11.2: Sayari kubwa

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza sifa za kimsingi za kimwili, muonekano wa jumla, na mzunguko wa sayari kubwa
• Eleza muundo na muundo wa Jupiter, Saturn, Uranus, na Neptune
• Kulinganisha na kulinganisha vyanzo vya joto ndani ya sayari kubwa
• Eleza ugunduzi na sifa za mashamba makubwa ya sayari ya magnetic

Hebu sasa tuchunguze sayari nne kubwa (au jovian) kwa undani zaidi. Njia yetu sio tu kuorodhesha sifa zao, lakini kulinganisha nao kwa kila mmoja, akibainisha kufanana na tofauti zao na kujaribu kuhusisha mali zao kwa raia wao tofauti na umbali kutoka Sun.

Tabia za Msingi

Sayari kubwa ziko mbali sana na Jua. Jupiter ni zaidi ya mara tano mbali na Jua kuliko umbali wa Dunia (5 AU), na huchukua chini ya miaka 12 ili kuzunguka Jua. Saturn ni karibu mara mbili mbali kama Jupiter (karibu 10 AU) na inachukua karibu miaka 30 kukamilisha obiti moja. Uranus inazunguka saa 19 AU na kipindi cha miaka 84, wakati Neptune, saa 30 AU, inahitaji miaka 165 kwa kila mzunguko wa Jua. Muda huu wa muda mrefu hufanya iwe vigumu kwetu wanadamu wa muda mfupi kujifunza mabadiliko ya msimu kwenye sayari za nje.

Jupiter na Saturn wana kufanana sana katika muundo na muundo wa ndani, ingawa Jupiter ni karibu mara nne zaidi kubwa. Uranus na Neptune ni ndogo na hutofautiana katika muundo na muundo wa ndani kutoka kwa ndugu zao kubwa. Baadhi ya mali kuu za sayari hizi nne zimefupishwa katika Jedwali\(\PageIndex{1}\).

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Mali ya Msingi ya Sayari za Jovian

Sayari	Umbali (AU)	Kipindi (miaka)	Kipenyo (km)	Misa (Dunia = 1)	Uzito wiani (g/cm ^3)	Mzunguko (masaa)
Jupita	5.2	11.9	142,800	318	1.3	9.9
Saturn	9.5	29.5	120,540	95	0.7	10.7
Uranus	19.2	84.1	51,200	14	1.3	17.2
Neptune	30.0	164.8	49,500	17	1.6	16.1

Jupiter, giant kati ya giants, ina wingi wa kutosha kufanya 318 Dunia. Kipenyo chake ni takriban mara 11 ule wa Dunia (na karibu moja ya kumi ule wa Jua). Wiani wa wastani wa Jupiter ni 1.3 g/cm ³, chini sana kuliko ile ya sayari yoyote ya duniani. (Kumbuka kwamba maji ina wiani wa 1 g/cm ³.) Nyenzo za Jupiter zimeenea juu ya kiasi kikubwa sana kwamba takriban 1,300 Dunia zinaweza kufaa ndani yake.

Masi ya Saturn ni mara 95 ya ile ya Dunia, na wiani wake wa wastani ni 0.7 g/cm ^3—chini kabisa kuliko sayari yoyote. Kwa kuwa hii ni chini ya wiani wa maji, Saturn itakuwa mwanga wa kutosha kuelea.

Uranus na Neptune kila mmoja wana wingi kuhusu mara 15 ya Dunia na, kwa hiyo, ni 5% tu kama kubwa kama Jupiter. Uzito wao wa 1.3 g/cm ³ na 1.6 g/cm ³, kwa mtiririko huo, ni kubwa zaidi kuliko ile ya Saturn. Hii ni kipande kimoja cha ushahidi kinachotuambia kwamba muundo wao unapaswa kutofautiana kimsingi kutoka kwa gesi kubwa. Wakati wanaastronomia walianza kugundua mifumo mingine ya sayari (exoplanets), tuligundua kwamba sayari ukubwa wa Uranus na Neptune ni za kawaida, na kwamba kuna zaidi ya exoplanets kati ya ukubwa kati ya Dunia na haya makubwa ya barafu, aina ya sayari ambayo haipatikani katika mfumo wetu wa jua.

Maonekano na Mzunguko

Tunapoangalia sayari, tunaona tu anga zao, linajumuisha hasa gesi ya hidrojeni na heliamu (angalia sura ya picha). Mawingu ya juu ya Jupiter na Saturn, sehemu tunayoona wakati wa kutazama sayari hizi kutoka juu, hujumuisha fuwele za amonia. Juu ya Neptune, mawingu ya juu yanafanywa kwa methane. Kwenye Uranus, hatuoni safu ya wazi ya wingu kabisa, lakini ni haze ya kina na isiyo na sifa.

Inaonekana kupitia darubini, Jupiter ni sayari yenye rangi na yenye nguvu. Maelezo tofauti katika mifumo yake ya wingu inatuwezesha kutambua kiwango cha mzunguko wa anga yake katika kiwango cha wingu, ingawa mzunguko huo wa anga unaweza kuwa na uhusiano mdogo na spin ya sayari ya msingi. Zaidi ya msingi ni mzunguko wa vazi na msingi; hizi zinaweza kuamua na tofauti za mara kwa mara katika mawimbi ya redio yanayotokana na Jupiter, ambayo yanadhibitiwa na shamba lake la magnetic. Kwa kuwa shamba la magnetic (ambalo tutajadili hapa chini) linatoka ndani ya sayari, linashiriki mzunguko wa mambo ya ndani. Kipindi cha mzunguko tunachopima kwa njia hii ni masaa 9 dakika 56, ambayo inatoa Jupiter “siku” fupi ya sayari yoyote. Kwa njia hiyo hiyo, tunaweza kupima kwamba kipindi cha mzunguko wa msingi wa Saturn ni masaa 10 dakika 40. Uranus na Neptune wana vipindi kidogo vya mzunguko wa masaa 17, pia huamua kutoka kwa mzunguko wa mashamba yao ya magnetic.

Video fupi iliyotengenezwa kutoka picha za Hubble Space Telescope inaonyesha mzunguko wa Jupiter na sifa zake nyingi za anga.

Kumbuka kwamba Dunia na Mars zina misimu kwa sababu shoka zao za spin, badala ya “kusimama moja kwa moja,” zinaelekezwa jamaa na ndege ya orbital ya mfumo wa jua. Hii inamaanisha kwamba kama Dunia inavyozunguka Jua, wakati mwingine ulimwengu mmoja na wakati mwingine mwingine “hutegemea” Jua.

Je! Ni majira gani kama sayari kubwa? Mhimili wa spin wa Jupiter unaelekezwa kwa 3° tu, kwa hiyo hakuna misimu ya kuongea. Saturn, hata hivyo, ina misimu, kwani mhimili wake wa spin umetembea saa 27° hadi perpendicular kwa obiti yake. Neptune ina takriban tilt sawa na Saturn (29°); kwa hiyo, inakabiliwa na misimu sawa (tu polepole zaidi). Misimu ya ajabu kuliko yote iko kwenye Uranus, ambayo ina mhimili wa spin unaoelekezwa na 98° kuhusiana na mwelekeo wa kaskazini. Kwa kawaida, tunaweza kusema kwamba Uranus inazunguka upande wake, na mfumo wake wa pete na mwezi hufuata pamoja, unaozunguka kuhusu equator ya Uranus (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Infrared Picha ya Uranus. Kamera ya infrared kwenye Telescope ya Hubble Space ilichukua picha hizi za uongo za sayari Uranus, mfumo wake wa pete, na miezi mwaka 1997. Ncha ya kusini ya sayari (iliyowekwa na “+” kwenye picha sahihi) inakabiliwa na Jua; rangi yake ya kijani inaonyesha haze kali ya ndani. Picha hizo mbili zilichukuliwa dakika 90 mbali, na wakati huo mawingu matano nyekundu yanaweza kuonekana kuzunguka karibu na sambamba na ikweta. Pete (ambazo zimezimia sana katika mwanga unaoonekana, lakini maarufu katika infrared) na miezi nane zinaweza kuonekana karibu na ikweta. Hii ilikuwa mpangilio wa “jicho la ng'ombe” ambalo Voyager aliona wakati ulikaribia Uranus mwaka 1986.

Hatujui ni nini kilichosababisha Uranus kuingizwa kama hii, lakini uwezekano mmoja ni mgongano na mwili mkubwa wa sayari wakati mfumo wetu ulipoanza kuunda. Chochote kinachosababisha, tilt hii isiyo ya kawaida inajenga misimu mikubwa. Wakati Voyager 2 ilipofika Uranus, pole yake ya kusini ilikuwa inakabiliwa moja kwa moja ndani ya Jua. Hifadhi ya kusini ilikuwa inakabiliwa na majira ya joto ya jua ya 21, wakati wakati huo huo hemphere ya kaskazini ilikuwa imeingia katika giza. Kwa msimu ujao wa miaka 21, Jua huangaza juu ya equator ya Uranus, na hemispheres zote zinapita kupitia mzunguko wa mwanga na giza kama sayari inavyozunguka (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Kisha kuna miaka 21 ya hekta ya kaskazini yenye mwanga na hemisphere ya kusini ya giza. Baada ya hapo mfano wa kurudia mchana na usiku kurudia.

Kama vile duniani, misimu ni kali zaidi kwenye miti. Ikiwa ungekuwa na kufunga jukwaa linalozunguka kwenye pembe ya kusini ya Uranus, kwa mfano, ingekuwa na uzoefu wa miaka 42 ya mwanga na miaka 42 ya giza. Wanastronauts yoyote ya baadaye mambo ya kutosha kuanzisha kambi huko wangeweza kutumia zaidi ya maisha yao bila ya kuona Jua.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Strange Seasons juu Uranus. (a) Mchoro huu unaonyesha obiti ya Uranus kama inavyoonekana kutoka hapo juu. Wakati Voyager 2 alipofika (nafasi ya 1), Ncha ya Kusini ilikuwa inakabiliwa na Jua. Tunapohamia kinyume chake katika mchoro, tunaona sayari miaka 21 baadaye kila hatua. (b) Grafu hii inalinganisha kiasi cha jua kinachoonekana kwenye miti na ikweta ya Uranus katika kipindi cha mapinduzi yake ya miaka 84 karibu na Jua.

Muundo na Muundo

Ingawa hatuwezi kuona katika sayari hizi, wanaastronomia wana hakika kwamba mambo ya ndani ya Jupiter na Saturn yanajumuisha hasa hidrojeni na heliamu. Bila shaka, gesi hizi zimepimwa tu katika anga zao, lakini mahesabu ya kwanza kufanyika zaidi ya miaka 50 iliyopita ilionyesha kuwa gesi hizi mbili za mwanga ni vifaa pekee vinavyowezekana ambavyo sayari yenye wingi wa kuzingatiwa na msongamano wa Jupiter na Saturn inaweza kujengwa.

Miundo ya ndani ya ndani ya sayari hizi mbili ni vigumu kutabiri. Hii ni hasa kwa sababu sayari hizi ni kubwa kiasi kwamba hidrojeni na heliamu katika vituo vyake vinasisitizwa sana na kuishi kwa njia ambazo gesi hizi haziwezi kamwe kuishi duniani. Mifano bora ya kinadharia tuliyo nayo ya muundo wa Jupiter inatabiri shinikizo la kati zaidi ya baa milioni 100 na wiani wa kati wa 31 g/cm ³. (Kwa kulinganisha, msingi wa dunia una shinikizo la kati la baa milioni 4 na wiani wa kati wa 17 g/cm ³.)

Katika shinikizo ndani ya sayari kubwa, vifaa vya kawaida vinaweza kuchukua fomu za ajabu. Kilomita elfu chache chini ya mawingu yanayoonekana ya Jupiter na Saturn, shinikizo huwa kubwa sana kwamba hidrojeni hubadilika kutoka gesi hadi hali ya kioevu. Bado zaidi, hidrojeni hii ya kioevu imesisitizwa zaidi na huanza kutenda kama chuma, kitu ambacho hakiwezi kufanya duniani. (Katika chuma, elektroni haziunganishi imara na viini vyao vya wazazi lakini zinaweza kuzunguka. Hii ndiyo sababu metali ni waendeshaji mzuri wa umeme.) Juu ya Jupiter, sehemu kubwa ya mambo ya ndani ni hidrojeni ya metali ya hidrojeni.

Kwa sababu Saturn ni ndogo sana, ina kiasi kidogo tu cha hidrojeni ya metali, lakini mambo mengi ya ndani ni kioevu. Uranus na Neptune ni ndogo mno kufikia shinikizo ndani ya kutosha kwa liquefy hidrojeni. Tutarudi kwenye majadiliano ya tabaka za hidrojeni za metali tunapochunguza mashamba magnetic ya sayari kubwa.

Kila moja ya sayari hizi ina msingi unaojumuisha vifaa vikali, kama ilivyoonyeshwa na uchambuzi wa kina wa mashamba yao ya mvuto. Labda cores hizi ni miili ya awali ya mwamba na barafu iliyoundwa kabla ya kukamata gesi kutoka kwa nebula iliyozunguka. Cores zipo katika shinikizo la makumi ya mamilioni ya baa. Wakati wanasayansi wanasema juu ya cores kubwa ya sayari kuwa linajumuisha mwamba na barafu, tunaweza kuwa na uhakika kwamba hakuna mwamba wala barafu huchukua aina yoyote ya kawaida katika shinikizo na joto. Kumbuka kwamba kile ni kweli maana ya “mwamba” ni nyenzo yoyote iliyoundwa kimsingi ya chuma, silicon, na oksijeni, wakati neno “barafu” katika sura hii inaashiria vifaa linajumuisha hasa ya mambo kaboni, nitrojeni, na oksijeni pamoja na hidrojeni.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) unaeleza uwezekano miundo ya mambo ya ndani ya sayari nne jovian. Inaonekana kwamba wote wanne wana cores sawa ya mwamba na barafu. Juu ya Jupiter na Saturn, cores hufanya asilimia chache tu ya wingi wa jumla, kulingana na muundo wa awali wa malighafi iliyoonyeshwa kwenye Jedwali\(11.1.1\). Hata hivyo, wingi wa Uranus na Neptune hukaa katika vipande hivi, na kuonyesha kuwa sayari hizo mbili za nje hazikuweza kuvutia kiasi kikubwa cha hidrojeni na heliamu wakati zilipokuwa zikitengeneza kwanza.

Kielelezo Miundo ya\(\PageIndex{3}\) Ndani ya Sayari ya Jovian. Jupiter na Saturn zinajumuisha hasa hidrojeni na heliamu (lakini hidrojeni hutawala), lakini Uranus na Neptune hujumuisha sehemu kubwa ya misombo ya kaboni, nitrojeni, na oksijeni. (Michoro ni inayotolewa kwa kiwango; namba zinaonyesha radii katika maelfu ya kilomita.)

Vyanzo vya joto vya ndani

Kwa sababu ya ukubwa wao mkubwa, sayari zote kubwa zilikuwa na joto kali wakati wa malezi yao na kuanguka kwa nyenzo zinazozunguka kwenye cores zao. Jupiter, kuwa kubwa zaidi, ilikuwa ya moto zaidi. Baadhi ya joto hili la kwanza bado linaweza kubaki ndani ya sayari kubwa hizo. Aidha, inawezekana kwa sayari kubwa, kwa kiasi kikubwa gesi kuzalisha joto baada ya malezi kwa kuambukizwa polepole. (Kwa wingi mkubwa sana, hata kiasi kidogo cha kushuka kinaweza kuzalisha joto kubwa.) Athari za vyanzo hivi vya ndani vya nishati ni kuongeza joto ndani ya mambo ya ndani na anga ya sayari ya juu kuliko tunavyotarajia kutokana na athari ya joto ya Jua pekee.

Jupiter ina chanzo kikubwa cha nishati cha ndani, kiasi cha watts 4 × 10 ¹⁷; yaani, ni joto kutoka ndani na nishati sawa na bilioni 4 milioni 100-watt lightbalbu. Nishati hii ni sawa na jumla ya nishati ya jua iliyoingizwa na Jupiter. Anga ya Jupiter kwa hiyo ni kitu cha msalaba kati ya anga ya kawaida ya sayari (kama ya Dunia), ambayo inapata nguvu zake nyingi kutoka Jua, na angahewa ya nyota, ambayo inawaka kabisa na chanzo cha nishati cha ndani. Wengi wa nishati ya ndani ya Jupiter ni joto la kwanza, lililoachwa kutoka kwenye malezi ya sayari 4.5 bilioni iliyopita.

Saturn ina chanzo cha nishati cha ndani karibu nusu kubwa kama ile ya Jupiter, ambayo inamaanisha (kwa kuwa umati wake ni karibu robo moja tu kubwa) kwamba huzalisha nishati mara mbili kwa kilo ya nyenzo kama ilivyo Jupiter. Kwa kuwa Saturn inatarajiwa kuwa na joto la chini sana, kuna lazima iwe na chanzo kingine cha kazi kinachozalisha zaidi ya watts 2 × 10 ¹⁷ ya nguvu. Chanzo hiki ni kujitenga kwa heliamu kutoka hidrojeni katika mambo ya ndani ya Saturn. Katika vazi la hidrojeni la kioevu, heliamu nzito huunda matone ambayo yanazama kuelekea msingi, ikitoa nishati ya mvuto. Kwa kweli, Saturn bado inatofautisha-kuruhusu kupanda kwa nyenzo nyepesi na kuanguka kwa nyenzo nzito.

Uranus na Neptune ni tofauti. Neptune ina chanzo kidogo cha nishati, wakati Uranus haitoi kiasi cha kupimwa cha joto la ndani. Matokeo yake, sayari hizi mbili zina karibu joto la anga, licha ya umbali mkubwa wa Neptune kutoka Jua. Hakuna mtu anayejua kwa nini sayari hizi mbili zinatofautiana katika joto lao la ndani, lakini yote haya yanaonyesha jinsi asili inaweza kujitahidi kufanya kila dunia iwe tofauti kidogo na majirani zake.

magnetic mashamba

Kila moja ya sayari kubwa ina shamba kali la magnetic, linalozalishwa na mikondo ya umeme katika mambo yake ya ndani ya haraka. Kuhusishwa na mashamba ya magnetic ni magnetospheres ya sayari, ambayo ni mikoa karibu na sayari ambayo shamba la magnetic la sayari linaongoza juu ya uwanja wa magnetic wa jumla wa interplanetary. Magnetospheres ya sayari hizi ni sifa zao kubwa, kupanua mamilioni ya kilomita katika nafasi.

Mwishoni mwa miaka ya 1950 wanaastronomia waligundua kwamba Jupiter ilikuwa chanzo cha mawimbi ya redio yaliyopata makali zaidi kwa muda mrefu kuliko kwa masafa mafupi—tu kinyume cha kile kinachotarajiwa kutokana na mionzi ya joto (mionzi iliyosababishwa na mitikisiko ya kawaida ya chembe ndani ya jambo lolote). Tabia hiyo ni ya kawaida, hata hivyo, ya mionzi iliyotolewa wakati elektroni za kasi zinaharakishwa na shamba la magnetic. Tunaita mionzi hii ya synchrotron kwa sababu ilionekana kwanza duniani katika accelerators ya chembe, inayoitwa synchrotrons. Hii ilikuwa ni hisia yetu ya kwanza kwamba Jupiter lazima awe na shamba kali la magnetic.

Uchunguzi wa baadaye ulionyesha kuwa mawimbi ya redio yanatoka kwenye eneo linalozunguka Jupiter na kipenyo mara kadhaa ile ya sayari yenyewe (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Ushahidi huo ulipendekeza kuwa idadi kubwa ya chembe za atomiki za kushtakiwa zinapaswa kuzunguka karibu na Jupiter, ikizunguka karibu na mistari ya nguvu ya uwanja wa magnetic unaohusishwa na sayari. Hili ndilo tu tunachoona kinachotokea, lakini kwa kiwango kidogo, katika ukanda wa Van Allen kote duniani. Mashamba ya magnetic ya Saturn, Uranus, na Neptune, yaliyogunduliwa na spacecraft ambayo kwanza ilipita karibu na sayari hizi, hufanya kazi kwa namna hiyo, lakini sio nguvu.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Jupiter katika Radio Waves. Picha hii ya rangi ya uongo ya Jupiter ilifanywa na Array Kubwa sana (ya darubini za redio) huko New Mexico. Tunaona sehemu ya magnetosphere, angavu zaidi katikati kwa sababu idadi kubwa ya chembe za kushtakiwa ziko katika ukanda wa ikweta wa Jupiter. Sayari yenyewe ni ndogo kidogo kuliko mviringo wa kijani katikati. Rangi tofauti hutumiwa kuonyesha viwango tofauti vya mionzi ya synchrotron.

Jifunze zaidi kuhusu magnetosphere ya Jupiter na kwa nini tunaendelea kuivutiwa nayo kutoka kwenye video hii fupi ya NASA.

Ndani ya kila magnetosphere, chembe za kushtakiwa huzunguka karibu na uwanja wa magnetic; kwa matokeo, wanaweza kuharakisha kwa nguvu za juu. Chembe hizi za kushtakiwa zinaweza kuja kutoka Jua au kutoka kitongoji cha sayari yenyewe. Katika kesi ya Jupiter, Io, moja ya miezi yake, inaonekana kuwa na mlipuko wa volkano ambao hulipuka chembe za kushtakiwa kwenye nafasi na ndani ya magnetosphere ya jovian.

Mhimili wa uwanja wa magnetic wa Jupiter (mstari unaounganisha pole ya kaskazini magnetic na pole ya kusini magnetic) haiendani hasa na mhimili wa mzunguko wa sayari; badala yake, umefungwa kwa takriban 10°. Uranus na Neptune wana tilts kubwa zaidi ya magnetic, ya 60° na 55°, kwa mtiririko huo. Shamba la Saturn, kwa upande mwingine, linaendana kikamilifu na mhimili wake wa mzunguko. Kwa nini sayari tofauti zina tilts tofauti za magnetic hazieleweki vizuri.

Michakato ya kimwili karibu na sayari ya jovia hugeuka kuwa matoleo mazuri ya kile wanaastronomia wanaopata katika vitu vingi vya mbali, kutoka kwenye mabaki ya nyota zilizokufa hadi kwenye vituo vya nguvu vya mbali ambavyo tunaita quasars. Sababu moja ya kujifunza magnetospheres ya sayari kubwa na Dunia ni kwamba hutoa analogues karibu kupatikana ya michakato ya juhudi zaidi na changamoto cosmic.

Dhana muhimu na Muhtasari

Jupiter ni mara 318 kubwa kuliko Dunia. Saturn ni karibu 25% kama kubwa kama Jupiter, na Uranus na Neptune ni 5% tu kama kubwa. Zote nne zina anga za kina na mawingu opaque, na wote huzunguka haraka na vipindi kutoka masaa 10 hadi 17. Jupiter na Saturn wana nguo nyingi za hidrojeni kioevu. Uranus na Neptune wamepungua katika hidrojeni na heliamu kuhusiana na Jupiter na Saturn (na Jua). Kila sayari kubwa ina msingi wa “barafu” na “mwamba” wa raia 10 wa dunia. Jupiter, Saturn, na Neptune wana vyanzo vingi vya joto vya ndani, kupata nishati nyingi (au zaidi) kutoka ndani yao kama kwa mionzi kutoka Jua. Uranus haina joto la ndani linaloweza kupimwa. Jupiter ina uwanja wenye nguvu zaidi wa magnetic na magnetosphere kubwa zaidi ya sayari yoyote, kwanza iligunduliwa na wataalamu wa redio kutokana na uchunguzi wa mionzi ya synchrotron.

faharasa

mionzi ya synchrotron

mionzi iliyotolewa na chembe za kushtakiwa zinaharakishwa katika mashamba ya magnetic na kusonga kwa kasi karibu na ile ya mwanga