Всякий раз, получая минус в статью за «не соответствует тематике Хабра», я воспринимаю эту оценку со смесью досады и удовлетворения. В целом считаю, что мне удаётся подбирать темы достаточно интересные и не слишком умозрительные, а также наталкивать читателей на размышления и необычные идеи. Однако я был удивлён, когда в поисковой выдаче мне попался удивительный материал с «Пикабу», тема которого значительно более приличествует Хабру. Пользователь shipilev86 задался вопросом: можно ли пролететь Юпитер насквозь? Иными словами, насколько газовый гигант похож на водородно-гелиевое круглое облако, и можно ли в самом деле пронизать такую планету на космическом корабле или хотя бы при помощи космического зонда? Давайте обсудим, какова современная научная точка зрения на этот вопрос, но сформулируем его шире: можно ли пролететь через газовый гигант, и какие осложнения при этом могут нас ожидать?
Краткий ответ на этот вопрос – «при современном уровне развития космонавтики – нет». Ранее в этом блоге я уже затрагивал вопросы классификации экзопланет, например, здесь и здесь. По наблюдениям современных космических телескопов, газовые гиганты гораздо разнообразнее скалистых планет, и делятся, как минимум, на четыре категории:
холодные юпитеры (представители в Солнечной системе: Юпитер и Сатурн)
горячие юпитеры (в Солнечной системе отсутствуют, типичный пример – X0-1 b в созвездии Северная Корона)
горячие нептуны (в Солнечной системе отсутствуют, один из самых известных примеров – Дульсинея в системе звезды мю созвездия Жертвенник)
холодные нептуны (представители в Солнечной системе: Уран и Нептун)
Кроме того, в одном из постов я обращался к некропланетологии – дисциплине в рамках исследования экзопланет, в рамках которой химический состав внесолнечных газовых гигантов пытаются анализировать, пока эти планеты сближаются с родительской звездой. Некропланетология подтверждает, что нептуны, как горячие, так, несомненно, и холодные, настоящими «газовыми гигантами» не являются. Нептун имеет твёрдое скалистое или ледяное ядро, окутанное мощной гелиево-водородной атмосферой. Именно поэтому многие из «суперземель» на самом деле могут быть недоразвившимися нептунами, либо нептунами, постепенно теряющими газовую оболочку, а не скалистыми планетами, подобными трёхкратно увеличенной Земле. Поэтому пролететь сквозь нептун насквозь нельзя. Его можно расценивать как твёрдую планету, покрытую газовым океаном и обычной газовой атмосферой. А с юпитероподобной планетой ситуация гораздо интереснее.
Во-первых, летом 1994 года удалось в режиме реального времени наблюдать, как в Юпитер врезалась и развалилась на части комета Шумейкеров-Леви 9. Во-вторых, NASA контролируемо утопила в атмосфере Юпитера зонд Galileo, работавшего в течение 1989-2003 года и изучавшего преимущественно Юпитер и его спутники. Аппарат вошёл в верхние слои атмосферы Юпитера со скоростью около 50 км/c и расплавился там, углубившись в верхние слои примерно на 158 километров. Сажать аппарат на один из спутников Юпитера (или разбивать его там) не решились, чтобы исключить риск загрязнения ледяных лун земными микроорганизмами. Таким образом, уже известно, что:
посадка на газовый гигант пока неосуществима, даже по принципу посадки гидросамолёта на воду
развёртывание обитаемой космической станции в атмосфере Юпитера практически невозможно из-за высокого уровня радиации.
Опустим проект вывода космической станции на орбиту Юпитера как пока совершенно фантастичный, нерациональный, притом, что принципиально возможный. Если наши пилотируемые экспедиции доберутся до орбиты Юпитера, то гораздо вероятнее, что мы попробуем колонизировать его спутники, а не орбиту. Интереснее обсудить, каков должен быть космический аппарат для многоразовой или долговременной работы в атмосфере Юпитера, какой практический интерес могут представлять её глубокие слои, а также – можно ли всё-таки пролететь Юпитер насквозь, если использовать для этого беспилотный зонд?
Зонд для проникновения в атмосферу Юпитера
Теперь попробуем переформулировать исходный вопрос: «Можно ли прострелить Юпитер пулей или снарядом»? Пуля сравнима по размеру с миниатюрным дроном, который мог бы иметь примерно такие же прочностные, аэродинамические и баллистические показатели, как и пуля. В данном случае ответ также отрицательный, но интересно разобрать – почему нельзя?
Первым аппаратом, запущенным в плотные слои атмосферы Юпитера именно с целью долговременного изучения её состава и свойств, была Юнона. Юнона работает на орбите гиганта с 2016 года и завершает основной объём работ в 2024 году. Именно по данным Юноны можно предположить, что под плотной атмосферой Юпитера находится мантия и магнитное ядро. Предполагается, что граница между мантией и ядром зыбкая, а ядро состоит из сжиженного или даже металлического водорода. Именно водород даёт мощное юпитерианское магнитное поле. Давление под атмосферой Юпитера очень велико и точно пока не известно, но в данном случае непринципиально, находится ли водород в жидком или (гипотетически) кристаллическом состоянии. Согласно имеющимся моделям, жидкий водород должен походить по свойствам на ртуть и быть примерно на 60% плотнее воды. Если все слои Юпитера под атмосферой находятся в (полу)жидком состоянии, то эта внутренняя часть может занимать до 80% всего объёма планеты и походить на металлический океан глубиной тысячи километров. На само ядро Юпитера приходится около 0,1 радиуса планеты.
Прострелить или проплыть такой массив металлического водорода не представляется возможным, однако возможно ли пронизать Юпитер в пределах атмосферы, не ныряя в океан? Метеорологию Юпитера изучала не только «Juno», но и более ранний зонд Galileo, а также наземные обсерватории. Согласно некоторым приближениям, даже чтобы оставаться на устойчивой орбите у самого края атмосферы Юпитера, нужно развивать скорость в 42,5 км/c. Для сравнения: максимальная начальная скорость пули при вылете из ствола превышает 1,1 км/с. Для сравнения: комета Шумейкеров-Леви 9 вошла в атмосферу Юпитера на скорости 61,4 км/c, и некоторые её фрагменты прослеживаются в атмосфере до сих пор. Судя по их движению, на Юпитере наблюдаются мощные стратосферные ветра, скорость которых может достигать 1450 км/ч, а сами турбулентные потоки могут образовывать воронки, сравнимые по диаметру с Землёй.
В пределах атмосферы давление и температура от входа в плотные слои быстро растут. Так, Galileo на входе в атмосферу Юпитера раскалился до 630°C. Ниже температура немного спадает, но быстро растёт давление и скорость (ускорение свободного падения на поверхности Юпитера равно около 24 м/с2 или 2,44 g). Galileo отказал при давлении в 23 атмосферы и при температуре 153°C, продержавшись в верхних слоях атмосферы чуть менее часа.
О запасах металлического водорода
Приведённые оценки с учётом роста температуры и давления позволяют сравнить погружение в газовый гигант с преодолением жидкой, а не газовой среды. Юпитер и Сатурн состоят преимущественно из водорода, и вот как в настоящее время мы представляем себе их структуру:
В 2017 году гарвардским учёным Ранге Диасу и Айзеку Сильвере удалось в лабораторных условиях получить металлический водород. Для этого использовались алмазные наковальни и давление 495 ГПа. По мере роста давления водород явственно менял агрегатное состояние:
На Хабре писали, как этот образец был потерян, но сам опыт не оставил сомнений в том, что водород может переходить в жидкометаллическое состояние. Также на Хабре выходила трёхчастная публикация уважаемого @eugeneb0«Температура и давление фантастики». В первой части этой публикации (рекомендую прочитать все три) приведена фазовая диаграмма водорода:
Таким образом, Юпитер является самым большим резервуаром металлического водорода в Солнечной системе, и свободное полётоплавание в атмосфере Юпитера возможно только в верхнем слое глубиной не более 1500 километров. Агрегатное состояние этого вещества и физические характеристики пока сложно представить, обзор современных гипотез приводится в этом обзоре МФТИ. С высокой вероятностью жидкий металлический водород может быть насыщен свободными электронами и поэтому обладать сильнейшей проводимостью вместе с магнитными свойствами. Поэтому в нём вряд ли можно будет управлять любым металлическим «судном» и задействовать обычную электронику.
По мнению Лейфа Флетчера из Лейчестерского университета, идеальный аппарат для глубокого проникновения в атмосферу газовых гигантов действительно должен иметь форму пули. Кроме того, аппарат должен быть сконструирован из химически инертных, тонких и лёгких материалов. В середине 2010-х в таком качестве рассматривали углеродные нанотрубки, но пока они не достигают нужной длины и толщины не только для полноценного исполнения корпуса из углерода, но и для заключения электроники в углеродный каркас. Для большей устойчивости и «плавучести» аппарата возможна и другая конструкция, предложенная в Лаборатории Реактивного Движения NASA в 2015 году:
Эта конструкция называется «виндбот» и, предположительно, могла бы не только подолгу находиться в атмосфере газового гиганта, но и извлекать из неё энергию. Ещё в 2004 году NASA проектировала марсоход, который мог бы двигаться по поверхности планеты подобно перекати-полю. Такая идея была логична с учётом ветреной погоды на Марсе, но, как показало моделирование, катающийся ровер должен слишком быстро изнашиваться. Но в атмосфере газового гиганта эта конструкция оказывается гораздо удобнее. В рамках программы NIAC был предложен роботизированный зонд, который мог бы долго работать как без крыльев, так и без аэростата. Виндбот должен автоматически ловить ветер и определять зоны турбулентности, а в идеале и использовать ветер как источник энергии. Такой аппарат было бы проще защитить от радиации и прочего электромагнитного воздействия, а также оперативно корректировать курс (аппарату не пришлось бы «разворачиваться»). Кроме того, виндботы могли бы распределяться в атмосфере, образуя мобильную сеть, а при необходимости стыковаться в более крупные формы, подобно тому, как я описывал здесь.
Заключение
По-видимому, из-за вышеописанных препятствий пилотируемая экспедиция в атмосферу газового гиганта никогда не будет возможна. Однако спутники газовых гигантов, например, Титан, являются приоритетными целями для внеземной колонизации, поэтому без некоторого постоянного присутствия в атмосферах этих планет, скорее всего, не обойтись. Зонды могут быть не только исследовательскими, но и метеорологическими, что позволило бы готовиться к магнитным бурям на гиганте, защищая электронику всей колонии. Кроме того, если металлический водород окажется перспективным ракетным топливом и жидким сверхпроводником, то его добыча на газовых гигантах по принципу «зачерпывания» может оказаться более выгодной (даже с энергетической точки зрения), чем синтетическое производство. Наконец, наши Юпитер и Сатурн наверняка существенно отличаются по физическим свойствам от горячих юпитеров. По-видимому, атмосфера горячих юпитеров значительно более разреженная, чем у Юпитера и Сатурна и теоретически лучше подходит для сквозного пролёта.
Комментарии (31)
marks
05.08.2023 17:36+8Уж чьи-чьи статьи, но ваши точно соответствуют тематике Хабра.
Laryx
05.08.2023 17:36+2К сожалению, на Хабре модерация оставляет желать много лучшего. Я знаю не менее трёх весьма интересных авторов, которые ушли именно из-за вот таких "не соответствует тематике", а уж число ушедших комментаторов - куда больше...
Но... альтернативы нет, и никто ею заниматься не будет... потому - имеем то, что имеем.
akurilov
05.08.2023 17:36+4Статья полна фактических ошибок, вроде
На само ядро Юпитера приходится около 0,1% радиуса планеты.
Или
Скорость ветра 1450 км/с
OlegSivchenko Автор
05.08.2023 17:36Исправил, спасибо. Хотя бы со ссылкой на 0,1 я не ошибся, откуда взялись проценты - сложно сказать
wormball
05.08.2023 17:36А это тоже исправили? https://habr.com/ru/articles/752700/#comment_25827430
OlegSivchenko Автор
05.08.2023 17:36Это требовалось переформулировать, надеюсь, стало понятнее. Galileo предназначался для изучения спутников и для работы на орбитах Юпитера. Спуск аппарата в атмосферу был не столько миссией, сколько утилизацией. Юнона же предназначена именно для долговременного контролируемого изучения атмосферы.
shedir
05.08.2023 17:36+3запущенным в плотные слои атмосферы Юпитера
Вы серьезно? 10 тысяч километров от края облаков не кажутся плотными слоями.
ababich
05.08.2023 17:36-6Однако спутники газовых гигантов, например, Титан, являются приоритетными целями для внеземной колонизации,
Если наши пилотируемые экспедиции доберутся до орбиты Юпитера, то гораздо вероятнее, что мы попробуем колонизировать его спутники,
если подросток начитался научной или ненаучной фантастики и рассказывает про "колонизацию" ... это еще понятно... он элементарно не в состоянии задуматься над вопросами "зачем" и "как"
хуже, конечно ,когда взрослый человек (увы, с ментальностью подростка ) занимается подобными вещами ... то есть не в состоянии задавать хотя бы самому себе простые вопросы и пытаться ответить на них
OlegSivchenko Автор
05.08.2023 17:36-6Огосики, мой постоянный читатель (чисто для профилактики опущенный ещё на одно очко кармы, теперь -7) знает слово "ментальность".
ababich
05.08.2023 17:36+1Огосики, мой постоянный читатель (чисто для профилактики опущенный ещё на одно очко кармы, теперь -7) знает слово "ментальность".
что касается "постоянного читателя" вы себя сильно переоценили (я постоянный читатель нескольких хабов, не более того ) ... на эту тему (переоценки) есть забавный анекдот:
в мужском туалете над писсуаром висит плакат "подойди ближе, не переоценивай себя !"
а в остальном-да, вы оправдали все мои ожидания, то есть в одном комментарии продемонстрировали практически все особенности ментальности подростка или взрослого человека с ментальностью подростка:
1)вы считаете для себя возможным "сводить счеты" при помощи изменения кармы
2)так вы еще и публично умудрились хвастаться этим ... жду с нетерпением -8,-9,-10 :)))
3)для вас , по видимому, это (такие вещи как лайки, карма etc ) имеют какое-то существенное значение
4)вы не отвечаете ПО СУЩЕСТВУ на поставленные вопросы
5)"опущенный" ... как типичный образец арго - это у вас оговорка по Фрейду?что касается "колонизации", то вынужден еще раз повториться
космос "колонизировать" не получится так как :
1)калорийность химических топлив очень мала, а других нет
2)белковая жизнь чрезвычайно хрупка... мы можем жить тут...но за пределами тропосферы мы долго не выдерживаем... а создать замкнутый биоценоз размером с Землю и на нем путешествовать не реально
3)что-то осваивать ради ресурсов- бессмысленно : производство (добыча) чего-либо за пределами Земли сильно нерентабельно по понятным причинам
4)переселиться миллиардам землян куда - либо не получится, а ради получения новых знаний,новых данных - никуда лететь не надо (даже на Марс) , это сейчас делают автоматы, у которых явное преимущество :
их не надо сильно защищать от космических факторов как в случае хрупких белковых тел
их не надо возвращать на Землю
из ресурсов им надо пару киловатт электричества (в отличие от белковых тел, которым надо много всего)
они возвращают на Землю результаты своих исследований в виде электромагнитных волн, что достаточно просто ...но грунт с Марса будет обязательно доставлен на Землю еще при нашей жизни
они уже сейчас могут десятилетиями колесить по Марсу (например) , а стоит такое не дорого, если сравнивать с пилотируемой космонавтикой
bbs12
05.08.2023 17:36+1Ваш первый комментарий в теме - сразу прямой переход на личности, даже без попыток частично обсудить тему статьи. Именно это является главным признаком школьника.
1)калорийность химических топлив очень мала, а других нет
Это решается масштабированием. Топливо можно генерить из воды (водород) любым источником энергии: атомными или ветряными электростанциями. И запускать очень много дешевых ракет с большим суммарным количеством груза. Примерно так пытается сделать Маск с помощью Starship.
Все ваши остальные аргументы, если сократить - опасно, дорого и не рентабельно.
Дорого и не рентабельно - решается туристами, любителями путешествий и приключений. Миллионы людей тратят тысячи долларов просто чтобы съездить в другую страну, на море и на острова. С другими планетами это тоже будет работать. Люди готовы платить просто за сам факт путешествия.
Проблема опасности решается техническим путём, как это сделали с самолетами.
Но возможно повышать безопасность даже не обязательно: достаточно посмотреть сколько людей калечатся и погибают при занятиях экстремальными видами спорта. Миллионы будут готовы платить чтобы полететь в космос, даже если это будет очень опасно.
ababich
05.08.2023 17:36-2Ваш первый комментарий в теме - сразу прямой переход на личности, даже без попыток частично обсудить тему статьи. Именно это является главным признаком школьника.
вы просто не в курсе, есть определенный бэкграунд таких попыток... с предсказуемым результатом... хотя... вы увидели "переход на личности", но
не увидели главного посыла.... любой человек занимающейся осмысленной деятельностью в самом начале задает основополагающие вопросы "зачем" и "как" ... если такие вопросы не возникают или нет ответов, то это, как говорят " тревожный симптом" :)))
Это решается масштабированием. Топливо можно генерить из воды (водород) любым источником энергии: атомными или ветряными электростанциями. И запускать очень много дешевых ракет с большим суммарным количеством груза. Примерно так пытается сделать Маск с помощью Starship.
Дорого и не рентабельно - решается туристами, любителями путешествий и приключений.
Проблема опасности решается техническим путём, как это сделали с самолетами.
Но возможно повышать безопасность даже не обязательно: достаточно посмотреть сколько людей калечатся и погибают при занятиях экстремальными видами спорта. Миллионы будут готовы платить чтобы полететь в космос, даже если это будет очень опасно.
я процитировал вам вас...
это все, что я могу сделать в данной ситуации
любой мой ответ по сути будет обиден для вас и будет истолкован , как переход на личности...
надеюсь, вы меня поняли... надеюсь не обиделись
честное слово, вы меня ставите в затруднительное положение :)
net_racoon
05.08.2023 17:36что-то осваивать ради ресурсов- бессмысленно : производство (добыча) чего-либо за пределами Земли сильно нерентабельно по понятным причинам
А когда на Земле ресурс закончится, станет рентабельным? Или какой-то ресурс может быть уникальным для какого-то небесного тела.
переселиться миллиардам землян куда - либо не получится
Был какой-то ученый, не помню имя к сожалению, он утверждал что мы никогда не узнать состав далеких звезд т.к. не можем на них полететь...
Sun-ami
05.08.2023 17:36Из этой статьи впервые узнал, при каких температуре и давлении перестал работать атмосферный зонд Галилео. 22 атмосферы и 145 градусов не впечатляют — на Венере зонды работали в гораздо более суровых условиях. А вот ускорение 228g, которое пришлось выдержать этому зонду при входе в атмосферу впечатляет. В целом, там ещё есть что исследовать спускаемыми аппаратами, надеюсь, что после начала полётов Starship в атмосферу Юпитера отправят аппараты побольше, попрочнее, и с большими возможностями исследований.
chiandr
05.08.2023 17:36+4" некоторые её фрагменты прослеживаются в атмосфере до сих пор "
В самом деле? В атмосфере, перемешивающейся гигантскими штормами, спустя тридцать лет всё ещё видны следы кометы?
LevPos
05.08.2023 17:36Powerful stratospheric winds measured on Jupiter for the first time
However, astronomers were provided with an alternative measuring aid in the form of comet Shoemaker-Levy 9, which collided with the gas giant spectacularly in 1994. This impact produced new molecules in Jupiter's stratosphere, where they have been moving with the winds ever since.
chiandr
05.08.2023 17:36Спасибо, теперь стало понятнее.
"Фрагменты" - это кометный циановодород, который сейчас равномерно перемешан в верхних слоях атмосферы и регистрируется спектрометрическими методами.
Klotos
05.08.2023 17:36Статья читалась очень хорошо до момента про "...начальная скорость пули при вылете из пистолета Макарова составляет 1,1 км/с..." Автор, допустим, вы не знаете даже приблизительный порядок скоростей скорострельного оружия (это как раз нормально, не все мы эксперты по оружию, я тоже знаю очень приблизительно), но неужели при составлении/написании текста у вас не закралось сомнений, что что-то здесь не так?
OlegSivchenko Автор
05.08.2023 17:36Поскольку ваше замечание по этому поводу не первое, я переформулировал этот тезис. Но оговорюсь, что все числовые значения в моих статьях стараюсь проверять в меру достоверности Интернета и моей (не)компетентности. Например, максимальная скорость пули стрелкового оружия здесь оценена в 1000-1200 м/c, а здесь в 1200 м/c
Tarakanator
05.08.2023 17:36+1Так и не понял, почему невозможно запустить самолёт в атмосферу юпитера, с источником энергии в виде ядерного рактора.
Да это крайне сложный проект, но ничего невозможного нет.
azTotMD
05.08.2023 17:36+1Кроме того, если металлический водород окажется перспективным ракетным топливом и жидким сверхпроводником, то его добыча на газовых гигантах по принципу «зачерпывания» может оказаться более выгодной
нууу... как только вы его вытащите на нормальную температуру и давление он и перестанет таковым быть
ababich
05.08.2023 17:36-3нууу... как только вы его вытащите на нормальную температуру и давление он и перестанет таковым быть
ну вы такой нудный, ну честное слово :)))
про какие-то фазовые переходы водорода рассказываете автору заметки,
который судя по всему в детстве и юности перечитал научной и ненаучной фантастики и
и так и не избавился от ментальности подростка судя по тому, что он тут рассказывает
Однако спутники газовых гигантов, например, Титан, являются приоритетными целями для внеземной колонизации,
Если наши пилотируемые экспедиции доберутся до орбиты Юпитера, то гораздо вероятнее, что мы попробуем колонизировать его спутники,
А ведь могли бы поинтересоваться на какие
бензозаправкиводородозаправки цистернами повезут водород , после того как его "зачерпнули" ... возможно, что на спутники Юпитера...но , то, что водород Юпитера окажется перспективным ракетным топливом , это не вызывает сомнений... не знаю, обратил ли кто внимание, но на этой фразе у автора стоит ссылка на типичную желтую газетенку ... очевидно, чтобы у сомневающихся в такой перспективе все сомнения улетучились мгновенно
Кроме того, если металлический водород окажется перспективным ракетным топливом и жидким сверхпроводником, то его добыча на газовых гигантах по принципу «зачерпывания» может оказаться более выгодной
Mingun
Насколько я понял, пока еще не совсем понятно, где же эта "поверхность" начинается и начинается ли вообще, так где это наизмеряли / оценили?
mirwide
Значение исходя из массы, рассчитанной по гравитационным колебаниям и радиуса видимой границы облаков.
На "поверхности" ускорение должно быть в пределах 8-25 g. Если считать что поверхность это жидкий металлический водород с теоретической толщиной в 30-50 тыс. км и ядром радиусом 7.5-15 тыс. км, а четкой границы между газообразным и просто жидким водородом нет.
Zenitchik
Насколько я помню, за нулевой уровень принимают давление в 1 атм.