Warto przeczytać

1. Rys historyczny

Jowisz jest trzecim najjaśniejszym obiektem na nocnym niebie po Księżycu i Wenus. Jego jasność obserwowana waha się pomiędzy -2.94 magmagnitudo [mag] mag w opozycjiopozycjaopozycji a -1.66 mag podczas koniunkcjikoniunkcjakoniunkcji, czyli w zależności od odległości od Ziemi i Słońca. Dzięki temu, że jest jednym z najjaśniejszych punktów na niebie, znany był już w starożytności. Czasami w bardzo pogodne dni może być zauważony również, gdy Słońce jest blisko horyzontu. Babilończycy i starożytni Chińczycy obserwując Jowisza wyznaczyli jego okres obiegu wokół Słońca jako 12 ziemskich lat. W jednej ze starożytnych chińskich ksiąg napisane jest, że chiński astronom w 362 roku p.n.e. odkrył jeden z księżyców Jowisza. Jeżeli jest to prawda, to oznacza, że jeden z księżyców obecnie nazywanych galileuszowymi znany był prawie 2000 lat przed oficjalnie uznawanym odkryciem. Niestety, nie ma potwierdzenia tych obserwacji. Obserwacji czterech największych księżyców Jowisza można dokonywać przy użyciu zwykłej lornetki lub małego teleskopu. Zakładając, że w starożytności atmosfera nie była tak zanieczyszczona i znacznie bardziej przejrzysta, możliwe jest, że chiński astronom dostrzegł jeden z największych księżyców Jowisza gołym okiem.

Rozwój obserwacji i badania Jowisza rozpoczął się od 1610 roku, kiedy to Galileusz skonstruował pierwszy teleskop i obserwując Jowisza, odkrył cztery największe księżyce Jowisza, spośród 79 obecnie znanych. Astronomowie nie wykluczają, że jest ich więcej. Księżyce galileuszowe to Io, Kalisto, Ganimedes i Europa. Są one jednymi z najmasywniejszych księżyców w Układzie Słonecznym. (więcej na temat księżyców Jowisza znajduje się w e‑materiale „Co wiemy o księżycach Jowisza?”).

R1ri1aybVRqZ3

Rys. 1. Ilustracja przedstawia zdjęcie wykonane nocą w górach. W dolnej części zdjęcia widoczne są zaśnieżone góry wraz z porastającymi je drzewami. Nad górami widać grantowe, nocne niebo i duży jasny Księżyc. Obok jednego z górskich wierzchołków górskich widoczny jest mały, jasny punkt. Jasny punkt to Planeta Jowisz widoczny z Ziemi.

W latach 60. XVII wieku Giovanni Cassini obserwując Jowisza przy użyciu własnego teleskopu zauważył pasy na powierzchni planety. Pierwsze znane rysunki obrazujące Wielką Czerwoną Plamę na jednym z pasów Jowisza pochodzą dopiero z pierwszej połowy XIX wieku.

Obserwacje ówczesnymi teleskopami pozwalały na wyznaczanie dokładnych parametrów orbity zarówno Jowisza jak i księżyców galileuszowych, ale nie umożliwiały analizy pasów. Wyznaczono już wtedy okresy obiegów księżyców. Obserwacje zjawisk w układzie satelitów Jowisza pozwoliły już w XVII w. potwierdzić skończoną prędkość światła, do jej wyznaczenia konieczna byłaby dokładniejsza znajomość jednostki astronomicznej, co określono dopiero pod koniec XVIII wieku.

Bardzo szybki rozwój optyki sprawił, że budowano coraz większe teleskopy, które pozwalały analizować struktury na Jowiszu. Na przełomie XIX i XX wieku badano ruchy pasów atmosfery Jowisza, pojawiające i znikające owalne struktury nazywane burzami oraz zależności pomiędzy nimi. W latach 30. XX wieku prowadzono również badania spektralne, dzięki czemu zidentyfikowano w widmie światła odbitego z Jowisza linie spektralne amoniaku i metanu.

W połowie XX wieku prowadzono obserwacje radiowe, dzięki którym ustalono, że obrót jest najkrótszy wśród planet w Układzie Słonecznym. Okres obrotu wynosi niespełna 10 godzin.

2. Współczesne metody badawcze

Rozwój technologiczny w drugiej połowie XX wieku umożliwił badania Jowisza spoza Ziemi. Wielu ciekawych zdjęć dostarcza Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Wyprawy bezzałogowych misji kosmicznychbezzałogowa misja kosmicznabezzałogowych misji kosmicznych, które badały Jowisza z bliska dostarczały nie tylko interesujących zdjęć zewnętrznych warstw atmosfery, ale również pomiary bardzo silnego pola magnetycznego, składu chemicznego głębszych warstw atmosfery niż te widoczne przez teleskop, jak również dokładne analizy księżyców.

Sondy kosmiczne badające Jowisza to:

• Pioneer 10 w grudniu 1973 roku,

• Pioneer 11 w grudniu 1974 roku,

• Voyager 1 w marcu 1979 roku,

• Voyager 2 w lipcu 1979 roku,

• Ulysses dwukrotnie w lipcu 1992 roku oraz w lutym 2004 roku,

• Cassini w grudniu 2000 roku,

• New Horizons w lutym 2007 roku,

oraz dwie sondy badające Jowisza bezpośrednio z orbity wokół planety:

• Galileo od grudnia 1995 roku do września 2003 roku,

• Juno od lipca 2016 roku (co najmniej do lipca 2021 roku).

Dzięki dokładnym pomiarom bezpośrednim, głównie dzięki misjom Galileo oraz Juno znamy przybliżoną budowę Jowisza, a także bardzo dokładnie zbadano zależności i zjawiska zachodzące w obserwowanej atmosferze planety. Sonda Juno znajduje się na orbicie biegunowej, dzięki czemu dostarcza cennych informacji o zjawiskach atmosferycznych zachodzących na biegunach, które ani z Ziemi ani przez inne sondy kosmiczne nie mogły być obserwowane.

R1V0Q6OaMQ63d

Rys. 2. Ilustracja przedstawia zdjęcie Jowisza wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubblea. Na czarnym tle przestrzeni kosmicznej widoczna jest brązowoszara kulista planeta. Na powierzchni planety widać jasne i ciemne, poziome pasy chmur. W kilku miejscach widoczne są tworzone przez chmury wiry. Wiry to szalejące na powierzchni Jowisza burze.

3. Własności Jowisza

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, w budowie wewnętrznej Jowisza wyróżnia się trzy warstwy:

• gęste skaliste jądro (4‑14% całkowitej masy planety);

• płaszcz, składający się głównie z ciekłego metalicznego wodoru;

• gęsta atmosfera o grubości ponad 50000 km, płynnie przechodząca w ciekły płaszcz w odległości około 78% promienia Jowisza od jądra.

Niestety współczesna technologia nie pozwala badać dokładnie budowy wewnętrznej planet gazowych.

Tabela 1. Podstawowe parametry fizyczne Jowisza oraz jego orbity.

4. Skład atmosfery

Jowisz, jak każda planeta gazowa w Układzie Słonecznym, składa się głównie z wodoru i helu. Jednak atmosfera Jowisza jest najdokładniej zbadaną atmosferą planet gazowych Układu Słonecznego. Dzięki badaniom przeprowadzonym przez próbnik atmosferyczny zrzucony przez sondę Galileo na Jowisza wiadomo, że skład Jowisza jest w zasadzie taki sam niezależnie od głębokości w atmosferze. Zmieniają się jedynie proporcje pomiędzy pierwiastkami. W atmosferze znajduje się około 90% wodoru i ponad 8% helu, natomiast około 1% atmosfery stanowią metan, amoniak, etan, para wodna, związki krzemu, węgla oraz śladowe ilości lodu wodnego, lodu amonowego i wodorosiarczku amonu. Im głębiej w stronę jądra, tym ilość wodoru spada aż do 70%, a wzrasta ilość helu do 24% oraz pozostałych składników do 5%. W najbardziej zewnętrznych warstwach atmosfery znajdują się kryształki amoniaku tworzące chmury oraz śladowe ilości benzenu i innych węglowodorów. Skład ten pokrywa się ze składem chemicznym jaki miała pierwotna mgławica, z której powstał cały Układ Słoneczny. Prawdopodobnie wskutek ewolucji przez ponad 4 miliardy lat istnienia układu planeta wyewoluowała i część pierwiastków z zewnętrznych warstw opadła w głąb planety, dlatego ilość helu i innych pierwiastków poza wodorem wzrasta wraz z głębokością. Badania laboratoryjne sugerują, że w głębszych warstwach atmosfery padają helowo‑neonowe deszcze, które odpowiadają za wzrost tych pierwiastków na większych głębokościach.

Prawdopodobnie niewielkie ilości węgla opadając w warstwy planety, gdzie panuje większe ciśnienie i wyższa temperatura, przekształcają się w diamentowe deszcze. Takie zjawisko może mieć miejsce na wszystkich gazowych planetach, gdzie wykryto związki organiczne. Warunki fizyczne panujące w głębokich warstwach atmosfery sprzyjają rozpadowi związków, co powoduje oddzielenie się węgla i wytworzenie diamentów. Struktura płynnego metalicznego płaszcza ze względu na ogromne ciśnienie i dodatnią temperaturę, przyjmuje postać tak zwanego superpłynu (ciecz, której właściwości zależą jedynie od gęstości i ciśnienia, nie występuje w niej transport ciepła).

Ciekawym zjawiskiem, które obserwowane było tylko kilkukrotnie są plamy w atmosferze powstałe w wyniku zderzeń z innymi ciałami, głównie kometami. Jowisz ze względu na swoją ogromną masę może zmienić orbitę drobnych ciał niebieskich, gdy obok niego przelatują. Zdarza się, że obiekt taki wpada z dużą prędkością w atmosferę Jowisza tworząc tak jakby dziurę.

Rk6LXSbdGfLrm

Rys. 3. Ilustracja przedstawia zdjęcie fragmentu atmosfery Jowisza. Na zdjęciu widoczny jest fragment kulistej, brązowoszarej powierzchni planety Jowisz. Na powierzchni planety widoczne są pasy ciemnych i jasnych chmur, na których gdzie nie gdzie widoczne są wiry powodowane przez burze. W dolnej części planety widoczne są ciemniejsze plamy. Ciemniejsze plamy to ślady po uderzeniach komet spadających na powierzchnię planety.

W rzeczywistości jest to reakcja chemiczna pierwiastków w atmosferze z cząsteczkami, z jakich składa się dany obiekt. Jeżeli uderzenie jest bardzo duże, to część wewnętrznej atmosfery zostaje wyrzucona w zewnętrzne warstwy. Sonda kosmiczna Galileo zaobserwowała uderzenie komety Shoemaker‑Levy 9 w atmosferę Jowisza. Kometa została rozerwana na kilka kawałków i pozostawiała ślady w atmosferze planety utrzymujące się przez kilka dni. Takie uderzenia umożliwiają również analizę składu chemicznego planety. Dzięki pomiarom spektroskopowym miejsca uderzenia, można wyznaczyć pierwiastki i związki chemiczne, jakie w danym miejscu się znajdują i dokonywać analizy na przestrzeni dni, w których „dziura” w atmosferze znika.

5. Naturalne zjawiska atmosferyczne

W zewnętrznej atmosferze zachodzą bardzo interesujące zjawiska burzowezjawisko burzowezjawiska burzowe. Pasma chmur układają się wzdłuż równoleżników, które dzielą się na jasne strefy i ciemniejsze pasy. Wzajemne interakcje tych struktur powodują turbulencje i układy burzowe (widoczne na Rys. 2.). Turbulencje takie powodują silne mieszanie się, zazwyczaj w sposób wirowy pasm chmur Jowisza. Układ wirów turbulentnych jest chaotyczny. Ruch taki można porównać z szybkim zlewaniem do jednego pojemnika dwóch różnych płynów o różnej temperaturze, z dużą prędkością mieszania. Prędkość wiatru w miejscach turbulentnych dochodzi nawet do 100 m/s. Pomarańczowe i brązowe zabarwienie chmur jest spowodowane przez związki takie jak fosfor, siarka i węglowodory, które pod wpływem promieniowania ultrafioletowego zmieniają kolor.

Najbardziej znanym zjawiskiem burzowym na Jowiszu jest Wielka Czerwona Plama. Jest to trwały antycyklon, który jak dotąd nie zniknął z powierzchni atmosfery planety. Antycyklon jest cyrkulacją atmosferyczną charakterystyczną dla wyżu barycznego, czyli obszaru wysokiego ciśnienia. Na Ziemi, antycyklony zdarzają się w strefie zwrotnikowej, natomiast ze względu na panujące warunki w atmosferze Jowisza, na tym gazowym olbrzymie antycyklony są bardzo powszechne. Antycyklon kręci się przeciwnie do obrotu planety. Pełny obrót Wielkiej Czerwonej Plamy wynosi około 6 dni i obraca się przeciwnie niż pozostałe chmury oraz wystaje ponad 8 km ponad nimi. Wieloletnie badania nie potwierdzają tego, że zmiany w wielkości i kolorze Wielkiej Czerwonej Plamy związane są jedynie z sezonami (porami roku) na Jowiszu. Ten charakterystyczny antycyklon pochłania mniejsze struktury burzowe, które wytwarzają się w jego okolicy, co podtrzymuje to zjawisko. Tego typu zjawiska, ale o mniejszych rozmiarach są powszechne w pasmach chmur Jowisza. Jasne owale występujące w pasmach chmur są również burzami, ale wytworzonymi w chłodniejszych regionach atmosfery. Takie zjawiska mogą ukazywać się bardzo szybko w wyniku turbulencji pomiędzy pasmami chmur i zderzeniami wyżów i niżów w atmosferze. Niektóre z nich znikają równie szybko jak się pojawiły, ale znaczna część burz znana jest od bardzo dawna.

R1GbvVlkozQEl

Rys. 4. Ilustracja przedstawia zdjęcie fragmentu atmosfery Jowisza. Na zdjęciu widoczny jest fragment kulistej, brązowoszarej powierzchni planety Jowisz. Na powierzchni planety widoczne są pasy ciemnych i jasnych chmur, na których gdzie nie gdzie widoczne są wiry powodowane przez burze. Jeden z wirów jest znacznie większy od pozostałych i ma kolor czerwony. Nazywany Wielką Czerwoną Plamą wir stanowi największą obserwowaną burzę na powierzchni Jowisza.

Rk96TdGJnMYO1

Rys. 5. Ilustracja przedstawia zdjęcie południowego bieguna Jowisza, wykonane przez sondę kosmiczną Juno. Na czarnym tle przestrzeni kosmicznej widoczny jest ciemny fragment kuli. Zaprezentowana kula to powierzchnia Jowisza. Powierzchnia Jowisza jest szara ale centralna część, czyli biegun jest ciemniejsza. Na powierzchni Jowisza widoczne są ciemniejsze i jaśniejsze, duże plamy tworzące spiralne kształty. Spiralne kształty to chmury tworzące się w atmosferze planety.

6. Otoczenie Jowisza

Poza rozbudowanym systemem naturalnych satelitów Jowisz, tak jak wszystkie gazowe olbrzymy ma pierścienie. Są to bardzo niewielkie dyski pyłowo‑lodowe, które nie są obserwowane przez teleskopy. Pierścienie zostały odkryte przez sondę Voyager podczas jej przelotu obok planety. Prawdopodobnie pierścienie są w niewielkim stopniu pozostałością po tworzeniu się planety z pierwotnej mgławicy. Pierścienie w znaczącym stopniu zasilane są w materię pochodzącą z księżyców. Podczas zderzeń księżyców z drobnymi ciałami niebieskimi pył zostaje wywiany w przestrzeń i formuje się w dysk wokół Jowisza.

Na orbicie Jowisza znajdują się również Trojańczycy i Grecy, czyli dwie grupy planetoid związane grawitacyjnie z gazowym olbrzymem. Pole grawitacyjne Jowisza przyciągnęło planetoidy z pasa planetoid w tak zwane punkty libracyjne (punkty Lagrange’apunkty Lagrange’apunkty Lagrange’a: L4 i L5) Jowisza. To spowodowało, że planetoidy te poruszają się po orbitach bardzo podobnych do orbity Jowisza wokół Słońca. Znanych jest ponad 7000 trojańczyków jowiszowych.

Słowniczek