Внутреннее строение Юпитера

Юпитер — самая большая планета Солнечной системы. Его размеры колоссальны. Экваториальный диаметр составляет 142 784 км, полярный несколько меньше — 139 788 км. Размеры взяты на уровне, где атмосферное давление равняется 1 бар, что близко к уровню, где газ становится непрозрачным (верхняя кромка облаков). Общий объем близок к 1300 объемам Земли, в то время как масса Юпитера составляет 1,9 • 10²⁷ кг (1/1050 массы Солнца, или 318 масс Земли). Различие в соотношениях объемов и масс Юпитера и Земли указывает на существенные различия в средней плотности и, следовательно, во внутреннем строении этих планет. И действительно, средняя плотность Юпитера составляет 1,33 г/см³, тогда как средняя плотность Земли — 5,52 г/см³. Низкая плотность указывает на то, что планета сложена в основном из легких компонентов — водорода и гелия. Считается, что на долю тяжелых элементов в недрах планеты приходится около 20 масс Земли (6% общей массы Юпитера).

Современная модель строения верхних слоев атмосферы планеты такова: основные составляющие — водород и гелий в примерном соотношении 75% к 24% по массе (прямые измерения спускаемого зонда «Галилео»). Содержание других компонентов мизерно — меньше 1%.

Водородно-гелиевая атмосфера имеет толщину около 1500 км. Средняя эффективная температура планеты составляет около 134 К, или -139 °С. Именно такова температура на уровне выше верхней кромки непрозрачных облаков, над которой находится внешний слой атмосферы из водорода (водородная корона). Помимо водорода и гелия, при указанной температуре в газообразном состоянии находятся синильная кислота (HCN), GeH₄ (эти соединения являются сильными ядами), метан (СН₄), этан (С₂Н₆), ацетилен (С₂Н₂), а также взвешенные кристаллики воды (Н₂0), аммиака (NH₃) и гидросульфида аммония (NH₄SH). Все указанные соединения обнаружены дистанционно спектральными методами; наличие некоторых подтверждено прямыми измерениями с борта спускаемого аппарата «Галилео» в декабре 1995 г., но их суммарная концентрация, как указано выше, не превышает 1%. Состав газовой смеси в атмосфере оказался следующим. Водород и гелий составляли соответственно 75% и 24% по массе. Эти данные отличаются от модельных представлений (80: 20) о соотношении концентраций водорода и гелия на Юпитере в целом (включая его глубинные слои). На долю остальных элементов приходится 1%, причем содержание углерода и серы оказалось в 2—3 раза больше, чем на Солнце. Количество органических молекул оказалось ничтожно малым. Атмосфера очень сухая, практически без присутствия водяного пара.

Структура слоев Юпитера оценивается по-разному для различных расчетных моделей. Качественно эти модели сходны, однако есть разночтения по поводу глубины границ отдельных слоев. Согласно всем моделям, плотность, давление и температура атмосферного газа быстро растут с глубиной. Начиная с глубины около 1500 км давление становится таким высоким, что водород постепенно переходит в жидкое состояние. Можно считать, что на этом уровне заканчивается атмосфера.

Толщина слоя газо-жидкого водорода оценивается примерно в 7000 км, причем температура, давление и плотность продолжают нарастать по мере погружения в недра Юпитера. При этом постепенно увеличивается доля жидкости и уменьшается доля газа. И водород, и гелий находятся здесь в так называемом сверхкритическом состоянии, когда свойства газа и жидкости оказываются одинаковыми.

Начиная с глубины 7000 км от верхней кромки облаков (0,88 радиуса, или 62 500 км от центра планеты), где давление достигает значения 690 000 бар, а температура — 6500 К (что несколько превышает температуру на поверхности Солнца или в центре Земли), водород переходит в жидко-молекулярное состояние. Плотность вещества на этом уровне увеличивается скачком — с 0,56 до 0,66 г/см³.

Толщина слоя жидкого молекулярного водорода составляет примерно 8000 км. Ниже (0,77 радиуса, или 54 700 км от центра) начинается слой вырожденного водорода. Смысл этого понятия состоит в следующем. При огромных давлениях (3 000 000 бар) и температурах (10 000 К) электроны в атомах водорода отрываются от ядер (протонов), теряя индивидуальную принадлежность к конкретным атомам. Подобная ситуация наблюдается в металлах, где электроны свободно движутся во всем объеме образца. Поэтому водород в таком состоянии называют «металлическим».

В центре Юпитера существует твердое металлосиликатное ядро. На это указывает безразмерный момент инерции планеты (0,254). Это чрезвычайно низкая величина, если сравнивать с уже известными значениями для планет земной группы и Луны. Небольшой (меньше 0,4) момент инерции указывает на наличие высокой концентрации массы в центре планеты. Согласно некоторым моделям, ядро может быть окружено гидридной оболочкой из раскаленных воды, метана и аммиака в газожидком состоянии под огромным давлением около 38 млн бар, при этом диаметр ядра с оболочкой составляет 25 000 км (вдвое больше Земли). Температура в центре ядра планеты оценивается в 20 000 К (согласно некоторым моделям — 30 000 К) давление — около 50 млн бар, плотность вещества — около 11 г/см³.

Еще раз отметим, что внутреннее строение Юпитера описано в рамках расчетных моделей, где, несмотря на различия, основные качественные элементы сходны. Таким образом, можно рассматривать Юпитер как компактное твердое металлосиликатное ядро, окруженное протяженной флюидной (газо-жидкой и газообразной) водородногелиевой оболочкой, верхнюю (газообразную) часть которой условно можно назвать атмосферой планеты. Юпитер не имеет твердой поверхности: нарастание свойств от газа к жидкости и от жидкости к твердому состоянию происходит постепенно на протяжении гигантского радиуса планеты, превышающего 70 000 км.