Jowisz

fot. NASA

Jowisz to największa planeta Układu Słonecznego,piąta licząc według rosnącej odległości od Słońca; znana już w starożytności.

Okres orbitalny Jowisza wynosi 11,86 lat, półoś wielka orbity 778,4 mln km; czas pełnego obrotu 9,841 h, promień równikowy 71 492 km. Jego masa przekracza sumę mas wszystkich pozostałych planet (około 318 mas Ziemi)

Jowisz jest gazowo - ciekłą kulą o prawdopodobnie małym, skalistym jądrze. Emituje więcej promieniowania niż to wynika z otrzymanej od Słońca energii, co świadczy o intensywnym grzaniu, spowodowanym grawitacyjnym kurczeniem się planety.

Atmosferę ma grubą i nieprzezroczystą (składa się ona głównie z wodoru i helu, ponadto w jej skład wchodzą: amoniaki metan). są w niej widoczne ciemne pasy (miejsca chłodniejsze) oraz plamy - miejsca zawirowań (największa jest tzw. Wielka Czerwona Plama).

Jowisz ma co najmniej 16 księżyców (największe to: Ganimedes, Callisto, Io, Europa) i 3 cienkie pierścienie.

Najdokładniejsze dane o planecie uzyskano dzięki sondom kosmicznym Pioneer 10 i 11 oraz Voyager 1 i 2.

Jowisz

Jowisz jest piątą według oddalenia od Słońca i największą planetą Układu Słonecznego, a po Słońcu, Księżycu i Wenus - czwartym pod względem jasności obiektem na ziemskim niebie. Starożytni Rzymianie nadali mu imię swego boga światłości, będącego panem zarówno wszystkich bogów, jak i wszelkich zjawisk niebieskich. Jowisz okrąża Słońce po prawie kołowej orbicie w odległości ponad pięciokrotnie większej niż odległość Ziemi od Słońca (5,2 j.a.); jego średnia prędkość orbitalna wynosi 13 km/s, a okres obiegu wokół Słońca trwa prawie 12 lat. Chociaż masa Jowisza stanowi zaledwie tysięczną część masy Słońca, jest 318 razy większa od masy Ziemi. Średnica Jowisza przewyższa średnicę Ziemi mniej więcej 11 razy i wynosi prawie 143 tys. km. Średnia gęstość największej planety Układu Słonecznego jest więc czterokrotnie mniejsza od średniej gęstości Ziemi i równa się 1,3 g/cm³. Planeta szybko wiruje wokół osi niemal prostopadłej do płaszczyzny swej orbity: pełny obrót wykonuje w ciągu niespełna 10 godzin i jest to najkrótszy okres obrotu wśród wszystkich planet naszego systemu. Konsekwencją szybkiego obrotu jest stosunkowo duże spłaszczenie globu Jowisza: jego promień równikowy jest o 4200 km dłuższy od promienia biegunowego.

Jedną z najbardziej intrygujących zagadek Jowisza jest to, że wypromieniowuje on dwukrotnie więcej energii, niż otrzymuje od Słońca. Nie znamy źródła tej dodatkowej energii. Mimo że skład chemiczny Jowisza jest zbliżony do słonecznego, nie mogą w nim zachodzić reakcje jądrowe przemiany wodoru w hel ze względu na zbyt małe ciśnienie i za niską temperaturę w jego wnętrzu. Sądzono więc, że nadwyżka energii może być wynikiem kurczenia się planety (wystarczyłoby zmniejszanie się promienia o mniej więcej 1 mm rocznie), które powinno prowadzić do zamiany energii grawitacyjnej na energię cieplną. Koncepcja ta nie wytrzymała jednak próby czasu. Precyzyjna analiza zmian torów sond kosmicznych w polu grawitacyjnym Jowisza pozwoliła znaleźć rozkład gęstości wewnątrz jego globu. Okazało się, że wzrost gęstości ku środkowi jest tak wolny, iż wyklucza popularną dotąd hipotezę, według której Jowisz jest kulą gazową. Najprawdopodobniej więc wypełnia go ciekły wodór metaliczny, otoczony grubą warstwą ciekłego wodoru molekularnego. Tylko w samym środku ma on przypuszczalnie niewielkie, ale skupiające około 13% masy, stałe jądro żelazowo-krzemianowe. Ściśliwość tych cieczy jest za mała, aby ich ewentualnym kurczeniem się dało się wytłumaczyć obserwowaną nadwyżkę wypromieniowywanej energii. Niewykluczone więc, że Jowisz posiada jeszcze w swym wnętrzu zapas ciepła pochodzącego z okresu kondensacji planety z pierwotnej mgławicy słonecznej.

Transport energii we wnętrzu Jowisza odbywa się głównie drogą konwekcji. Ponieważ ciekły wodór metaliczny jest dobrym przewodnikiem elektryczności, konwekcja termiczna wzmacnia pole magnetyczne planety. Jego natężenie przy powierzchni jest kilkanaście razy większe niż pola magnetycznego Ziemi (indukcja pola magnetycznego na równiku wynosi 430 mikrotesli). Sprawia to, że wokół Jowisza rozpościera się ogromna magnetosfera, sięgająca w kierunku Słońca na odległość około 4 mln km. Długość skierowanego od Słońca ogona magnetosfery dochodzi do 650 mln km, czyli sięga niemal orbity Saturna. Pole magnetyczne więzi w pasach radiacyjnych wokół Jowisza znaczne ilości cząstek naładowanych, których energia wielokrotnie przewyższa energię cząstek poruszających się wewnątrz analogicznych pasów Van Allena wokół Ziemi. Szybko wirujące wraz z planetą pole magnetyczne działa jak akcelerator, przyspieszając naładowane cząstki do prędkości bliskich prędkości światła. Są one źródłem odbieranego na Ziemi promieniowania radiowego Jowisza o decymetrowych długościach fal oraz stanowią własne "promieniowanie kosmiczne" planety, które także dociera do Ziemi.

>>>
Fragment tarczy Jowisza i dwa księżyce galileuszowe - Io (z lewej; na tle Wielkiej Czerwonej Plamy) i Europa (z prawej). Pomarańczową barwę Io przypisuje się obecności na powierzchni tego księżyca siarki i jej związków. Europa jest stosunkowo jasna dzięki lodowi wodnemu pokrywającemu jej powierzchnię. Fot. JPL/NASA.

Zbudowany w znacznej części z ciekłego wodoru, glob Jowisza otoczony jest gazową atmosferą, złożoną przede wszystkim z wodoru (około 81%) i helu (blisko 19%) z niewielkimi domieszkami substancji bogatych w wodór: metanu, amoniaku i pary wodnej, a także acetylenu, cyjanowodoru oraz tlenku węgla. Wyraźnie widoczne na zdjęciach planety równoleżnikowe struktury są odzwierciedleniem wpływu szybkiej rotacji globu na obłoki w dolnych warstwach atmosfery, poruszające się wskutek konwekcji wywołanej pochodzącym z wnętrza ciepłem. Szybkość wiatrów w warstwach powierzchniowych dochodzi do 600 km/h. Temperatura atmosfery Jowisza nad obszarem obłoków wynosi około 170 kelwinów. Najbardziej charakterystycznym tworem powierzchni Jowisza jest tzw. Wielka Czerwona Plama, będąca prawdopodobnie gigantycznym zawirowaniem w powierzchniowej warstwie obłoków, przypominającym ziemskie cyklony. Długowieczność i wielkość plamy sprawiają, że ciągle brak jest wiarygodnego wyjaśnienia, co może być źródłem energii podtrzymującej jej istnienie.

>>>
Wulkan Pele na skraju tarczy Io wyrzuca cząsteczki materii na wysokość 300 km. Fot. NASA.

>>>
Powierzchnia Io. Większość widocznych na niej utworów powstała w wyniku procesów wulkanicznych. (Północ jest u góry). Fot. NASA.

Jowisz ma wiele satelitów. Najbardziej znanymi są odkryte w 1610 r. przez Galileusza (1564-1642) cztery największe księżyce: Io, Europa, Ganimedes i Kallisto. Okrążają one Jowisza po prawie kołowych orbitach, położonych w płaszczyźnie równika planety, a pod względem rozmiarów są porównywalne z ziemskim Księżycem. Podobnie jak on zwracają się ku macierzystej planecie stale tą samą stroną. Można je łatwo zobaczyć, obserwując Jowisza nawet przez zwykłą lornetkę.

Szczególnie frapującym obiektem jest Io, odległy od środka Jowisza o prawie 6 promieni planety (422 tys. km), okrążający go z okresem 1,77 doby i mający średnicę 3630 km. W 1979 roku bowiem odkryto na nim czynne wulkany - pierwsze oznaki istnienia pozaziemskiej aktywności wulkanicznej. Dostrzeżone na Io wulkany wyrzucały materię na wysokość około 100 km. Przypuszcza się, że główną przyczyną intensywnych procesów geologicznych na powierzchni tego księżyca są ruchy wewnątrz globu, wywołane silnymi oddziaływaniami pływowymi pochodzącymi od Jowisza i pozostałych jego księżyców, a silnie rozgrzewające skorupę Io. Stosunkowo duża średnia gęstość Io (3,6 g/cm³) oraz wykrycie na jego powierzchni i w atmosferze związków siarki pozwalają sądzić, że jego glob składa się z żelazno-skalnego jądra, otoczonego grubą warstwą płynnej siarki i przykrytej stosunkowo cienką warstwą zakrzepłych osadów wulkanicznych. Io spowija obłok sodowym, zawierający także potas, wodór i siarkę. Wzdłuż orbity Io odkryto pierścień plazmowy w kształcie torusa, składający się głównie z cząsteczek siarki zjonizowanych w wyniku zderzeń z elektronami uwięzionymi w magnetosferze Jowisza (w której wnętrzu Io się porusza). Pierścień ten okazał się silnym źródłem promieniowania nadfioletowego i radiowego.

>>>
Złożone, liniowe grzbiety i rowy na powierzchni Europy powstały prawdopodobnie w wyniku procesów tektonicznych. Dwie duże brunatne plamy w dolnej części zdjęcia, noszące nazwy Thrace Macula i Thera Macula, mogą być miejscami, gdzie lodowa skorupa została wzbogacona materią wyrzuconą na powierzchnię z wnętrza. Fot. JPL/NASA.

Główną osobliwością następnego księżyca, Europy - odległego od środka Jowisza o ponad 9 jego promieni (671 tys. km), okrążającego go z okresem 3,55 doby i mającego średnicę 3138 km - jest stosunkowo gładka i dobrze odbijająca światło słoneczne powierzchnia. Satelita ten, mający przypuszczalnie skalne wnętrze, pokryty jest grubą warstwą lodu wodnego (średnia gęstość Europy wynosi 3,0 g/cm³). Widoczne na zdjęciach, uzyskanych z niewielkiej odległości za pomocą sondy Galileo, plątaniny krzyżujących się przedziwnych struktur liniowych na lodowej powierzchni Europy wskazują - z geologicznego punktu widzenia - na obecność działalności wulkanicznej, prowadzącej do pęknięć i przemieszczania się względem siebie płyt lodowych. Prawie zupełny brak kraterów uderzeniowych sugeruje młody wiek powierzchni, potwierdzając tym samym jej obecną aktywność, która niweluje ślady uderzeń meteoroidów. Wulkanizm wymaga, oczywiście, wewnętrznego źródła ciepła. Nieznana jest jeszcze jego natura, ale nietrudno wyobrazić sobie skutki jego istnienia. Pod być może niezbyt grubą skorupą lodową, stanowiącą powierzchnię satelity, znajduje się prawdopodobnie woda w stanie płynnym. Ocean wodny jest zaś - jak wiadomo - idealnym środowiskiem dla rozwoju życia. Europa wydaje się zatem drugim po Marsie ciałem Układu Słonecznego, na którym można się spodziewać istnienia śladów jakichś prymitywnych form życia.

>>>
Powierzchnia Ganimedesa. Duży, niemal okrągły ciemny obszar to Galileo Regio. Obszary stare są ciemne, młodsze zaś - jaśniejsze. Jasne, okrągłe łaty to ślady uderzeń w powierzchnię księżyca innych obiektów. Bardzo jasne obszary zawierają bogatą w lód materię, wyrzuconą ze stosunkowo młodych kraterów uderzeniowych. Fot. JPL/NASA.

Największy satelita Jowisza - i w ogóle największy księżyc w Układzie Słonecznym - Ganimedes, jest oddalony od swej macierzystej planety o ponad 15 jej promieni (1070 tys. km), okrąża ją z okresem 7,15 doby i ma średnicę 5262 km (jest więc większy od Merkurego). Jego średnia gęstość (1,9 g/cm³), wyraźnie mniejsza niż Io i Europy, pozwala sądzić, że składa się on ze skalistego jądra, otoczonego warstwą lodu grubości mniej więcej 1/4 promienia globu. Warstwa ta jest pokryta cienką skorupą, będącą mieszaniną lodu i materiałów skalnych. Na powierzchni Ganimedesa znajduje się wiele kraterów uderzeniowych. Zdjęcia różnych jej fragmentów, uzyskane za pomocą sondy Galileo, ukazują ślady trwającej prawdopodobnie do dziś aktywności geologicznej. Obszary okołobiegunowe satelity są wyraźnie jaśniejsze, co sugeruje istnienie - podobnie jak na Marsie - czap polarnych, tworzących się zapewne z lodów sublimujących z rejonów równikowych. Ganimedes otoczony jest przypuszczalnie cienką warstwą bardzo rzadkiej atmosfery, składającej się z pary wodnej, tlenu i dwutlenku węgla. Dzięki sondzie kosmicznej Galileo udało się w 1996 r. stwierdzić obecność pola magnetycznego Ganimedesa. Jego magnetosfera zanurzona jest w magnetosferze Jowisza. To pierwszy i jak dotychczas jedyny księżyc Układu Słonecznego, o którym wiadomo, że ma pole magnetyczne.

>>>
Naznaczona licznymi kraterami powierzchnia Kallisto ukształtowała się we wczesnej historii systemu Jowisza. Mozaika zdjęć z sondy Galileo. Fot. JPL/NASA.

Ostatni z księżyców galileuszowych, Kallisto, obiega Jowisza w odległości ponad 26 promieni planety (1880 tys. km), zakreślając pełną orbitę w 16,69 doby. Średnica Kallisto równa się 4800 km. Pod względem budowy księżyc ten przypomina Ganimedesa, ale ma znacznie grubszą warstwę lodową, która otacza mniejszy zapewne rdzeń skalny. Cechą charakterystyczną Kallisto jest wyjątkowa obfitość znaczących powierzchnię kraterów uderzeniowych, które pochodzą najprawdopodobniej jeszcze z okresu wielkiego bombardowania kończącego proces tworzenia się Układu Słonecznego. Kratery przetrwały niezmienione od tamtych czasów, gdyż wszystkie procesy, które wygładzały powierzchnie księżyców krążących bliżej Jowisza, działały znacznie słabiej na odległego Kallisto. Do szczególnie intrygujących utworów powierzchniowych należy zespół 10 współśrodkowych pierścieni (będących wypiętrzeniami terenu), spośród których najbardziej zewnętrzny ma promień około 1500 km. Formacja ta jest przypuszczalnie rezultatem uderzenia w Kallisto - w okresie formowania się satelity - obiektu sporych rozmiarów.

Księżyce Jowisza (Wg "Atlas Układu Słonecznego NASA", Prószyński i S-ka, Warszawa 1999)

Księżyc Odkrywca Średnia odległość od Jowisza (tys. km) Okres orbitalny (dni) Średnica (km) Masa (10²⁰ kg) Gęstość (g/cm³)

Metis Voyager (1979) 128 0,29 40 - -

Adrasteja Voyager (1979) 129 0,30 25 - -

Amalteja E. E. Barnard (1892) 181 0,50 270 - -

Tebe Voyager (1979) 222 0,67 110 - -

Io Galileusz (1610) 422 1,77 3630 892 3,6

Europa Galileusz (1610) 671 3,55 3138 497 3,0

Ganimedes Galileusz (1610) 1070 7,16 5262 1049 1,9

Kallisto Galileusz (1610) 1883 16,69 4800 1064 1,8

Leda Ch. T. Kowal (1974) 11 094 239 16 - -

Himalia Ch. D. Perrine (1905) 11 480 251 186 - -

Lysiteja S.B. Nicholson (1938) 11 720 259 36 - -

Elara Ch. D. Perrine (1905) 11 737 260 76 - -

Ananke S.B. Nicholson (1951) 21 200 617 30 - -

Karme S.B. Nicholson (1938) 22 600 692 40 - -

Pasifae P. J. Melotte (1908) 23 500 735 50 - -

Sinope S.B. Nicholson (1914) 23 700 758 36 - -

>>>
Cztery zdjęcia Amaltei, wykonane przez sondę Galileo, ukazują nierówną bryłę tego księżyca. Fot. JPL/NASA.

Oprócz satelitów galileuszowych - Io, Europy, Ganimedesa i Kallisto - wokół Jowisza krąży jeszcze co najmniej 12 (tyle dotychczas odkryto) znacznie mniejszych księżyców. Najbliższe planety (Metis, Adrasteja, Amalteja i Tebe) poruszają się po prawie kołowych orbitach, położonych w płaszczyźnie równika Jowisza. Dalej od księżyców galileuszowych Jowisza obiega kolejna grupa czterech satelitów (Leda, Himalia, Lysiteja i Elara) - po orbitach (o mimośrodach 0,2-0,3) znajdujących się w płaszczyznach nachylonych do płaszczyzny orbity planety pod kątem około 28^o. Cztery najdalsze księżyce (Ananke, Karme, Pasifae i Sinope) krążą wokół Jowisza w kierunku przeciwnym niż wszystkie pozostałe (czyli poruszają się ruchem wstecznym), po wyraźnie eliptycznych orbitach (o mimośrodach od 0,7 do 0,38) leżących w płaszczyznach nachylonych do płaszczyzny orbity Jowisza pod kątem 45-64^o. Wszystkie te naturalne satelity są niekształtnymi bryłami średnicy rzędu kilku lub kilkudziesięciu kilometrów; jedynie dostrzeżona po raz pierwszy w 1892 r. Amalteja ma rozmiary oceniane na 270 x 165 x 150 km. Na zdjęciach powierzchni Amaltei, pokrytej prawdopodobnie siarką, dostrzeżono wiele kraterów uderzeniowych, z których największy ma średnicę około 90 km i głębokość 8 km.

>>>
Pierścienie Jowisza sfotografowane przez sondę Galileo. Fot. JPL/NASA.

Jednym z najciekawszych odkryć, jakiego dokonała sonda Voyager 1 podczas przelotu koło Jowisza w marcu 1979 r., było zidentyfikowanie w płaszczyźnie równikowej tej planety pierścienia, przypominającego znane od dawna pierścienie Saturna, ale znacznie od nich słabszego i mniej okazałego, a przez to trudnego do zaobserwowania. Jego wyraźnie zarysowana krawędź zewnętrzna znajduje się w odległości około 58 tys. km od powierzchni planety, czyli zaledwie 1,8 promienia Jowisza od jego centrum. Główna część pierścienia ma szerokość mniej więcej 6 tys. km i grubość nie przekraczającą prawdopodobnie 30 km. Przechodzi ona płynnie w rozrzedzony dysk materii, rozciągający się w kierunku planety niemal do górnych warstw jej atmosfery. Pierścień składa się prawdopodobnie z cząstek pyłu o rozmiarach rzędu kilku mikrometrów. Sonda Voyager 2 odkryła dwa małe księżyce Jowisza (Metis i Adrasteję), poruszające się w odległości od środka planety równej, odpowiednio, 1,792 i 1,806 jej promienia, czyli właściwie po krawędziach głównej części pierścienia. Sugeruje to związek między tymi satelitami i pierścieniem.