1) Сравнение атмосфер
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°
Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников; у Юпитера к середине 2001 года их обнаружено уже 28, Сатурна - 30, Урана - 21 и только у Нептуна - 8. Замечательная особенность планет-гигантов - кольца, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Нептуна.
Важнейшая особенность строения планет-гигантов заключается в том, что эти планеты не имеют твердых поверхностей. Такое представление хорошо согласуется с малыми средними плотностями планет-гигантов, их химическим составом (они состоят в основном из легких элементов - водорода и гелия), быстрым зональным вращением и некоторыми другими данными. Следовательно, все, что удается рассмотреть на Юпитере и Сатурне (на более далеких планетах детали вообще не видны), происходит в протяженных атмосферах этих планет. На Юпитере даже в небольшие телескопы заметны полосы, вытянутые вдоль экватора. В верхних слоях водородно-гелиевой атмосферы Юпитера в виде примесей встречаются химические соединения (например, метан и аммиак), углеводороды (этан, ацетилен), а также различные соединения (в том числе содержащие фосфор и серу), окрашивающие детали атмосферы в краснокоричневые и желтые цвета. Таким образом, по своему химическому составу планеты-гиганты резко отличаются от планет земной группы. Это отличие связано с процессом образования планетной системы.
На фотографиях, переданных с борта американских АМС "Пионер" и "Вояджер", отчетливо видно, что газ в атмосфере Юпитера участвует в сложном движении, которое сопровождается образованием и распадом вихрей.
Предполагается, что наблюдаемое на Юпитере около 300 лет Большое Красное Пятно (овал с полуосями 15 и 5 тыс. км) тоже представляет собой огромный и очень устойчивый вихрь. Потоки движущегося газа и устойчивые пятна видны и на снимках Сатурна>, переданных автоматическими межпланетными станциями.
"Вояджер -2" дал возможность рассмотреть и детали атмосферы Нептуна.
Вещество, находящееся под облачным слоем планет-гигантов, недоступно непосредственному наблюдению. О его свойствах можно судить по некоторым дополнительным данным. Например, предполагают, что в недрах планет-гигантов вещество должно иметь высокую температуру. Как же такой вывод был сделан?
Во-первых, зная расстояние Юпитера от Солнца, вычислили количество теплоты, которое Юпитер от него получает.
Во-вторых, определили отражательную способность атмосферы, что позволило узнать, сколько солнечной энергии планета отражает в космическое пространство. Наконец, вычислили температуру, которую должна иметь планета, находящаяся на известном расстоянии от Солнца. Она оказалась близкой к -160 С. Но температуру планеты можно определить и непосредственно, исследуя ее инфракрасное излучение с помощью наземной аппаратуры или приборов, установленных на борту АМС. Такие измерения показали, что температура Юпитера близка к -130 С, т. е. выше расчетной. Следовательно, Юпитер излучает энергии почти в 2 раза больше, чем получает от Солнца. Это и позволило сделать вывод о том, что планета обладает собственным источником энергии.
Совокупность всех имеющихся сведений о планетах-гигантах дает возможность построить модели внутреннего строения этих небесных тел, т. е. рассчитать, каковы плотность, давление и температура в их недрах. Например, температура вблизи центра Юпитера достигает нескольких десятков тысяч Кельвинов.
В отличие от планет земной группы, обладающих корой, мантией и ядром, на Юпитере газообразный водород, входящий в состав атмосферы, переходит в жидкую, а затем и в твердую (металлическую) фазу. Появление таких необычных агрегатных состояний водорода (в последнем случае он становится проводником электричества), связано с резким увеличением давления по мере погружения в глубину. Так, на глубине, несколько большей 0.9 радиуса планеты, давление достигает 40 млн. атмосфер.
Возможно, что с быстрым вращением проводящего ток вещества, находящегося в центральных областях планет-гигантов, связано существование значительных магнитных полей этих планет. Особенно велико магнитное поле Юпитера. Оно во много раз превосходит магнитное поле Земли, причем полярность его обратна земной (у Земли вблизи северного географического полюса расположен южный магнитный). Магнитное поле планеты улавливает летящие от Солнца заряженные частицы (ионы, протоны, электроны и др.), которые образуют вокруг планеты пояса частиц высоких энергий, называемые радиационными поясами. Такие пояса из всех планет земной группы есть только у нашей планеты. Радиационный пояс Юпитера простирается на расстояние до 2,5 млн. км. Он в десятки тысяч раз интенсивнее земного. Электрически заряженные частицы, движущиеся в радиационном поясе Юпитера, излучают радиоволны в диапазоне дециметровых и декаметровых волн. Как и на Земле, на Юпитере наблюдаются полярные сияния, связанные с прорывом заряженных частиц из радиационных поясов в атмосферу, а также мощные электрические разряды в атмосфере.
2) Сравнение климата
На плaнeтe Юпитep ecть пoгoдa зeмнoгo типa. Peчь идeт o мoлнияx, кoтopыe мoгут быть cвязaны c тoнким cлoeм вoдныx oблaкoв, pacпoлoжeнныx в ocнoвe aммиaчнoгo cлoя. Koмпoзитныe изoбpaжeния peнтгeнoвcкoй oбcepвaтopии Чaндpa и тeлecкoпa Xaббл, дeмoнcтpиpующиe гипepэнepгичныe cияния нa Юпитepe Пpиcутcтвиe вoднoгo cлoя пpивeлo к paздeлeнию зapядa, в кoтopoм нуждaeтcя мoлния. Пpичeм мoлнии нa Юпитepe в 1000 paз пo мoщнocти пpeвocxoдят зeмныe. Aнимaция движeния oблaкoв нa Юпитepe Taкжe нa ceвepныx и южныx пoлюcax oтмeчaют cияния, кoтopыe oтличaютcя интeнcивнocтью и пpaктичecки бecкoнeчнocтью. B oбщeм, мoжнo cкaзaть, чтo нa Юпитepe пpиcутcтвуeт тaкaя жe пoгoдa, нo oнa нaмнoгo мacштaбнee и экcцeнтpичнee.
Во время протекания штормов и бурь атмосфера Сатурна характеризуется мощными молниевыми разрядами. Они провоцируют возникновение электромагнитной активности, которая с годами колеблется. Самые сильные штормовые порывы были зафиксированы исследовательскими аппаратами в 2010 и 2011 годах. Погода на планете Сатурн стала известна благодаря беспилотному аппарату «Кассини». В течение 20 лет он наблюдал за сменой сезонов, передавая на Землю уникальные фотоснимки. Под объектив зонда попали облака, вихри и долгопериодические овалы, которые хаотично движутся по поверхности. Их природа объясняется законами гидродинамики. Во всем «виноваты» гелий (3,25%) и водород (96,3%) – основные химические элементы атмосферы.
Климат ледяного гиганта предположительно имеет сезонность. Но первые данные об изменениях атмосферы Урана были получены менее 84 лет назад, т.е. год на планете пока еще не закончился. Известно, что наибольшая освещенность объекта Солнцем приходится на период солнцестояния, а в период равноденствия до него доходит минимум солнечных лучей. При этом ярче освещаются полюса, а зона экватора достаточно темная зона. По сравнению с Юпитером и Сатурном урановые ветры дуют реже и слабее. Периодически в атмосфере планеты регистрируют темные пятна – вихри в тропосфере с высокой скоростью вращения. На экваторе они дуют в обратном осевому вращению направлении и их скорость не превышает 100 м/с. Следующий пояс ветров наблюдается в пределах 20°-60° широты, где вихри перемещаются со скоростью от 150 до 240 м/с.
На Нептуне преобладают штормы и ветра, достигающие скорости до 600 м/с. В процессе наблюдения за принципом движения облаков ученые вычислили еще одну закономерность: скорость ветров изменяется при движении от восточной области к западной. На верхних уровнях атмосферы преобладают ветра, средняя скорость движения которых равна 400 м/с. В зоне экватора и полюсов - 250 м/с.
Ветра Нептуна в основном дуют в направлении противоположном его вращению. Схема движения ветров, составленная учеными, указывает на то, что в более высоких широтах направление ветров все же совпадает с направлением вращения планеты вокруг своей оси.
3) Сравнение излучения
Юпитеру свойственен интересный феномен – «горячие тени». Обычно в тени температура ниже, чем на освещенных участках. На Юпитере – наоборот: там, где поверхность в тени, например, от спутников, температура выше, чем на открытых местах. На данный момент самым подходящим объяснением является то, что Юпитер выделяет тепла больше, чем получает от Солнца. Кстати, это свойственно не только ему, но и Сатурну, Урану, Нептуну и, как это ни покажется невероятным, даже крохотному, по сравнению с перечисленными гигантами, Плутону.
Одним из аргументов в пользу гипотезы о наличии внутренних источников энергии Юпитера служит тот факт, что он излучает энергии больше, чем получает от Солнца, тогда как планеты земной группы отражают в космическое пространство только часть падающего на них солнечного излучения. Избыток излучения (светимости) Юпитера был обнаружен Ф. Лоу (США) в 1965 г. по наблюдениям в инфракрасной области (в интервале длин волн от 10 до 25 мкм). Вопрос о природе этого явления до сих пор остается открытым - его можно объяснить перераспределением энергии в спектре падающего излучения. Измерение энергии, излучаемой Юпитером в основном виде инфракрасной радиации, свидетельствует о том, что она превышает в 1,5 раза тепловую энергию, которую планета получает от Солнца. Это означает, что Юпитер имеет собственный источник тепла.
С 2005 по 2009 г. Сатурн испускает все меньше и меньше тепла – такие выводы были сделаны учеными на основе наблюдений космического аппарата Cassini.
При этом южное полушарие Сатурна испускает заметно больше энергии, нежели северное. По крайней мере, к таким выводам можно прийти, анализируя данные, собранные зондом Voyager и продолжающей работу в системе Сатурна миссии Cassini. А если добавить сюда данные о солнечной активности за тот же период, возможно, ученым удастся, наконец, раскрыть внутренний источник тепла, подогревающий планету. Одна из загадок Сатурна – количество тепла, которое он выделяет, примерно вдвое превышающее поглощенную от Солнца энергию.
Планеты Солнечной системы теряют энергию, испуская излучение, в основном, в невидимых глазу областях спектра. В одной из них – инфракрасной – и работает бортовой спектрограф Cassini CIRS, позволяющий оценивать «тепловое» излучение. «Данные от спектрометра CIRS очень ценны, потому что они дают нам почти полное представление о Сатурне. Эта часть данных, которая дала так много информации об этой планете, и это первый случай, когда кто-нибудь смог изучить излучение, испускаемое одной из планет-гигантов в таких деталях». «Вообще в планетологии принято считать, что планеты выделяют тепло более-менее равномерно и постоянно во всех направлениях. Нам удалось показать, что к Сатурну это не относится».
В действительности тепловой поток от Сатурна как бы "однобокий", южное полушарие планеты испускает примерно на 1/6 больше энергии, чем северное, хотя разница эта может определяться местным сезоном.
Внутреннее тепло Урана значительно меньше, чем у других планет гигантов Солнечной системы. Тепловой поток планеты очень низкий, и причина этого сейчас неизвестна. Нептун, схожий с Ураном размерами и составом, излучает в космос в 2,61 раза больше тепловой энергии, чем получает от Солнца. У Урана же избыток теплового излучения очень мал, если вообще есть. Тепловой поток от Урана равен 0,042 - 0,047 Вт/м2, и эта величина меньше, чем у Земли (примерно 0,075 Вт/м2). Измерения в дальней инфракрасной части спектра показали, что Уран излучает лишь 1,06 ± 0,08% энергии от той, что получает от Солнца. Самая низкая температура, зарегистрированная в тропопаузе Урана, составляет 49 К, что делает планету самой холодной из всех планет Солнечной системы - даже более холодной, чем Нептун.
Более детальные исследования показали, что планета излучает около 1% тепла, которое получает от Солнца. Самые низкие температуры на Уране были зафиксированы в тропопаузе и равны 49 К, данный показатель делает планету самой холодной во всей Солнечной системе.
Даже Нептун внутри горячее: он излучает в космос в 2,5 раза больше тепла, чем получает от Солнца. Откуда берётся излишек? Может, от распада радиоактивных элементов, а может, от просачивания более тяжёлых атомов гелия в водородной атмосфере вниз, поближе к ядру.
Температура теплового излучения Нептуна составляет 59,3 К, т. е. выше, чем у Урана (56 К).