитные поля являются скорее исключением, чем правилом. Наиболее мощной магнитосферой в данной группе обладает наша планета. Твердое ядро Земли предположительно состоит из железоникелевого сплава, разогретого радиоактивным распадом тяжелых элементов. Эта энергия передается путем конвекции в жидком внешнем ядре в силикатную мантию (подробнее). Тепловые конвективные процессы в металлическом внешнем ядре до недавнего времени считались главным источником геомагнитного динамо. Однако исследования последних лет опровергают данную гипотезу.
Предположительно источником магнетизма за время существования нашей планеты могло быть сложное сочетание различных механизмов генерирования магнитного поля: первичная инициализация поля от древнего столкновения с планетоидом; не тепловая конвекция различных фаз железа и никеля во внешнем ядре; выделения оксида магния из охлаждающегося внешнего ядра; приливное влияние Луны и Солнца и т.д.
Стоит оговориться, что Венера обладает так называемой индуцированной магнитосферой, создаваемой взаимодействием солнечного ветра и ионосферы планеты
Внутреннее строение железосиликатных планет земной группы
Схема магнитосферы Меркурия с наложенным графиком магнитной индукции
Научные данные, полученные космическими аппаратами, позволяют предположить, что магнитное поле генерируется движением металла в расплавленном приливными силами Солнца ядре Меркурия. Магнитный момент этого поля в 100 раз слабее Земного, а размеры сравнимы с размерами Земли, не в последнюю очередь из за сильного влияния солнечного ветра.
Магнитные поля Земли и планет гигантов. Красная линия — ось суточного вращения планет (2 — наклон полюсов магнитного поля к данной оси). Синяя линия — экватор планет (1 — наклон экватора к плоскости эклиптики). Магнитные поля представлены желтым цветом (3 — индукция магнитного поля, 4 — радиус магнитосфер в радиусах соответствующих планет)
Металлические гиганты
Планеты гиганты Юпитер и Сатурн обладают крупными ядрами из горных пород, массой в 3-10 земных, окруженные мощными газовыми оболочками, на которые, и приходиться подавляющая часть массы планет. Однако эти планеты обладают чрезвычайно крупными и мощными магнитосферами, и их существование нельзя объяснить лишь динамо-эффектом в каменных ядрах. Да и сомнительно, что при таком колоссальном давлении там вообще возможны явления, подобные тем, что происходят в ядре Земли.
Ключ к разгадке находится в самой водородно-гелиевой оболочке планет. Математические модели показывают, что в недрах этих планет водород из газообразного состояния постепенно переходит в состояние сверхтекучей и сверхпроводящей жидкости – металлический водород. Металлическим его называют из-за того, что при таких значениях давления водород проявляет свойство металлов.
Внутреннее строение Юпитера и Сатурна
Юпитер и Сатурн, как и свойственно планетам гигантам, сохранили в недрах большую тепловую энергию, накопившуюся в период формирования планет. Конвекция металлического водорода переносит эту энергию в газовую оболочку планет, определяя климатическую обстановку в атмосферах гигантов (Юпитер излучает в космос вдвое больше энергии, чем получает от Солнца). Конвекция в металлическом водороде в сочетании с быстрым суточным вращением Юпитера и Сатурна, предположительно и образуют мощные магнитосферы планет.
Ледяные генераторы
Внутреннее строение Урана и Нептуна
Ось магнитного поля Урана, как и у Нептуна, сильно смещена относительно центра планеты. Справа сияние атмосферы у магнитных полюсов Урана (белое пятно) снятые телескопом Хаббла
Как и в случае с газовыми гигантами, тепло из недр планет передается конвективными процессами в атмосферу Нептуна и Урана. Математические модели показывают, что жидкость из метана, аммиака и воды обладает высокой электропроводимостью. На определенной глубине этой ледяной мантии, в тонкой прослойке, давление становиться благоприятным для того, что бы гидродинамический эффект от конвекции начал генерировать магнитные поля планет.
Наличие или отсутствие у космических тел магнитного поля связывают с их внутренним строением.
Постоянное магнитное поле невозможно, так как температура в ядрах планет Солнечной системы намного выше точки Кюри. Было предложено множество объяснений природы внутреннего магнетизма планет; такие как термоэлектрический эффект или магнитные монополи не имеют удовлетворительных физических оснований, либо дают поля, по величине гораздо меньшие наблюдаемых. На настоящий момент общепринятой является теория магнитогидродинамического динамо: магнитное поле генерируется благодаря конвекционным потокам в жидком токопроводящем ядре [1] . Она была предложена в 1919 году Дж. Лармором (на тот момент для объяснения магнетизма солнечных пятен) [2] , затем теоретические основы теории были разработаны У. Элсассером [en] в 1939 году [3] и Э. Белордом [en] в 1949 году [4] .
Таким образом, необходимым условием генерации магнитного поля является наличие жидкого ядра, проводящего ток, причём в нём должны иметь место потоки. Правда, касательно их происхождения нет столь существенной определённости, как по поводу теории магнитного динамо в целом; так, например, предлагались гипотезы о прецессии и приливных силах. Однако наиболее вероятной причиной таких потоков и, как следствие, источником энергии, компенсирующим потери на тепловое рассеяние, является термохимическая конвекция [5] . Показано, что в её отсутствие магнитное поле Земли затухало бы в e раз за каждые 15000 лет, что ничтожно мало по сравнению с возрастом Земли — 4,5 млрд. лет [1] . Кроме того, именно отсутствие конвективных потоков, судя по всему, ответственно за слабость магнитного поля Венеры [6] .
Магнитное поле тел Солнечной системы изучается как экспериментально — путём космических исследований — так и теоретически — посредством моделирования. Последнее требует решения системы нелинейных уравнений в частных производных (уравнение Навье-Стокса, уравнение магнитной индукции и др.), включающих параметры, значения которых в условиях ядер планет исключительно малы. Так, число Экмана, выражающее отношение величин вязкости и силы Кориолиса, составляет порядка 10 −15 , а магнитное число Прандтля, отвечающее за отношение вязкости к силе Лоренца — 10 −6 . Эти значения пока недостижимы как в численном моделировании, так и в экспериментах по воссозданию магнитного динамо в лабораторных условиях. Последние тем не менее полезны в плане понимания механизма [1] .
В группу планет-гигантов Солнечной системы — входят четыре планеты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, расположеных за пределами главного пояса астероидов. Эти планеты, имеющие ряд сходных физических характеристик, также называют внешними планетами. В области перед главным поясом астероидов (во внутренней области) находятся планеты земной группы, твёрдотельные в отличии от планет-гигантов. Малая плотность планет–гигантов (у Сатурна она меньше плотности воды) объясняется тем, что основная часть их массы находится в газообразном и жидком состояниях. В составе этих планет преобладают водород и гелий. Этим они похожи на Солнце и многие другие звёзды, у которых водород и гелий составляют примерно 98 процентов массы.
Любая из планет–гигантов превосходит по массе все планеты земной группы, вместе взятые. Все планеты имеют мощные протяженные атмосферы, состоящие в основном из молекулярного водорода и содержащие гелий, метан, аммиак, воду. На планетах атмосферный газообразный водород переходит в жидкую, а затем в твёрдую фазу. Сжатие этих планет вызвано их быстрым вращением вокруг оси. Экваториальные области планет вращаются быстрее, чем области, находящиеся ближе к полюсам. Планеты – гиганты находятся далеко от Солнца, поэтому там очень холодно. Кроме множества спутников, все планеты имеют ещё и кольца. Вероятнее всего, кольца образовались из вещества тех спутников, которые прежде были крупнее, а затем разрушились под действием приливных сил и при столкновениях между собой. Предполагают, что в недрах этих планет вещество должно иметь высокую температуру.
Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времен года на них всегда господствуют низкие температуры. На Юпитере вообще нет смены времен года, поскольку ось этой планеты почти перпендикулярна к плоскости ее орбиты. Своеобразно происходит смена времен года и на планете Уран, так как ось этой планеты наклонена к плоскости орбиты под углом 8°.
В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, но оно относительно невелико. Атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. Скорее всего, в недрах планет-гигантов, где высоки давление и температура, есть слой водорода, обладающего металлическими свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным, ни твердым. Но оно обладает важным свойством: проводит ток. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магнитным полем. Особенно велико магнитное поле Юпитера. Оно во много раз превосходит магнитное поле Земли, причем полярность его обратна земной.
Все четыре планеты имеют множество спутников, а также кольца астероидов вокруг себя. Данная особенность объясняется тем, что газовые гиганты обладают мощным гравитационным полем, способным притянуть большее количество космических объектов, чем слабые гравитационные поля планет земной группы. Ученые полагают, что астероидные кольца являются остатками лун, которые были измельчены гравитационным силами данных планет.
Читайте также: