Prindi

Planeet Jupiter

Põhiandmed
            Orbiit
                        Suur pooltelg 778,6 mln km (5,20 aü)
                        Ekstsentrilisus 0,0488
                        Nurk ekliptikaga 1,30
                        Tiirlemisperiood 11,86 aastat
            Füüsilised parameetrid
                        Keskmine raadius 69 900 km (11,0 Maa raadiust)
                        Lapikus 6,5 %
                        Mass 1,9•1027 kg (318 Maa massist)
                        Keskmine tihedus 1330 kg/m3
                        Normaalkiirendus 24,8 m/s2 (2,5 Maa väärtusest)
                        Telje kalle ~3,10
                        Pöörlemisperiood 9h55m
                        Temperatuur atmosfääris 0,1 bar tasemel -160 0C
            Atmosfäär
                        Keemiline koostis (ruumala järgi)

                                    89,8 % H2
                                    10,2 % He
                                    CH4, NH3 jms

 

Jupiter on Päikeselt viies ja gaasihiidudest esimene planeet. Sama planeetide klassi kuulub ka Saturn. Enne 1990-ndaid peeti Uraani ja Neptuuni samuti sellesse klassi kuuluvaks, kuid viimasel ajal selgus, et Uraan ja Neptuun erinevad oma struktuuri poolest tunduvalt gaashiidudest. Sel põhjusel nimetatakse neid praegu jäähiidudeks.

 

Jupiter on suurim planeet Päikese süsteemis: tema mass on 2,5 korda suurem võrreldes teiste planeetide kogumassiga, kuid ca 1000 korda väiksem Päikese omast. Jupiteri raadius ületab Maa oma 11 korda, mass on 318 korda suurem. Nagu teisedki gaasihiiud, koosneb Jupiter enamasti vesinikust ja heeliumist. Jupiteril on tugev magnetväli, üle 60 kaaslase ja ringide süsteem.


2015-2-jupiter-709568main jupiter-800x755
Jupiter. Pilt: NASA, 2004, http://www.nasa.gov kaudu.


Koos teiste heledate planeetidega avastati  Jupiter muinasajal. Oma heleduse poolest on ta planeetidest teine (esimesel kohal on Veenus) näiva minimaalse tähesuurusega -2,94m. Maksimaalne tähesuurus on -1,6m. Kuna Jupiter on väline planeet (Päikesest kaugem kui Maa), võib teda vaadelda taevas terve öö jooksul ja kogenud vaatlejad võivad teda näha ka päeval.

Jupiteri orbiidi ekstsentrilisus on väike. Tema orbitaalperiood on ca 12 aastat ja ta on resonantsis 5:2 Saturniga: kui Jupiter teeb 5 tiiru ümber Päikese, teeb Saturn kaks. Pöörlemistelje nurk on orbitaaltasandiga vaid 3,10 kraadi, seega Jupiteril ei toimu aastaaegade vahetust. Planeedi pöörlemisperiood on kõikidest planeetidest väiksem, olles 9h 55m. Kiire pöörlemine teeb planeedi kuju nähtavalt lapikuks: ekvatoriaalne raadius ületab polaarset raadius üle 6 % võrra.

 

2015-2-jupiter-15160051414 8b16372166 b
Jupiteri sisemine struktuur. Illustratsioon http://www.cosmosup.com kaudu.

Jupiteri sisemist struktuuri ei ole detailselt teada. Selge on aga see, et planeet koosneb enamasti vesinikust ja heeliumist vedel- ja gaasifaasis. Eelduste järgi on planeedi keskel kivimitest tuum, mille mass on 10 – 50 Maa massi (ca 5 – 15 % planeedi massist). Temperatuur tuuma ülemisel piiril on ca 36 000 K ja rõhk ca 3000 – 4000 GPa. Tuum on ümbrisetud metallilisest vesinikust koosneva vahevööga. Suure rõhu all läheb vesinik üle seisundisse, milles ta käitub nagu vedel metall. Peale vesiniku leidub selles kihis ka heeliumi lisand. Metallvesiniku kiht ulatub ca 80 % planeedi raadiusest. Selle kihi peal paikneb gaasikiht, mis ulatub väljapoole kuni atmosfäärini. Need kaks kihti ei ole eraldatud üksteisest järsu piiriga: väiksemal rõhul vesinik on gaasolekus, rõhu suurendamisel planeedi keskpunkti suunas tema tihedus kasvab ja tema omadused lähenevad vedeliku omadustele. Ainet võib pidada täielikult gaasitaoliseks kuni sügavuseni 1000 km alates pilvede kihi nivoost. Regioonis, kus toimub vesiniku faasiüleminek metallolekusse on temperatuur ca 10 000 K ja rõhk ca 200 GPa.


2015-2-jupiter-AT 7e Figure 11 07
Jupiteri atmosfääri vertikaalne struktuur. Illustratsioon: Pearson Education, 2011, http://pages.uoregon.edu kaudu.

 

Võrreldes teste planeetidega on Jupiteri atmosfäär massiivsem ja ulatuslikum, selle kõrgus on mitu tuhat kilomeetrit. Tavaliselt loetakse atmosfääri alumiseks piiriks nivood, kus rõhk jõuab 1 MPa ehk 10 korda rohkem, kui Maa merepinnal. Atmosfäär koosneb järgmistest kihtidest (alt ülesse): troposfäär, stratosfäär, termosfäär ja eksosfäär. Troposfääris asuvad pilvede kihid. Pilvede süsteem on läbipaistmatu. Seega ei näe me atmosfääri nende all. Ülemised pilved on ammoniaagist ja need moodustavad ekvaatoriga paralleelseid erivärvides ribasid. Heledad ribad (tsoonid) on külmemad, nendes toimuvad ülesse suunatud konvektiivsed liikumised. Eeldatakse, et nende hele värvus on tingitud ammoniaagi jääst. Tumedad ribad (vööndid) on soojemad. Ei ole siiamaani selge, kas atmosfääri tsirkulatsioon on piiratud ülemiste kihtidega või ulatub see sügavamate vahevöö kihtideni. Troposfääri keskmises kihis koosnevad pilved ammooniumühenditest ja veest. Pilvede süsteemi peal on udud, mis koosnevad keerulistest süsinikühenditest.

Temperatuur troposfääris langeb kõrgusega. Troposfäär ulatub ca 170 km üle atmosfääri alumise piiri, kus rõhk on ca 0,1 bar ja temperatuur ca -160 0C. Stratosfäär on peaaegu konstantse temperatuuriga, veel kõrgemal on termosfäär ja eksosfäär, kus temperatuur kasvab.

 

2015-2-jupiter-414942main pia00065 540

Suure Punase Laigu ümbrus. Pilt: NASA, 1979, http://www.nasa.gov kaudu.

Jupiteri atmosfääris on tsükloneid, mis pöörlevad päripäeva ja antitsükloneid, mis pöörlevad vastu kella liikumise suunda, viimaseid on rohkem ja need on suuremad. Suurimad antitsüklonid on väga stabiilsed ja eksisteerivad pikaajaliselt. Suurim neist – nn Suur Punane Laik – asub põhjapoolkeral ja registreeriti esmakordselt üle 180 aasta tagasi. Oma läbimõõdu poolest on laik Maast 3 korda suurem. Tema pikk telg muutub vahemikus 24 – 40 000 km idast läände. Vviimastel aastakümnetel muutub see telg üha lühemaks. Lühike telg on ca 13 000 km põhjast lõunasse. Tuulte kiirus on sadu km/s, laik pöörleb perioodiga ca 14 Jupiteri päeva. Atmosfääris on registreeritud äikesed ja teised aktiivsuse ilmingud, mille energiaallikaks on planeedi sisemine soojus. Planeedi energeetiline bilanss on positiivne: planeet kiirgab rohkem energiat kui saab Päikeselt. Selle põhjuseks on gravitatsiooniline kokkutõmbumine, mis saab toimuda tänu kahele mehhanismile: planeedi raadius võib aeglaselt väheneda, ja raske heelium võib liikuda tuuma poole, suurendades tihedust tsentris.

Jupiteril on tugev magnetväli ja väga ulatuslik magnetosfäär. Magnetvälja tugevus ületab Maa oma 14 korda. Eeldatakse, et magnetväli genereeritakse tänu juhtivate voolude konvektiivsetele liikumistele metallvesinikust vahevöös. Jupiteri kaaslasel purskuvad vulkaanid viskavad kosmosesse gaasi, mis ioniseerub ja interageerub magnetosfääriga. Selle tulemusena moodustub Jupiteri ümber plasmaketas, mis on tugevaks raadiokiirguse allikaks. Oma struktuuri poolest sarnaneb Jupiteri magnetosfäär Maa omaga aga on sellest suurem. Ta ulatub kaugusele ca 75 planeedi raadiust päevasel poolkeral, öisel poolkeral ulatub magnetosfääri „saba“ Saturni orbiidist kaugemale. Analoogiliselt Maaga on Jupiteril ka kiirgusvööndid aga need on Maa vöönditest palju võimsamad.

2015-02-jupiter-PIA01627

Jupiteri ringide süsteem ja sellega vastasmõjus olevad väikesed kaaslased. Illustratsioon: NASA, 1998, http://photojournal.jpl.nasa.gov kaudu.

Nagu teistel hiidplaneetidelgi, on Jupiteril oma ringide süsteem. Võrreldes Saturni omadega on Jupiteri ringid palju peenemad ja hõredamad, neid avastati alles 1979. a. „Voyager 1“ kosmosesondi piltidel. Ringide süsteem koosneb neljast komponendist: sisemine nn haloring on välisraadiusega ca 122 000 km on kõige paksem (ca 12 500 km, laius ca 30 000 km ning see kujutab endast tolmutoori. Teine välisraadiusega ca 129 000 km, laiusega ca 7 000 km ja paksusega vaid ca 300 km koosneb enamasti suurematest osakestest. Kolmas ja neljas ring koosnevad ka tolmust, nende laiused on vastavalt ca 50 000 ja 100 000 km ja paksused 2 000 ja 8 000 km. Kolmas ulatub kauguseni ca 180 000 km, välisring aga kuni 226 000 km. Ringide kogumass ei ole täpselt teada, hinnanguliselt 109 – 1016. Suurim määramatus tekib teise ringi tõttu, kuna osakeste suurus ja kontsentratsioon selles pole määratud piisava täpsusega. Ringide ääred on kujundatud ringide süsteemi sees tiirlevate kaaslaste (Adrastea, Adrasthea, Metis ja Thebe) gravitatsiooniliste resonantsidega. Ringid koosnevad osakestest läbimõõduga mikromeetritest meetriteni. Osakeste kontsentratsioon on seda suurem, mida väiksemad nad on. Nende eluiga ringis ei ole suur, kuna need lahkuvad gravitatsiooniliste häirituste mõjul või aurustuvad. Seega nende populatsioon pidevalt uueneb. Uute osakeste allikaid on kaks: 1) suuremate kehade peenestus omavaheliste põrgete tõttu; 2) materjali väljalöömine kaaslaste pinnalt kukkuvate meteoriitidega.

2015-02-jupiter-PIA01299
Galilei kaaslased: Io, Europa, Ganymedes, Callisto. Illustratsioon: NASA, http://www.jpl.nasa.gov kaudu.


Jupiteril on ulatuslik kaaslaste süsteem: 2014. aastaks oli avastatud kaaslaste arv 67, s.o rohkem kui teistel planeetidel. Samas, planeedil võib olla veel palju avastamata kaaslasi. Sama kehtib ka teiste hiidplaneetide puhul. Neli suurimat kaaslast avastas juba Galilei 1610. a., need on kauguse järjekorras planeedist: Io, Europa, Ganymedes, Callisto. Nad on nähtavad ka binokliga. Teised kaaslased on nendest palju väiksemad. Io on Jupiterile lähim ja vaid veidi Kuust väiksem. Tema orbitaalraadius on väike - ca 420 000 km ja Jupiteri poolt tekitatavad gravitatsioonilised häirutused kuumendavad Io sisemust. Kaaslase sees genereeritav soojus põhjustab pidevat vulkaanilist aktiivsust selle pinnal, mis on Maa omast 100 korda intensiivsem. Io sai peale Maad esimeseks objektiks Päikesesüsteemis, kus avastati purskavaid vulkaane. Europa on Galilei kaaslastest väikseim. Tema pind on väga sile ja koosneb mitmekümnekilomeetrilise paksusega jääst. Kraatrite arv on väike, mis viitab pinna noorusele. Pind on kaetud mõradega, mis tekivad geoloogilise aktiivsuse tõttu, aktiivsuse energiaallikaks on Jupiteri poolt esile kutsutavad gravitatsioonilised häiritused. Jäästruktuurist selgub, et pinnapealne jääkiht ei ole stabiilne, tema osad liiguvad üksteise suhtes. See viitab vedela ookeani olemasolule jääkihi all. Ookeani eeldatav sügavus on kuni 100 km ja selle ruumala võib ületada Maa ookeani kaks korda. Mõnede hüpoteeside järgi võib selles ookeanis eksisteerida elu. Ganymedes on suurim kaaslane Päikese süsteemis. Tema raadius ületab Merkuuri raadiust, mass aga väiksema tiheduse tõttu mitte. Eeldatakse, et tema sisemine struktuur on sarnane Maa-tüüpi planeetide omaga, kuid väliskihid on suure veejää sisaldusega, jäämass moodustab ca pool kaaslase massist. Modelleerimine näitab, et koore all on samuti võimalik veeookeani olemasolu. Ganymedes on ainuke kaaslane, mis omab dipoolset magnetvälja, mis on kolm korda tugevam Merkuuri omast, ning samuti on tal magnetosfäär. Callisto on kaugeim Jupiteri kaaslane. Ta on peaaegu sama suur kui Merkuur, aga tema mass on 3 korda väiksem. Kaaslase pind on väga vana, tema sisemus on vaid osaliselt diferentseeritud - sel on olemas väike tuum, aga ülemised kihid koosnevad kergete ja raskete elementide segust.

Muud Jupiteri kaaslased on Galilei kaaslastest palju väiksemad. Neid saab jaotada mitmeks rühmaks. Sisemine rühm koosneb kaheksast objektist, mis liiguvad ringikujulistel orbiitidel Io orbiidi sees. Väliskaaslased on ebaregulaarsed: need jagunevad omaette  4 rühma, mis said oma nimed suurimate esindajate järgi (Himalia, Ananke, Carme, Pasiphae). Ühe rühma kaaslased on sarnaste orbitaalelementidega. On võimalik, et nad on pärit ühest fragmenteerunud objektist. Viimased kolm rühma on retrograadsed: objektid tiirlevad nendes ümber suunal, mis on vastupidine planeetide tiirlemissuunale ümber Päikese. Enamik nendest kaaslastest on väikesed asteroididega sarnased objektid. Eeldatakse, et erinevalt sisemistest kaaslastest, mis tekkisid koos Jupiteriga, võivad väliskaaslased kujutada endast kaasa haaratud asteroide.

2015-02-jupiter-janusastro
Jupiteri kaaslaste skemaatilised orbiidid. Illustratsioon: 2008, http://wanderingspace.net kaudu.

Jupiter kui Päikesesüsteemi suurim objekt häirib gravitatsiooniliselt lähedaste asteroidide ja komeetide orbiite. Eksisteerib hulk asteroide, mis tiirlevad ümber Päikese Jupiteriga samal orbiidil nurkkaugusel 600 selle ees ja taga (nn Trooja asteroidid). Nad asuvad nn Lagrange L3 ja L4 punktides, seega nende asukohad on stabiilsed. Mõned objektid, enamasti komeedid ka põrkuvad Jupiteriga. Selline kokkupõrge registreeriti esmalt 1994. a, kui Shoemaker-Levy 9 komeet purunes planeedi gravitatsiooniväljas. Seejärel kukkusid fragmendid Jupiteri atmosfääri, tekitades tulikerasid ja jättes pikaajalisi jälgi. Teised kokkupõrked olid registreeritud 2009 ja 2010 aastatel.

 

2015-02-jupiter-sl9gevol hst big
Komeedi tükkide kokkupõrgete jäljed Jupiteri atmosfääris. Illustratsioon: NASA, 1994, http://apod.nasa.gov kaudu.

Esimesteks kosmosesondideks, mis külastasid Jupiteri said NASA „Pioneer 10“ ja „Pioneer 11“. Need lendasid mööda planeeti vastavalt 1973. ja 1974. aastatel. Need avastasid ka magnetvälja, uurisid atmosfääri ja kaaslasi ning saatsid kõrgresolutsioonilisi pilte. Neile järgnesid „Voyager 1“ ja „Voyager 2“, mis teostasid möödalennu 1979. a., avastasid ringe, uusi kaaslasi ja täiendasid tunduvalt teadmisi planeedist. Suurimaks avastuseks oli Io vulkanism. Tähtsaimaks kosmoseaparaadiks sai „Galileo“, mis viibis planeedi orbiidil 1995 – 2003 a. Vaatamata sondi peaantenni rikkele, täitis sond väga edukalt oma missiooni. „Galileo“ töötas erinevatel orbiitidel, ligines Galilei kaaslastega,kasutades nende gravitatsioonivälja orbiidi muutmiseks. Avastuste hulgas olid ammooniumist pilved planeedi atmosfääris, Ganymedese magnetväli, ülipeen atmosfäär (eksosfäär) Galilei kaaslastel (peale Callistot). Sondi abil leiti tõendid Europa pinnaaluse ookeani teooriale ja uuriti Io vulkaanilist aktiivsus. Samuti uuriti Jupiteri magnetosfääri struktuuri ja selle interaktsiooni Galilei kaaslastega, jne. Aparaadi pardal oli sond Jupiteri atmosfääri uurimiseks. See eraldus põhiaparaadist ja laskus langevarju abil ca tunni jooksul planeedi atmosfääri, edastades andmeid selle koostisest ja parameetritest kuni rõhuni ca 23 bar ja temperatuurini ca +160 0C.

2015-02-jupiter-Galileo Io3

„Galileo“ orbitaalaparaat Io lahenemas. Kunstniku nägemus. Illustratsioon: NASA, http://solarsystem.nasa.gov kaudu.

Erinevad kosmoseaparaadid kasutasid Jupiteri gravitatsioonivälja oma orbiidi muutmiseks: „Pioneerid“, „Voyagerid“ ja „Cassini“ (2000 a.) kiirenesid edasi Saturni poole, Ulysses (1992. a.) sattus selle abil Päikese polaarorbiidile uurimaks Päikese pooluseid, „New Horizons“ (2007 a.) kiirenes Pluto poole. „Cassini“ ja „New Horizons“ kasutasid Jupiteri oma aparatuuri testimiseks ja edastasid väärtusliku informatsiooni planeedist.

2011. a. saadeti NASA kosmosesond „Juno“ Jupiteri orbiidile ja peab saabuma 2016. a. Aparaat hakkab uurima planeedi struktuuri, gravitatsiooni- ja magnetvälja ning magnetosfääri. Planeeritavate Jupiteri sondide nimekirjas on Euroopa aparaat Galilei kaaslaste uurimiseks,mille eeldatav stardi aeg on 2022. a. ning saabumine Jupiterile 2030. a. NASA sond Europa kaaslase uurimiseks on planeeritud välja saata 2025 ja selle eeldatav saabumine on 2031 a.

Autor: Vladislav-Veniamin Pustõnski / Green Vironia OÜ

Allikad:

http://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr121/Notes/Chapter11.html
http://www.nasa.gov/centers/langley/science/jupiter-opposition.html
http://www.cosmosup.com/the-cause-behind-jupiters-red-spot-mistery-solved
http://apod.nasa.gov/apod/ap001105.html
http://solarsystem.nasa.gov/multimedia/gallery.cfm?Category=Spacecraft&Mission=Galileo
http://wanderingspace.net/2008/11
http://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA01299
http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA01627
http://en.wikipedia.org/wiki/Jupiter