Jupiter

Kiertorata ja pyöriminen

Jupiter on nopeasti pyörivä ulkoplaneetta, jonka pyörähdysaika akselinsa ympäri on lyhin kaikista aurinkokuntamme planeetoista. Pyörähdysaika on alle 10 tuntia. Nopean pyörimisensä takia Jupiter on litistynyt noin 0,06487 eli noin 6,5 prosenttia. Jupiterin kiertoaika Auringon ympäri on lähes 12 vuotta ja etäisyys Auringosta noin 780 miljoonaa kilometriä eli noin 5,2 kertaa Maan etäisyys. Auringon ja Jupiterin yhteinen massakeskipiste on hieman Auringon pinnan ulkopuolella (1,068 × Auringon säde keskustasta mitattuna).

Jupiterin eri osien erilaiset pyörähdysajat

Jupiterissa on kolme eri nopeudella pyörivää kokonaisuutta, ”systeemiä”, joita merkitään roomalaisilla numeroilla I, II ja III. Systeemi III mitataan radiosäteilyn vaihtelusta. Se on Jupiterin magneettikentän pyörähdysaika, yhdeksän tuntia, 55 minuuttia, 29,710 sekuntia. Systeemi I on päiväntasaajan seudun ja alle yhdeksän leveysasteen päässä päiväntasaajasta olevien pilvien pyörimisaika ja systeemi II yhdeksän leveysastetta kauempana päiväntasaajasta sijaitsevien pilvien pyörimisaika. 
Systeemi I, jossa on mukana suuret päiväntasaajan vaaleat pilvivyöt, pyörii yhdeksässä tunnissa, 50 minuutissa ja 30,003 sekunnissa yhden kierroksen. Systeemi II pyörii yhden kierroksen ajassa yhdeksän tuntia, 55 minuuttia ja 40,632 sekuntia.

Sisäinen rakenne

Jupiter on suuresta koostaan huolimatta melko harvaa ainetta, sen tiheys on noin 1,33 g/cm³, josta päätellään, että Jupiterin massasta suurin osa on nestemäistä vetyä ja heliumia. Vety nesteytyy suurissa paineissa. Tämä on jättiläisplaneetoille tyypillistä. Jupiterilla lienee kiinteä rautasilikaattiydin. Lisäksi Jupiterissa on huomattavia määriä metaania, vettä ja ammoniakkia.
Tutkijat ovat laskeneet erilaisia malleja Jupiterin rakenteelle.
Jupiterin kaasukehä on vain noin tuhat kilometriä paksu. Siitä alkaa asteittain kuuma, tihenevä vetymeri.
Vetymeri on nestemäistä molekyylimuodossa olevaa vetyä ja heliumia sisältävä kerros 12 000 kilometrin syvyyteen asti. Molekulaarinen vety muuttuu nestemäiseksi metalliseksi vedyksi noin 1–4 miljoonassa baarissa ja 5 000–10 000 kelvinin lämpötilassa. Metallisen vedyn kerros on 45 000 kilometriä paksu, kattaen suuren osan Jupiterin säteestä, ja siinä on ehkä konvektiivinen vyöhyke. Vety-heliumkerroksessa helium sataa hiljalleen alas kohti ydintä. Jupiterin nestemäisen vedyn ja heliumin kerros on yhteensä yli 40 000 kilometrin paksuinen. Sen alapuolella vety muuttuu kiinteäksi. Sisimpänä on kiinteä ydin, jonka säde on muutamia tuhansia kilometrejä. Kiinteän ytimen vähimmäiskooksi arvioidaan 10–15 Maan massaa. Osa kiinteästä ytimestä saattaa liueta ympäröivään vetyvaippaan. Lämpötila Jupiterin ytimessä on 20 000–30 000 kelviniä. Joidenkin arvioiden mukaan rautasilikaattiydin olisi läpimitaltaan 24 000 kilometriä. Paine Jupiterin ytimessä lienee 40–80 megabaria.
Jupiter säteilee 1,16 kertaa niin paljon kuin se saa Auringosta, eli sen luminositeetti on 8,67⁻¹⁰ Auringon luminositeettia, eli 8,24 (-/+0,13)¹⁷ wattia.
Tämä ylimääräinen lämpö on pääosin peräisin Jupiterin jäähtymisestä. Jupiterin kehitystä on koetettu laskea simuloimalla tietokoneella. Kun Jupiter syntyi alkuaurinkosumusta, se kuumeni vetovoiman vaikutuksesta planeetan pinnalle putoavan kaasuvirtauksen voimasta. Alkujaan Jupiterin luminositeetti oli 0,01 Auringon luminositeettia, eli sama kuin himmeällä normaalilla tähdellä. Jupiterin keskipisteessä saattoi vallita 50 000 kelvinin lämpötila, ja sen läpimitta oli kymmenen kertaa nykyisestä. Jupiter kutistui suunnilleen nykyiselleen 10 miljoonassa vuodessa. Miljoonan vuoden kuluttua syntymästään Jupiter säteili miljoonasosan Auringon säteilyvoimasta.
Osa ylimääräisestä Jupiterin säteilystä voi olla peräisin heliumin kohti keskustaa tapahtuvasta hitaasta vajoamisesta. Jupiterin kaasukehän atomeista noin 18 prosenttia on heliumia ja 81 prosenttia vetyä, mikä vastaa massasta 75 prosenttia vetyä ja 24 prosenttia heliumia. Tämä kaasukoostumus on suunnilleen sama kuin Auringossa. Jupiter pyörii navoilla viisi minuuttia hitaammin kuin päiväntasaajalla, koska se on kaasumainen kappale. Voidaan erottaa päiväntasaajan alueen pyöriminen, pyöriminen muualla ja sisustan pyöriminen, joka mitataan radiosäteilyn perusteella. Jupiterin sisustan magneettikenttä aiheuttaa muutoksia planeetasta tulevaan radiosäteilyyn.
Jupiterin kaasukehässä on runsaammin raskaita alkuaineita, kuin niitä on Auringossa. Jupiterin kiinteä rautaydin on pieni. Nämä kaksi piirrettä selittynevät parhaiten niin, että Jupiteriin törmäsi sen syntyvaiheessa kymmenen Maan massainen supermaapallo, jonka aiheuttama törmäysmullistus höyrysti osan ytimestä ja nosti raskaita aineita planeetan vetyvaippaan.

Kaasukehä

Jupiterin kaasukehä on noin tuhannen kilometrin paksuinen, ja pilvet ovat noin 75 kilometriä paksuja vesipilvistä ammoniakkijääpilviin. Jupiterin pilvien vaaleat raidat eli vyöhykkeet ovat nousevan virtauksen alueita ja tummemmat vyöt laskevan virtauksen alueita. Vyöhykkeet ovat vöitä hieman viileämpiä koska sijaitsevat korkeammalla kaasukehässä ja ovat vaaleampia. Lämpötila 70 kilometriä pilvien huipun alla on noin 30 °C, ja pilvien huipulla −130 °C.
Vaaleiden ja tummien raitojen leveys ja väri muuttuvat ajan mukana. Jupiterissa on nopeita tuulia, jotka puhaltavat useinkin jopa 600 km/h. Pilvien erilaiset värit johtuvat eri lämpöisissä kaasukehän kerroksissa esiintyvistä erilaisista aineista. Jupiterin vyöhykkeiden ja vöiden pinnan suuntaiset valtavan nopeat tuulet saavat energiansa planeetan sisustasta. Sen kaasukehässä on jälkiä metaanista, vesihöyrystä, ammoniakista ja silikaateista. Kaasukehässä on myös hyvin pieniä määriä hiiltä, etaania, vetysulfidia, neonia, happea, fosfiinia ja rikkiä. Kaasukehän uloimmassa kerroksessa on jäätynyttä ammoniakkia kiteinä.
Jupiterissa on valtavia revontulia ja ukkosia, sillä sen magneettikenttä ja kaasukehän virtaukset ovat voimakkaampia kuin Maassa. Jupiterilla on ionosfääri ja magnetosfääri.

Magneettikenttä

Jupiterin magneettikentän voimakkuus on 4,28 gaussia, 14 kertaa Maan magneettikentän voimakkuus, ja dipolimomentti 20 000 kertaa Maan magneettikentän dipolimomentti. Se vaatii ainakin miljardien ampeerien virtoja Jupiterin metallisen vedyn kerroksessa, jossa toimii Jupiterin pyörimisen ylläpitämä dynamo.
Kenttä on 10 astetta kallellaan pyörimisakseliin nähden ja maalle vastakkainen. Jupiteria ympäröivä voimakas magneettikenttä vangitsee nopeita ja vaarallisia alkeishiukkasia, jotka saattavat helposti vahingoittaa avaruusluotaimia ja -aluksia. Niinpä Jupiterillakin on noin 20 planeetan säteen päässä Van Allenin vyöhykkeet, joissa on säteily 10 000 kertaa Maan Van Allenin vyöhykkeiden säteilyä voimakkaampaa. Nämä hiukkaset tekivät Nasan Pioneer 10:n laitteet lähes toimintakyvyttömiksi luotaimen lentäessä Jupiterin ohi vuonna 1973. Voimakkaan säteilyn vuoksi Jupiteriin ei voida tehdä miehitettyä lentoa, vaikka lentoon tarvittava teknologia olisikin olemassa. Mahdolliset miehitetyt lennot suuntautuisivatkin todennäköisesti Jupiterin sijasta sen kuille, kuten Ganymedekselle tai Europalle.
Jupiterin magneettikentän etäisyys Auringon suunnalla on 3–7 miljoonaa kilometriä eli 50–100 Jupiterin sädettä. Etäisyys vaihtelee huomattavasti aurinkotuulen mukaan. Aurinkotuuli venyttää Jupiterin yöpuolella planeetan magneettikentän pitkäksi pyrstöksi.
Jupiterin magneettikenttä aiheuttaa voimakasta radiosäteilyä, tasaista desimetriaalloilla ja epätasaista dekametriaalloilla. Osan radiosäteilystä synnyttävät Jupiterin magneettikentässä lähes valon nopeudella kiitävät elektronit. Tämä on synkrotronisäteilyä, jonka tuottavat hiukkaset kiitävät jopa 300–400 miljoonan kelvinin lämpötilaa vastaavilla nopeuksilla. Io-kuun tulivuorenpurkauksista vapautuu Ion radalla ionisoitunutta kaasua, plasmaa, joka aiheuttaa aika-ajoin purkauksia Jupiterista tulevaan radiosäteilyyn, silloin kun Io on tietyssä paikassa radallaan. Jupiterin magneettikentässä on sen päiväntasaajan tasossa plasmalevy, joka aika ajoin vaihtaa hiukkasia Iosta vapautuneesta kaasusta koostuvan munkkirinkilän kanssa. Iosta tulevan renkaan hiukkastiheys vaihtelee huomattavasti Ion aktiivisuuden mukaan.
Jupiterin radiosäteily on pinnalla noin 20 kertaa niin voimakasta kuin Maassa. Lisäksi siinä kieppuvat hiukkaset aiheuttavat toisen vakaamman radioaaltovuon.

Synty

Jupiter lienee syntynyt aikaisemmin kuin Maa, ehkä 3–10 miljoonaa vuotta aikasemmin. Yleensä ollaan sitä mieltä, että Jupiter syntyi jäästä ja kivestä koostuneen planeetan kasvettua niin suureksi, että se pystyi keräämään kaasua alkuaurinkoa ympäröivästä esiplanetaarisesta kaasu- ja pölykiekosta. Jupiterin kiinteistä aineista koostuvan ytimen massa olisi silloin vähintään kymmenen Maan massaa. Jotkut tutkijat ovat väittäneet Jupiterin kutistuneen muutamassa sadassa vuodessa tiheän Aurinkoa ympäröivän kaasukiekon häiriöstä. Muodostuttuaan Jupiter säteili lämpöä niin runsaasti, että se hehkui punaisena. Nykyisten siirtymisteorioitten (migraatioteorioitten) kannattajat uskovat Jupiterin siirtyneen radallaan 0,45 AU 100 000 vuodessa. Siirtyminen on johtunut Jupiterin ja ympäröivän kaasu- ja pikkuplaneettakiekon välisestä vuorovaikutuksesta. Alkuaurinkosumun kaasukiekossa liikkunut Jupiter on saattanut singota pikkuplaneettoja radoille, joissa ne törmäävät Maahan ja kiihdyttänyt siten Maan syntyä.

Vaikutus aurinkokuntaan

Massansa myötä Jupiterilla on suuri vetovoima ja se on Auringon jälkeen aurinkokunnan toiseksi merkittävin kappale. Jupiterin kanssa samalla radalla kiertää monia niin sanottuja troijalaisia asteroideja, jotka sijaitsevat sen kiertoradalla noin 60 astetta planeetan edessä ja takana. Se on siepannut osan komeetoista kymmeniä komeettoja käsittävään Jupiterin komeettaperheeseen. Jupiter on aiheuttanut vetovoimallaan asteroidivyöhykkeeseen alueita, joissa asteroideja ei ole lainkaan.
Jupiterin vaikutuksesta Aurinkokunnan kehitykseen ja erityisesti Maan elämään on esitetty erilaisia spekulaatioita. Jupiterin arvellaan singonneen valtavat määrät komeettoja Oortin pilveen. On myös esitetty spekulaatioita, joiden mukaan Maan vesi olisi saanut alkunsa Jupiterin vetovoimallaan sinkoamista komeetoista. Jos pieni kappale – kuten komeetta – ohittaa läheltä suuren kappaleen, pieni kappale voi sinkoutua suurella nopeudella kauas avaruuteen. Todennäköisesti Jupiterin sijainnin ja suuren massan vuoksi planeetta imee komeettoja ja asteroideja itseensä muita planeettoja enemmän. On arveltu, että ilman Jupiteria Maahan törmäisi kilometrin läpimittainen asteroidi joka 50. vuosi. Toisaalta se, että Jupiterin massainen planeetta on estänyt suuren planeetan synnyn asteroidivyöhykkeelle, on saattanut edistää evoluutiota Maassa, nimittäin muutaman kymmenen miljoonan vuoden välein tapahtuva joukkotuho pyyhkii pois lajeja ja antaa tilaa uusille lajeille, vauhdittaen näin evoluutiota.

Shoemaker-Levy 9:n törmäys

Yli kaksikymmentä komeetta Shoemaker-Levy 9:n kappaletta iskeytyi Jupiterin eteläiselle puoliskolle 16.–22. heinäkuuta 1994. Tapahtuma oli ensimmäinen kahden aurinkokunnan kappaleen välinen törmäys, josta voitiin tehdä suoria havaintoja. 
Shoemaker-Levy 9 oli aluksi kokonainen komeetta, mutta Jupiterin valtava vetovoima repi sen kappaleiksi ja kaappasi mukaansa. Palaset kiersivät hetken aikaa Jupiteria ja iskeytyivät sitten planeettaan suurella voimalla. Tämä törmäys vapautti Jupiterin kaasukehään enemmän energiaa kuin kaikkien maailman ydinaseiden teho yhteensä.
Heinäkuussa 2009, tarkalleen viidentoista vuoden kuluttua Shoemaker-Levy 9:n törmäyksestä Jupiter ilmeisesti joutui uuden törmäyksen kohteeksi. Kaukoputkihavainnot viittasivat törmäykseen, jonka aiheutti mahdollisesti jokin komeetta.

Ennen avaruusaikaa

Jupiter on helppo havaita paljain silmin ja se tunnettiin jo esihistoriallisena aikana. Ptolemaioksen maakeskisessä maailmanjärjestelmässä se oli viides Maata kiertäneistä planeetoista sisältä päin lukien. Muiden planeettojen tapaan se siirrettiin kiertämään Aurinkoa Kopernikuksen aurinkokeskisessä mallissa. Tarkemmin itse Jupiteria tutki vasta Galileo Galilei, joka ensimmäisenä suuntasi sitä kohti hiljattain kehitetyn kaukoputken. Galilei tutki usein Jupiteria ja hän löysikin sitä kiertävät, hänen mukaansa nimetyt Galilein kuut. Cassini määritti planeetan pyörähdysajan, Friedrich Bessel sen massan. 1664 Robert Hooke havaitsi suuren punaisen pilkun.

Jupiteria tutkineita avaruusluotaimia

Jupiter on Guinnessin ennätysten kirjan mukaan tutkituin planeetta heti maapallon jälkeen.

Massa

Jupiterin massaa (lyhennetään esim. MJ tai MJ ) käytetään mittayksikkönä ilmoitettaessa esimerkiksi ruskeiden kääpiöiden ja eksoplaneettojen massoja.
Jupiterin massa on 1,89910²⁷ kiloa eli MJ = 317,8 Maan massaa, tai MJ = 0,0009545 Auringon massaa. Auringon massa on 1047,7 Jupiterin massaa.
Eksoplaneettoja massoja ilmoitettaessa käytetään myös Saturnuksen massaa, joka on 5,684610²⁶ kiloa eli 95,162 Maan massaa, eli melko tarkkaan 0,3 Jupiterin massaa. Kolmannen vertailuplaneetan, Neptunuksen massa on 1,024310²⁶ kiloa eli 17,147 Maan massaa tai 0,054 Jupiterin massaa. Jupiter on 18,53 kertaa Neptunusta massiivisempi.