Газовые гиганты Нептун и Уран

1.



   Это две планеты почти одинакового размера с похожим химическим составом; они меньше и плотнее Юпитера и Сатурна.
   Каждая из этих планет находится в центре миниатюрной системы спутников и колец.
   Каждая из этих планет явно пострадала от сильного столкновения с другим космическим телом в очень давние времена.

   Атмосферы Урана и Нептуна, как и Юпитера и Сатурна, в основном состоят из водорода и гелия. Но Уран и Нептун астрономы называют ледяными планетами, потому что под их атмосферами находятся массивные тела из каменистых пород и различных льдов. На самом деле вода находится настолько глубоко внутри этих планет и под таким высоким давлением, что вся представляет собой горячую жидкость. Но когда миллиарды лет назад эти планеты образовались в результате слияния мелких тел, попавшая в них вода была полностью замерзшей.

   На сегодняшний момент, планеты солнечной системы для исследователей и ученых представляют лишь научный интерес. Но возможно в будущем и экономическая выгода скажет свое слово. Космические объекты, удаленные на тысячи километров, могут стать плацдармами по добыче ценных пород минералов.
    Учеными проводились эксперименты над алмазами, а в частности над их поведением в экстремальной среде. В результате эксперимента стало известно о возможности существования, на удаленных планетах Уран и Нептун огромных "алмазных айсбергов" бороздящих алмазные моря.В ходе экспериментов алмазы подвергали воздействию огромных температур, давлению многократно превышающему земное. И главной неожиданностью стало то, что при плавлении алмаз по свойствам схож с обычной водой.Наличие алмазных морей, по мнению ученых, выдают необычные магнитные поля этих планет, имеющие характерный наклон относительно своей оси вращения. А так же то, что на этих планетах находится в огромных количествах углерод, являющийся основным компонентом структуры алмаза.Но утверждать это со стопроцентной уверенностью не стоит, а доказать это возможно лишь отправив к этим планетам научные зонды или симулировав природные условия этих планет в лабораториях.
 
Уран

2.



    Уран — третья по размеру планета Солнечной системы после Юпитера и Сатурна. Уран состоит главным образом из горных пород и льда, но обладает мощной водородной и гелиевой атмосферой. Голубой оттенок придает атмосфере Урана небольшое количество метана, который поглощает в основном красный свет. Это изображение было получено в 1986 году станцией "Вояджер-2" — единственным космическим кораблем когда-либо сближавшимся с Ураном. Уран имеет множество спутников и систему колец.  Уран и Нептун очень похожи между собой. Уран немного крупнее, но имеет меньшую массу.
    Пожалуй, самая большая загадка Урана - это крайне необычное направление оси его вращения, которая наклонена на 98 градусов, то есть ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты. Поэтому движение Урана вокруг Солнца совершенно особенное - он катится вдоль своей орбиты, переворачиваясь с боку на бок, подобно колобку. Такие особенности движения и вращения Урана не согласуются с общей картиной возникновения планет из допланетного облака, все части которого вращались в одном итом же направлении вокруг Солнца. Остается предполагать, что уже сформировавшаяся планета Уран столкнулась с каким-то другим довольно крупным небесным телом, в результате чего ее ось вращения сильно отклонилась от первоначального направления, да так и осталась в этом аномальном положении.

3.



    Этот пристальный взгляд, брошенный на наклонный газовый гигант Уран, показал драматические детали атмосферы планеты и системы ее колец. Это замечательное наземное изображение было сделано с использованием камеры близкого инфракрасного диапазона и системы адаптивной оптики телескопа Кек для уменьшения размытия, вызываемого земной атмосферой. Съемка, сделанная в июле 2004 года , показывает нам обе стороны Урана . На обоих снимках высокие (белые) облачные структуры в основном сосредоточены в северном (правом от нас) полушарии. Облака промежуточной высоты показаны зеленым цветом, а низкие - синим. На фоне этой сине-голубой искусственной раскраски красные оттенки четко выделяют слабые кольца. Из-за очень большого наклона оси вращения сезонные изменения на Уране очень сильные.  Осень в южном полушарии Урана наступила в 2007 году.

4.



   Как и на других планетах-гигантах, в атмосфере Урана наблюдаются признаки сильных ветров, дующих параллельно экватору планеты. В основном это ветры, несущиеся с запада на восток с ураганными скоростями от 140 до 580 км/ч. А вот вдоль экватора ветры дуют в обратном направлении, но тоже очень сильные - 350 км/ч.
    Под газовой оболочкой должен располагаться океан из воды, аммиака и метана с температурой поверхности 2200 градусов С. Атмосферное давление на уровне океана - 200 тыс. земных атмосфер. В отличие от Сатурна и Юпитера на Уране нет металлического водорода, и аммиачно-метаново-водная оболочка толщиной 10 тыс. километров переходит в центральное каменно-железное ядро из твердых пород. Температура там достигает 7000 С, а давление - 6 млн атмосфер.
    Судить о внутреннем строении Урана возможно лишь по косвенным признакам. Масса планеты была определена с помощью расчетов, основанных на астрономических наблюдениях за гравитационным воздействием, которое оказывает Уран на свои спутники. Хотя по объему Уран в 60 раз больше нашей Земли, масса его лишь в 14,5 раз превышает земную. Это из-за того, что средняя плотность Урана 1,27 г/см³, то есть чуть больше чем у воды. Такие низкие плотности типичны для всех четырех планет - гигантов, состоящих преимущественно из легких химических элементов. Считается, что в самом центре Урана расположено каменное ядро, сложенное главным образом из окислов кремния. Диаметр ядра в 1,5 раза больше всей нашей Земли. Вокруг него - оболочка из смеси водного льда и каменных пород. Еще выше следует глобальный океан жидкого водорода, а затем - очень мощная атмосфера. По другой модели предполагается, что у Урана и вовсе нет каменного ядра. В таком случае Уран должен выглядеть как огромный шар из снеговой "каши", состоящий из смеси жидкости и льда, окутанный газовой оболочкой.

5.



6.



    Несмотря на сложность наземных наблюдений таких слабых далеких объектов, как спутники Урана, астрономы прошлого открыли практически все крупные спутники этой гигантской планеты. Главные спутники Урана расположены в следующем порядке (считая от планеты): Миранда (Дж. Койпер - 1948), Ариэль (У. Ласселл - 1851), Умбриэль (У. Ласселл - 1851), Титания (У. Гершель - 1787), Оберон (У. Гершель - 1787).
     Титания самый большой спутник в системе Урана. Снимки Титании, сделанные с высоким разрешением, показали, что древних ударных кратеров здесь значительно меньше, чем на Обероне, причем особенно мало крупных кратеров. Так как они, несомненно, когда-то существовали, действовал какой-то процесс, который привел к их разрушению. Вся поверхность спутника изрезана системой рифтов и пересекающихся извилистых долин, очень похожих на русла рек. Наиболее длинные достигают почти 1000 км в длину. Некоторые из них окружены системами светлых отложений на поверхности. Интересные сведения были получены в поляриметрическом эксперименте: поверхность покрыта слоем пористого материала. Скорее всего, это водяной иней, конденсировавшийся на поверхности после излияний воды в трещинах (вспомним спутник Юпитера Европу).

7.



    Миранда - это странный мир, у которого наверняка было бурное прошлое. Самый близкий к Урану из его больших спутников, Миранда имеет диаметр около 300 миль и была открыта  в 1948 году американским исследователем планет Жераром Койпером. Весьма подробно исследованный космическим аппаратом Вояджер 2 в 1986 г., этот далекий темный мир оказался достаточно необычным. На Миранде были обнаружены уникальные, непонятные особенности рельефа, позволяющие предположить, что она подвергалась разломам по крайней мере 5 раз за время эволюции. Наряду со знаменитым "шевроном" - яркой областью, имеющей форму буквы V прямо под центром этого монтажа из изображений Миранды с наивысшим разрешением, на нем можно увидеть беспорядочное наложение хребтов и долин, старые, покрытые кратерами, и гладкие молодые поверхности, темные каньоны глубиной до 12 миль. Большой кратер (ниже центра) - Алонсо, имеющий диаметр 15 миль.

8.



    С 1919 года Международный астрономический союз решил установить общепринятую номенклатуру обозначений планет, спутников и особенных структур на их поверхности. Для далекой системы спутников Урана были выбраны имена героев шекспировских пьес. Так, один из далеких и второй по величине спутник Урана был назван в честь Оберона, царя из комедии "Сон в летнюю ночь". А впечатляющий и воистину королевских размеров кратер на его поверхности был назван в честь Гамлета (справа от центра картинки). На сегодняшней картинке Вы видите поверхность Оберона,как его увидел  космический  аппарат Вояджер-2 .

9.



    Как на поверхности Ариэля образовались ущелья?Была развита теория, в которой из-за нагрева, вызванного приливным влиянием Урана, происходили "землетрясения" и значительные смещения частей поверхности спутника. Теперь на замерзшем Ариэле видна густая сеть желобов, многие из которых внутри покрыты неизвестным веществом. Ариэль - второй по расстоянию от Урана спутник после Миранды. Он состоит наполовину из водяного льда и наполовину из камня. Ариэль был открыт Вилльямом Ласселом в 1851 году.

10.



    В конце сентября 2010 года две планеты Солнечной системы находились на земном небе ровно напротив Солнца — Юпитер и Уран. Следовательно, обе планеты были в самых близких к Земле точках своих орбит. Юпитер находился всего в 33 световых минутах от нас, а свет от Урана летел к нам 2.65 часа. Обе планеты были отлично видны в небольшие телескопы. Сегодняшняя тщательно спланированная композиция — результат сложения нескольких фотографий с различной выдержкой, полученных 27 сентября. На картинке отлично видны оба газовых гиганта, замеченные в таком особенном пространственном расположении, а также можно найти и самые яркие спутники. Слабый зелёный диск далёкого Урана находится в левом верхнем углу фотографии. Слева от диска можно заметить два из пяти имеющих названия самых больших спутников планеты.  В правой части изображения царит величественный газовый гигант Юпитер. Четыре его галилеевых спутника выстроились в ряд. Самый далёкий — это Каллисто. Он находится слева. Там же, у самого диска планеты расположились Европа и Ио. А Ганимед в одиночестве занял место справа от Юпитера.
   Как ни печально, но, по всей видимости, в обозримом будущем об Уране и его спутниках вряд ли станет известно что-либо новое. Скарее всего, обнаружится еще несколько спутников - маленьких и сильно удаленных от планеты. А вот на новый полет к Урану в ближайшую пару столетий надеяться вряд ли приходится - разве что произойдет какое-то чудо в технике космических полетов, которое позволит летательным аппаратам перемещаться гораздо быстрее, чем сейчас. Дело в том, что лишь в середине ХХII века вновь сложится то благоприятное расположение планет, при котором станция, запущенная с Земли к Урану, сможет получить по пути «гравитационную поддержку» от Юпитера и Сатурна. Только тогда, наверное, и состоится третье - после тех, что были сделаны в XVIII и ХХ веках астрономом Гершелем и космическим роботом «Вояджером» - открытие самой таинственной из планет Солнечной системы.

Нептун

11.



    Обнаруженный 23 сентября 1846 года, Нептун стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам, а не путём регулярных наблюдений. Обнаружение непредвиденных изменений в орбите Урана породило гипотезу о неизвестной планете, гравитационным возмущающим влиянием которой они и обусловлены. Нептун был найден в пределах предсказанного положения. Вскоре был открыт и его спутник Тритон, однако остальные 12 спутников, известные ныне, были неизвестны до XX века.Эта картинка была получена космическим аппаратом Вояджер 2 в 1989 году.  Нептун был самой удаленной от Солнца планетой до 1999 года, когда движущийся по эллипсу Плутон получил обратно этот статус. Нептун , подобно Урану , состоит преимущественно из воды, метана и аммиака, окружен толстой газовой атмосферой, состоящей в основном из водорода и гелия, и имеет множество спутников и колец. Спутник Нептуна Тритон не похож на другие и имеет на своей поверхности активные вулканы. Загадка необычной орбиты Тритона вокруг Нептуна остается предметом дискуссий и догадок.
     О внутренней структуре Нептуна известно не так уж много, ведь судить о ней можно только на основе косвенных данных, поскольку сейсмического зондирования этой планеты не проводилось. Диаметр Нептуна - 49 600 км - почти в 4 раза больше, чем у 3емли, а его объем превышает земной в 58 раз. Но вот по массе Нептун лишь в 17 раз больше земмли. Из этих данных определено, что средняя плотность Нептyна составляет около трети земной, то есть примерно в полтора раза больше, чем у воды. Низкие плотности характерны для всех четырех планет-гигантов - Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Причем первые два - наименее плотные, они состоят преимущественно из газов, а более плотные «близнецы» Уран и Нептун - в основном изо льдов. По расчетам, в центре Нептуна должно находиться каменное или железокаменное ядро диаметром в 1,5-2 раза больше нашей 3емли. Основную часть Нептуна составляет расположенный вокруг этого плотного ядра слой толщиной около 8 000 км, состоящий главным образом из водных, аммиачных и метановых льдов, к которым, возможно, примешан и каменный материал. По расчетам, температура в этом слое должна с глубиной увеличиваться от +2 500 до +5 500°С. Однако лед при этом не испаряется, поскольку он находится в недрах Нептуна, где давление в несколько миллионов раз выше, чем атмосферное давление на Земле. Такие чудовищные «объятия» прижимают молекулы друг к другy, удерживая их от разлетания в стороны и испарения. Вероятно, вещество там находится в ионном состоянии, когда атомы и молекулы «раздавлены» на отдельные заряженные частицы - ионы и электроны. Конечно, трудно вообразить себе подобный «лед», поэтому иногда этот слой Нептуна называют «ионным океаном», хотя представить его в виде обычной жидкости также весьма затруднительно. Затем следует третий слой - внешняя газовая оболочка толщиной около 5 000 км. Эта атмосфера, состоящая из водорода и гелия, переходит в ледяной слой постепенно, без резко выраженной границы, по мере того, как плотность вещества увеличивается под давлением вышележащих слоев. В глубоких частях атмосферы газы преобразуются в кристаллы, своего рода иней. Этих кристаллов в более глубоких слоях становится все больше, и они начинают напоминать пропитанную водой снеговую кашу, а еще глубже - полностью преобразуются в лед, находящийся под действием огромного давления. Переходный слой от газовой до ледяной оболочки довольно широкий - около 3 000 км. В общей массе Нептуна на газы приходится 5%, на льды 75%, а на каменный материал 20%.

12.



    За два часа до ближайшего сближения с Нептуном в 1989 году автоматический космический аппарат Вояджер 2 получил это изображение. На нем были впервые обнаружены длинные светлые облака, похожие на перистые, плавающие высоко в атмосфере Нептуна. Можно даже увидеть тени от этих облаков на более низких облачных слоях. Атмосфера Нептуна в основном состоит из невидимых водорода и гелия. Своим синим цветом Нептун обязан небольшому количеству метана в атмосфере, который поглощает в основном красный свет. На Нептуне дуют самые быстрые ветры в солнечной системе, их порывы достигают скорости 2000 километров в час. Существуют предположения, что в плотной, горячей среде под облаками Урана и Нептуна могут образовываться алмазы.

13.



    10 октября 1846 года Уильям Лассел наблюдал свежеоткрытую планету Нептун. Он хотел подтвердить наблюдения, которые он проводил на предыдущей неделе, и догадки о том, что вокруг Нептуна возможно существует кольцо. Однако теперь он открыл спутник у этой планеты. Лассел вскоре показал, что кольцо, которое он увидел ранее, было ошибкой, связанной с дисторсией его телескопа. Спутник же Тритон остался. Вояджер 2 запечатлел удивительные рельефные особенности, засвидетельствовал наличие тонкой атмосферы, а также существование на Тритоне ледяных вулканов. Тритон движется вокруг Нептуна в обратном направлении по сравнению с остальными крупными телами Солнечной системы по сильно наклоненной к плоскости эклиптики орбите. Любопытно, что Вояджер 2 подтвердил существование замкнутых колец вокруг Нептуна. Однако Лассел все равно не смог бы их обнаружить, так как кольца очень-очень тонкие.
    Главным сюрпризом Тритона оказалась его современная геологическая активность, которую до полета «Вояджера» никто и не предполагал. На снимках обнаружены газовые гейзеры - темные столбы азота, идущие строго вертикально до высоты 8 км, где они начинают стелиться параллельно поверхности Тритона и вытягиваться в «хвосты» длиной до 150 км. Обнаружено десять действующих гейзеров. Все они «дымят» в южной полярной области, над которой Солнце в этот период находилось в зените. Причиной активности газовых гейзеров считают нагрев Солнцем, приводящий к плавлению азотного льда на некоторой глубине, где имеются также водный лед и метановые соединения темного цвета. Давление газовой смеси, возникающее в глубинном слое при его нагреве всего на 4°С, хотя и небольшое, но вполне достаточное, чтобы выбросить газовый фонтан высоко в разреженную атмосферу Тритона.
    Тритон, Ио и Венера - единственные тела в Солнечной системе помимо Земли, которые, как известно, проявляют вулканическую активность в настоящее время. Также интересно обратить внимание, что вулканические процессы, происходящие во внешней Солнечной системе, различны. Извержения на Земле и Венере (и на Марсе в прошлом) состоят из горного материала и управляются внутренней теплотой планет. Извержения на Ио состоят из серы или составов серы и управляются приливными взаимодействиями с Юпитером. Извержения Тритона состоят из летучих веществ, таких как азот или метан, и управляются сезонным нагревом от Солнца.
14.



     Мягко скользя по далеким просторам Солнечной системы, Вояджер 2 сфотографировал Нептун и Тритон, обоих в фазе полумесяца в 1989 году. Эта фотография газовой планеты-гиганта и его укрытого облаками спутника была сделана после того, как корабль прошел точку максимального сближения с Нептуном. Как вы понимаете, такое изображение невозможно получить наземному наблюдателю: на Нептун невозможно посмотреть "сбоку" с Земли, поскольку мы находимся намного ближе к Солнцу. Необычная точка зрения Вояджера лишила Нептун его привычного голубого оттенка, обусловленного прямым рассеянием солнечного света. Зато видно покраснение к краю, вызванное теми же причинами, что и красный цвет заходящего Солнца на Земле. Нептун чуть меньше и чуть массивнее Урана. Нептун обладает несколькими темными кольцами. Кроме того, известно, что эта планета излучает больше света, чем получает от Солнца.

15.



    Протей - второй по величине спутник Нептуна, следующий за таинственным Тритоном. Протей был открыт только в 1982 году космическим аппаратом Вояджер-2. Это достаточно странно, т.к. Нептун имеет меньший спутник - Нереиду - который был открыт 33 годами раньше. Причина, почему Протей не был открыт ранее, заключается в том, что его поверхность очень темная, а его орбита расположена ближе к Нептуну. Второй по массе спутник Нептуна составляет лишь четверть процента от массы Тритона.По форме Протей похож на коробку с нечетным количеством сторон. Если бы он был немного массивнее, его собственная гравитация придала бы ему сферическую форму.

16.



    Спутник Нептуна Деспина очень маленький — его диаметр равен только 148 км. Крошечная Деспина была открыта в 1989 году на снимках, которые сделали камеры корабля Вояджер-2 . Изучая снимки Вояджера-2 20 лет спустя, любитель обработки изображений (и профессор философии) Тед Стрик заметил то, на что ранее ученые не обратили внимание. На изображениях видна тень Деспины на верхних голубых облаках Нептуна, когда она проходила по диску планеты. На сегодняшней картинке Вы видите изображение, составленное из четырех архивных снимков, сделанных 24 августа 1989 года и разделенных промежутком в девять минут. Что разглядеть Деспину на изображении, ее поверхность сделали искусственно более яркой. Деспина в древнегреческой мифологии является дочерью бога морей Посейдона. Напомним, что Нептун — бог морей в древнеримской мифологии.

17.



    В 1960-х годах весна пришла в южное полушарие Нептуна. Поскольку Нептун делает полный оборот вокруг Солнца за 165 земных лет, каждое время года там длится более сорока лет. Астрономы обнаружили, что за последние годы Нептун стал ярче. Снимки  космического телескопа им.Хаббла, сделанные в 1996 году, показывают, что по сравнению с 2002 годом Нептун выглядел значительно темнее. Освещение в южном полушарии увеличилось за счет отражения света от белых облачных полос. Экватор Нептуна наклонен к плоскости его орбиты на 29 градусов. Этот наклон похож на земной, который составляет 23.5 градуса. Поэтому на Нептуне вполне могут быть сезонные изменения погоды, аналогичные земным, несмотря на то, что интенсивность солнечного света на поверхности удаленного газового гиганта в 900 раз меньше, чем на Земле. Лето пришло  в южное полушарие Нептуна в 2005 году.

18.



    На Нептуне есть пятна. Поверхность этого самого далекого в солнечной системе газового гиганта имеет почти однородный синий цвет, создаваемый небольшим количеством метана, плавающего в плотной атмосфере из почти бесцветных водорода и гелия. Однако, появляются и темные пятна, которые представляют собой антициклоны: большие системы с повышенным давлением, вращающиеся в верхней части холодных облаков Нептуна. Два темных пятна видны на изображении, полученном автоматическим космическим аппаратом "Вояджер-2" в 1989 г.: вверху слева - Большое темное пятно размером с Землю и Темное пятно 2 около нижнего края. Яркое облако, названное "Скутер", сопровождает Большое темное пятно. Проведенное недавно компьютерное моделирование показало, что "скутеры" - это облака метана, которые часто могут находится около темных пятен. Последующие изображения Нептуна, полученные на Космическом телескопе им. Хаббла в 1994 г. показали, что оба этих темных пятна разрушились и возникли новые пятна.

    Еще в 2004 году никаких реальных планов полета к Нептуну не существовало. Считалось, что долететь туда за разумный срок с работоспособными приборами можно лишь при благоприятном расположении планет-гигантов, получая от каждой из них гравитационный импульс, ускоряющий станцию в нужном направлении. Такое расположение планет наступит в середине ХХII века. Ситуация изменилась в 2004 году, когда вплотную приступили к разработке сценариев полета к Нептуну. С основной станции, которая станет искусственным спутником Нептуна, намечено отправить в глубь атмосферы планеты три небольших зонда, чтобы узнать структуру газовой оболочки у полюса, в умеренных широтах и в районе экватора. Еще два посадочных аппарата предлагается десантировать на поверхность крупнейшего спутника - Тритона. Они должны будут дать сведения о так называемой полярной шапке и экваториальной области. Намечено установить сейсмометры для регистрации сотрясений, которые должны происходить при выбросах газа азотными гейзерами. По одному из проектов, для перелета запланировано использовать обычный ракетный двигатель и гравитационную помощь планет-гигантов, затратив на дорогу 12 лет. Проблемой может оказаться торможение при подлете к Нептуну. Потребуется много топлива, но из-за этого придется взять меньше научных приборов. Поэтому предполагается снизить скорость полета, используя для торможения не топливо, а атмосферу Нептуна. Такой метод аэрозахвата позволит, не затратив ни капли топлива, одним маневром в течение получаса перейти с пролетной траектории на орбитy вокруг планеты. Пока еще он не использовался в космических полетах. По второму проекту, предполагается снабдить станцию ионным двигателем и радиоизотопным термогенератором, топливом для которого служит радиоактивный плутоний. Но такой полет будет проходить намного медленнее, он займет около 20 лет. При запуске в 2016 году станция достигнет Нептуна лишь в 2035 году.