Айзек Азимов - Вид с высоты
Но взгляните еще раз на числа, выражающие массы планет. Сравните их с числами, выражающими объемы, и вы увидите, что масса этих планет довольно мала. Другими словами, Юпитер занимает в 1300 раз больше места, чем Земля, но вещества в нем больше всего в 318 раз. Следовательно, вещество Юпитера должно располагаться более свободно, а это значит (переходя на научный язык), что плотность Юпитера гораздо меньше плотности Земли.
Если принять плотность Земли за 1, то плотность гигантов можно получить, просто разделив число, которым выражена масса, на число, которым выражен объем. Плотности гигантов таковы:
Юпитер … 0,280
Сатурн … 0,125
Уран … 0,250
Нептун … 0,425
В такой шкале плотность воды будет равна 0,182. Как видите, Нептун, самый плотный из гигантов, примерно только в 21/4 раза плотнее воды, Юпитер и Уран — в 1,5 раза, а Сатурн даже менее плотен, чем вода.
Помнится, я читал книгу по астрономии, в которой автор наглядно обыграл это обстоятельство: если бы нашелся достаточно большой океан, то Сатурн плавал бы в нем, погрузившись менее чем на 3/4. В этой же книге была дана впечатляющая иллюстрация, на которой Сатурн вместе со всеми своими кольцами плыл по бурному морю[19].
* * *
Но пусть проблема плотности не вводит вас в заблуждение. Сразу возникает мысль, будто Сатурн, в общем менее плотный, чем вода, состоит из какого-то пористого материала, вроде пробки. Однако это не так, и мне нетрудно разубедить вас.
На поверхности Юпитера видны темные полосы, или ленты, и все приметные детали их движутся по диску планеты с постоянной скоростью. Проследив за этим движением, можно очень точно определить период вращения планеты; оказывается, что он равен 9 часам 50 минутам 30 секундам. Примерно так же, хотя и с большими трудностями, можно определить периоды вращения более далеких гигантов.
И вот тут отмечается удивительное явление. Период вращения, который я назвал, относится только к экваториальной части Юпитера. Другие части планеты вращаются немного медленнее: период вращения Юпитера постепенно увеличивается по мере приближения к полюсам. Уже одно это показывает, что мы смотрим не на твердую поверхность, которая вращается как целое.
Вывод совершенно ясен. Мы видим не поверхность Юпитера (и других гигантов), а облака в их атмосферах. Под облаками простирается громадная толща атмосферы, гораздо более плотной, чем наша, но все же не такой плотной, как камень или металл. Определяя объем гигантских планет, мы берем их вместе с атмосферой, и поэтому средняя плотность получается столь малой. Если бы мы учитывали только ядро планеты, находящееся под атмосферой, то плотность была бы такая же, как у Земли, и, весьма возможно, даже выше.
Но какова толщина этой атмосферы?
* * *
Будучи дальше от Солнца, чем Земля, а следовательно, и холоднее ее, гигантские планеты отличаются от Земли главным образом тем, что сохраняют гораздо большее количество легких элементов — водорода, гелия, углерода, азота и кислорода. Гелий не образует соединений, но остается газом. Водород имеется в избытке; он не только остается в газообразном состоянии, но и вступает в соединения с углеродом, азотом и кислородом и образует аммиак, метан и воду. Метан — это газ. При земной температуре аммиак тоже находится в газообразном состоянии, а вода — в жидком. Если бы температура на Земле упала до –100 градусов или ниже, как на планетах-гигантах, то и вода (гидросфера), и аммиак затвердели бы, а метан остался бы газообразным. Данные спектроскопического анализа показывают, что атмосфера Юпитера состоит на 3/4 из водорода, на 1/4 из гелия и, кроме того, в ней имеются обильные примеси аммиака и метана. (Вода не обнаружена, но можно предположить, что она вымерзла.)
Структура нашей планеты примерно такова: твердое каменное или металлическое центральное тело (литосфера), окруженное слоем воды (гидросфера), и все это в свою очередь окружено слоем газа (атмосфера).
Легкие элементы, которыми особенно богаты гигантские планеты, скорее способствовали бы увеличению их атмосферы и гидросферы, чем литосферы. Следовательно, центральная литосфера у них была бы больше литосферы Земли (но не обязательно чрезвычайно большой) и окружала бы ее гигантская гидросфера и не менее гигантская атмосфера.
Но что значит гигантская?
Здесь мы можем принять во внимание сжатие гигантов у полюсов. Хотя диаметр Юпитера у экватора равен 142 000 километров, диаметр его от полюса до полюса составит всего 132 000 километров. Сплюснутость составляет 7 %, в то время как у Земли она равна примерно 0,33 %. У Юпитера явно эллиптическая форма. У Сатурна она выражена еще отчетливее, так как его экваториальный диаметр равен 120 000 километров, полярный диаметр — 106 000 километров, сплюснутость — примерно 12 % (Уран и Нептун сплюснуты меньше, чем Юпитер и Сатурн).
Степень сплюснутости планеты частично зависит от скорости вращения и возникающей центробежной силы. Хотя Юпитер и Сатурн гораздо больше Земли, их периоды вращения равны примерно 10 часам в отличие от нашего двадцатичетырехчасового. Поэтому поверхность Юпитера на экваторе движется со скоростью 40 000 километров в час, а Земли — со скоростью 1600 километров в час. Естественно, поверхность Юпитера растягивается сильнее, чем земная (даже несмотря на большее тяготение Юпитера), и поэтому гигантская планета больше вспучивается на экваторе и больше сплющивается у полюсов.
Сатурн значительно меньше Юпитера, и его период вращения приблизительно на 20 минут больше. Центробежная сила на экваторе у него меньше; несмотря на меньшее тяготение, он должен быть сплюснут слабее, чем Юпитер, — на самом деле он сплюснут сильнее. Причина в том, что степень сплюснутости зависит еще и от распределения плотности, и если атмосфера Сатурна намного толще атмосферы Юпитера, то и сплюснутость у него будет больше.
Астроном Руперт Вильдт оценил толщину литосферы, гидросферы и атмосферы каждой планеты, для того чтобы получить наблюдаемую среднюю плотность и полярную сплюснутость. (С его соображениями согласны далеко не все астрономы, но мы все-таки примем их за основу.) Ниже (в таблице) приводятся полученные Вильдтом числа, к которым для сравнения я добавил данные, относящиеся к Земле.
1 Разумеется, наша атмосфера толще 13 километров и, в сущности, не имеет постоянной толщины. Однако я беру земную атмосферу (и позже подсчитаю ее объем) только до верхних слоев ее облаков, так же как в случае с гигантскими планетами.
Как видите, у Сатурна, который меньше Юпитера, гораздо более толстая атмосфера, что и объясняет его низкую плотность и необыкновенно высокую степень сплюснутости. У Нептуна самая тонкая атмосфера, и поэтому это самая плотная планета-гигант.
Кроме того, оказывается, Земля не такой уж пигмей по сравнению с гигантами, если говорить только о литосфере. Но, приняв, что все литосферы имеют одинаковую плотность, и взяв массу земной литосферы за 1, мы получим такие массы литосфер у других планет:
Юпитер … 100
Сатурн … 45
Уран … 5,5
Нептун … 3,5
Именно необычайная величина гидросферы и атмосферы обусловливает огромные размеры планет-гигантов.
* * *
Последнее утверждение лучше всего можно проиллюстрировать, рассмотрев не толщину различных составляющих планет, а их объем. Ниже (в таблице) названы объемы в триллионах кубических километров. И снова для сравнения приводятся данные, относящиеся к Земле.
Из таблицы видно, что литосфера гигантских планет составляет лишь небольшую часть общего объема, тогда как объем литосферы Земли почти равен общему объему планеты. Для большей наглядности выразим объем каждой составляющей в процентах к общему объему планеты.
В то время как на литосферу Земли приходится 99,5 % общего объема планеты, литосфера гигантских планет в лучшем случае составляет всего 8 %. Примерно 1/3 объема Нептуна — это газ. У Юпитера и Урана газ занимает 1/2 общего объема, у Сатурна, наименее плотного из четырех планет, объем газа составляет 4/5 общего объема. Гигантские планеты иногда называют «газовыми гигантами», и, как видите, свое название они оправдывают, особенно Сатурн.
* * *
На гигантских планетах все выглядит совершенно не так, как на Земле. Атмосферы их очень ядовиты, чрезвычайно протяженны и пропускают так мало света, что на поверхности планет даже на стороне, освещенной Солнцем, постоянно царит полный мрак. Атмосферное давление на этих планетах огромно, и, судя по тому, что мы видим в телескоп, там постоянно бушуют неистовые ураганы.
