САТУРН

Сайт переехал! Наш новый адрес: http://wnhome.org.ua/sunsystem/ Для перехода на аналогичную страницу нажмите тут

Сатурн представляется невооружённому глазу звездой 1-й звёздной величины, он значительно слабее по бле­ску, чем Венера, Юпитер и Марс. Его тусклый свет, имеющий матово-белый оттенок, а также очень медлен­ное движение по небу создали плане­те дурную славу, и рождение под знаком Сатурна считалось недобрым предзнаменованием.

В телескоп средней силы хорошо заметно, что шар Сатурна сильно сплюснут - ещё сильнее, чем Юпитер. На поверхности планеты выделяются параллельные экватору полосы, прав­да менее чёткие, чем у Юпитера. В этих полосах можно рассмотреть мно­гочисленные, хотя и неяркие детали, именно по ним Уильям Гершель опре­делил период вращения Сатурна. Он оказался очень коротким - всего 10 ч 16 мин. Изредка на диске плане­ты появляются и более заметные дета­ли. Так, в феврале 1876 г. на экваторе Сатурна возникло большое белое пят-но, обращавшееся с периодом 10 ч 14 мин. Незначительная разница не должна удивлять: как и у Солнца и Юпитера, скорость вращения атмосферы Сатурна в экваториальных зо­нах больше, чем близ полюсов.

Светло-жёлтый Сатурн внешне вы­глядит скромнее своего соседа - оранжевого Юпитера. У него нет столь красочного облачного покро­ва, хотя структура атмосферы почти такая же. Как и Юпитер, Сатурн в ос­новном состоит из водорода и гелия. Только содержание гелия в его атмо­сфере ниже: он более равномерно распределён по всей массе планеты. Вследствие меньшей силы тяготения атмосфера Сатурна глубже юпите-рианской. Видимо, у Сатурна мощнее верхний слой светлых перистых ам­миачных облаков, что делает его не таким «цветным» и полосатым.

Вдоль экватора планеты проходит гигантское атмосферное течение ши­риной в десятки тысяч километров, скорость его достигает 500 м/с. Хотя пятна атмосферных вихрей на Сатур­не уступают по размерам юпитериан-скому Большому Красному Пятну, но и там наблюдаются грандиозные штормы, видимые даже с Земли.

Ниже атмосферы простирается океан жидкого молекулярного водо­рода. На глубине около половины ра­диуса планеты давление в нём дости­гает 3 млн атмосфер, и водород уже не может существовать в молекуляр­ном состоянии. Он становится метал­лическим, хотя и по-прежнему жид­ким. Течения в этом металлическом океане генерируют довольно сильное магнитное поле Сатурна. В центре планеты находится массивное ядро (до 20 земных масс) из камня, желе­за и, возможно... льда.

Откуда взяться льду в центре Са­турна, где температура более 10 тыс. градусов? Ведь хорошо знакомая нам кристаллическая форма воды - обыкновенный лёд - плавится уже при температуре 0 °С при нормаль­ном атмосферном давлении. Ещё «нежнее» кристаллические формы аммиака, метана, углекислого газа, которые учёные также называют льдом. Например, твёрдая углекис­лота (сухой лёд, используемый в различных эстрадных шоу) при нор­мальных условиях сразу же перехо­дит в газообразное состояние, минуя жидкую стадию.

Но одно и то же вещество может образовывать различные кристалли­ческие решётки. В частности, науке известны кристаллические модифи­кации воды, отличающиеся друг от друга не меньше, чем печная сажа - от химически тождественного ей ал­маза. Например, так называемый лёд VII имеет плотность, почти вдвое превосходящую плотность обычного льда, и при больших давлениях его можно нагревать до нескольких сот градусов! Поэтому не стоит удивляться тому, что в центре Сатурна при давлении в миллионы атмосфер присутствует лёд, т. е. в данном слу­чае смесь из кристаллов воды, мета­на и аммиака.

КОЛЬЦА САТУРНА

В июле 1610 г. Галилео Галилей опуб­ликовал зашифрованное сообщение такого содержания: «Отдалённейшую из планет наблюдал тройною». «Отда­лённейшей из планет» в то время считали Сатурн, а его кольца выгляде­ли в телескопе Галилея двумя туман­ными пятнами по краям планеты.

Предположение, что планета окруже­на кольцом, высказал в 1655 г. голлан­дец Христиан Гюйгенс. Поначалу его гипотеза вызвала ожесточённую кри­тику со стороны ортодоксов.

Кольца Сатурна постоянно будоражили воображение учёных своей уникальной формой. Их исследовали такие блестящие астрономы, механи­ки и математики, как Дж. Д. Кассини, П. С. Лаплас, Дж. К Максвелл, Ж А. Пу­анкаре. Интересно, что факт разделе­ния колец Сатурна на отдельные уз­кие кольца предсказал ещё в 1755 г. немецкий философ Иммануил Кант, основываясь на своих остроумш теоретических рассуждениях.

Плоскость экватора Сатурна, его колец и спутниковой системы накло­нена к плоскости земной орбиты бо­лее чем на 26°. Это создаёт благопри­ятные возможности для наблюдения колец Сатурна. Чтобы понять, как меняются условия видимости колец для землян, можно проделать следу­ющий простой опыт: поставить на стол чайное блюдце, приподняв один его край (например, подложить под него кусочек сахара). Если опустить глаза на уровень стола и обойти во­круг него, то в течение одного обхо­да блюдце будет видно как с лицевой (вогнутой) стороны, так и со сторо­ны выпуклого дна и дважды - с реб­ра. В реальности примерно так всё и происходит. Сатурн почти в десять раз дальше от Солнца, чем Земля, по­этому мы всегда смотрим на него как бы со стороны Солнца. В течение од­ного орбитального оборота (около 30 лет) он обращает к нам то север­ный, то южный свой полюс. Соответ­ственно и кольца видны то «сверху», то «снизу», а иной раз исчезают сов­сем (когда они обращены к наблюда­телю ребром). Последний раз кольца «встали на ребро» летом 1995 г., и последующие годы они будут видш «сверху» - из северной полусферы.

С Земли хорошо различимы три кольца - А, В и С - разной яркости. Внешний радиус колец Сатурна равен 137 тыс. километров. Довольно широ­кое деление Кассини разделяет коль­ца А и В чёрной полосой. Менее за­метно деление Энке вблизи внешнего края колец. Названы эти деления в честь их открывателей.

В XX в. вблизи Сатурна побывали три американских космических аппа­рата: «Пионер-11» (октябрь 1979 г.), «Вояджер-1» (ноябрь 1980 г.) и «Вояд-жер-2» (август 1981 г.). Эти межпланетные станции передали на Землю ты­сячи фотографий колец Сатурна и его спутников с разрешением до несколь­ких километров. А просвечивание ко­лец радиосигналами дало возмож­ность изучать их тонкую структуру.

Если «перепрыгнуть» через полто­ра миллиарда километров, отделяю­щих нас от Сатурна, и взглянуть на кольца с расстояния 100-200 тыс. километров, то окажется, что они расслаиваются на тысячи колечек. Среди них есть узкие потоки, откло­няющиеся от круговой орбиты. Края некоторых колец зазубриваются, а са­ми они колышутся под гравитацион­ным напором спутников, изгибаясь и образуя волны. Спиральные волны, эллиптичные кольца, странные пере­плетения узких колечек., все сюрпри­зы колец трудно перечислить.

Ну а если приблизиться к кольцам вплотную, то они окончательно поте­ряют для нас свою монолитность и превратятся в огромное количество отдельных «спутничков» Сатурна - частиц из обычного водяного льда са­мой разной величины: от мелких пы­линок до глыб с поперечником 10- 15 м. Основная масса колец Сатурна заключена в частицах метровых раз­меров. Но это не цельные куски льда, а снежные комья, такие же рыхлые, как свежевыпавший земной снег (только там вряд ли есть узорчатые снежинки).

Эти снежные тела вращаются вокруг Сатурна со скоростью около 10 км/с. Их скорости так хорошо уравнены, что соседние частицы ка­жутся неподвижными по отношению друг к другу. На самом деле они очень медленно перемещаются в разных направлениях - со скоростью 1 - 2 мм/с. Примерно с такой скоростью ползают земные улитки. Время от времени можно наблюдать эффект­ное зрелище - столкновение двух крупных частиц. Вот две глыбы разме­ром с садовый домик начинают мед­ленно соприкасаться друг с другом, сдвигая с поверхности целые сугробы рыхлого снега. Им не повезло: они не выдержали взаимного давления при ударе и медленно развалились на ча­сти. Типичная для колец «катастрофа» при скорости миллиметр в секунду! Два больших остатка первоначальных тел продолжают движение, а сброшенные с них сугробы снега, комки и снежная пыль неспешно раз­летаются в разные стороны, сверкая в лучах далёкого Солнца. Через не­сколько дней «пострадавшие» части­цы снова вырастут, поймав и поглотив огромное количество более мелких снежков в кольцах.

Сами кольца чрезвычайно тонки: около 10-20 м толщиной. По отношению ширины к толщине листок папиросной бумаги гораздо толще планетных колец. Если уменьшить кольца Сатурна до метрового разме­ра, то их толщина составит тысячную долю миллиметра. В кольце В части­цы расположены так густо, что, зале­тев в середину, мы потеряем из виду звёзды. Впрочем, тьмы здесь нет - кругом светятся отражённым, прело­млённым и рассеянным солнечным светом тысячи снежных тел. Есть бо­лее прозрачные участки, например кольцо С или деление Кассини; сум­марная площадь частиц в них не превышает нескольких процентов от площади поверхности кольца.

Если приподняться над плос­костью колец, то можно увидеть бесконечное снежное поле. Внутри него возвышается гигантское полушарие Сатурна, освещенное Солнцем. Ос­новная часть системы сатурнианских колец имеет ширину 60 тыс. километ­ров (на этом поле уместятся сотни та­ких планет, как Земля). Но вот равно­мерная гладкость колец нарушается и они изгибаются волнами высотой в несколько сот метров. Это результат гравитационного влияния спутника. Когда Солнце стоит низко над плос­костью колец, лучи его падают на вер­хушки этих колоссальных «гор», а «долины» остаются в тени. Подобную картину запечатлели «Вояджеры» во время своего пролёта возле Сатурна. Именно так скользили солнечные лу­чи по поверхности колец в 1995 г., когда кольца Сатурна земляне видели с ребра.

В соответствии с законами Кепле­ра частицы на разных радиусах кольца движутся с различными скоростя­ми: чем ближе к планете, тем быстрее. В наиболее плотном кольце есть об­ласть, где частицы обращаются с пе­риодом 10,5 ч, т. е. с той же угловой скоростью, с какой вращается Са­турн. Это значит, что относительно поверхности планеты они остаются неподвижными. Подобным образом «висят» над Землёй геостационарные спутники, ретранслирующие теле- и радиосигналы наземных станций, - их период обращения равен 24 ч.

Благодаря этой особенности вра­щения внутри кольца В наблюдают­ся «спицы» - вытянутые по радиусу облака мелкой пыли, которые дейст­вительно напоминают спицы колеса. Появление их связано с тем, что мел­кие снежные пылинки колец получа­ют небольшой электрический заряд под воздействием солнечного ветра. Естественно, они реагируют на маг­нитное поле Сатурна. В кольце В эти пылинки обладают относительно ли­ний магнитного поля планеты самой малой скоростью, поэтому они могут образовывать «спицы» внушительных размеров - десятки тысяч километ­ров в длину; иначе из-за кеплеровско-го движения они должны были бы распадаться.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ КОЛЕЦ

Долгое время считалось, что к Сатурну приблизился неосторож­ный спутник и был разорван его приливными силами «в клочки». Но данные «Вояджеров» опровергли это распространённое мне­ние. Сейчас установлено, что кольиа Сатурна (и других планет то­же) представляют собой остатки огромного околопланетного об­лака протяжённостью во многие миллионы километров.

Из внешних областей этого облака сформировались спутни­ки, а во внутренней образование спутников было «запрещено». Так как скорости взаимных соударений растут при приближении к планете, возле каждой планеты имеется область, где частицы, достигнув определённых размеров, начинают разваливаться от взаимных столкновений. Миллиарды лет соударений - и 10-метровые частицы дошли до такого рыхлого состояния, что рассы­паются от малейшего толчка на скорости миллиметр в секунду! Любая крупная частица за несколько дней или недель проходит полный цикл от разрушения до восстановления.

Эта взаимная конкуренция, не даюшая образоваться круп­ным спутникам, ослабевает по мере удаления от планеты, и на некотором расстоянии часть вещества превращается в спутни­ки, а часть всё ешё пребывает в раздробленном состоянии - в виде кольца. Кстати, кольца за время своего существования сде­лали уже триллион оборотов - гораздо больше, чем спутники или планеты по своим орбитам. Суммарная масса ледяных ко­лец Сатурна сравнима с массой его спутника Мимаса, радиус которого 200 км.

Почему кольца плоские? Их сплющивание - это результат противоборства двух основных сил: гравитационной и центро­бежной. Гравитационное притяжение стремится сжать систему со всех сторон, а вращение препятствует сжатию поперёк оси вращения, но не может помешать её сплющиванию вдоль оси. Та­ково происхождение различных космических дисков, включая планетные кольца.

СПУТНИКИ

К 1995 г. у Сатурна было известно 22 спутника, которые названы в честь героев античных мифов о титанах и гигантах. Почти все эти космические тела светлые и состоят преимущест­венно из водяного льда. Их плотность 1200-1400 кг/мЗ (за исключением Титана). У наиболее крупных спутников формируется внутреннее каменистое ядро.

Большинство спутников, кроме Гипериона и Фебы, имеет синхронное собственное вращение - они повёрнуты к Сатурну всегда одной стороной (как Луна по отношению к Земле). Информации о вращении самых мелких спутников нет. Сделаем краткий обзор спутников Сатурна, начиная с ближайших к планете.

На внешнем краю колец Сатурна с помощью межпланетных аппаратов и космических телескопов обнаружено десять маленьких (диаметрами 10-100 км) ледяных спутников. Два из них - Прометей и Пандора (радиусы орбит - 139 и 142 тыс. километров) - как бы "стерегут" узкое кольцо, расположенное между ними. Эти спутники-"пастухи", вызывая у него сильное возмущение, создают иллюзию переплетённого в косичку кольца. Два других - Янус и Эпиметий - находятся практически на одной орбите радиусом 151 тыс. километров. Они "танцуют" на орбите, периодически меняясь местами (то один, то другой спутник приближается к планете).

Мимас был открыт У. Гершелем в 1789 г. (вместе с другим спутником - Энцеладом). Он имеет сферическую форму. Огромный кратер, названный Гершель, шириной 130 км достигает 1/3 диаметра самого спутника (400 км). Очевидно, это след от падения гигантского метеорита. Тело несколько большего размера могло просто расколоть спутник на части. Радиус орбиты Мимаса 185.5 тыс. километров.

Энцелад (диаметр 500 км, радиус орбиты 238 тыс. км) отражает практически 100% падающего на него свет. Это самое светлое тело Солнечной системы, вероятно, покрытое тонким сплошным слом молодого инея. Энцелад - наиболее геологически активный спутник Сатурна. На нём могут быть водные вулканы (гейзеры), которые обновляют иней на поверхности и служат источником вещества для разреженного пылевого кольца вдоль орбиты спутника. Энергетический источник вулканической и геологической активногсти Энцелада неизвестен.

Тефия (диаметр 1050 км, радиус орбиты 295 тыс. км) примечательна кратером Одиссей шириной 400 км (2/5 диаметра спутника) и гигантским каньоном Итака, протянувшимся на 3 тыс. км. Это единственный спутник в Солнечной системе, имеющий два маленьких (размером 20 км) коорбитальных спутника - Телесто и Калипсо, расположенных на 60^o впереди и позади Тефии - в так называемых точках Лагранжа. Три спутника на одной орбите! Аналогом может служить только Юпитер, который подобным образом "пасёт" на своей орбите два скопления астероидов. Тефия открыта вместе с Дионой в 1684 г. Джованни Доменико Кассини.

Диона (диаметр 1120 км, радиус орбиты 377 тыс. км) похожа на Тефию и имеет маленький коорбитальный спутник Елену на 60^o впереди себя. Был ли, а есби был, то куда делся второй коорбитальный спутник на 60^o позади - неизвестно.

Рея (диаметр 1530 км, радиус орбиты 527 тыс. км) - густократерированное тело, второй по размерам (после Титана) спутникСатурна. Рея менее геологически активна, чем Диона, на поверхности которой заметны деформации коры. Открыта ДЖ .Д. Кассини в 1621 г.

Титан - самый крупный спутник Сатурна - весит в 20 раз больше всех остальных спутников, вместе взятых. Это второй по величине (после Ганимеда) спутник планеты в Солнечной системе: его диаметр 5150 км - больше, чем у Меркурия. Радиус его орбиты 1,222 млн километров. Открыт в 1655 г. Х. Гюйгенсом.

Плотность Титана - 1880 кг/м³/ Его внутреннее строение похоже на строение юпитерианских спутников Ганимеда и Каллисто, т. е. у него есть каменистое ядро и ледяная мантия. Из-за более низкой, чем у спутников Юпитера, температуры, при которой проходило его образование, Титан может содержать кроме водяного льда и другие, более летучие льды - аммиачный и метановый.

Уникальность Титана в том, что он обладает мощной атмосферой с гус­той аэрозольной дымкой и облаками. Это единственный спутник в Солнеч­ной системе, поверхность которого недоступна для наблюдений обычны­ми оптическими средствами. Цвет Титана - красно-коричневый, с се­зонными изменениями. Состав атмосферы - азот с примесью метана и, возможно, аргона; давление на по­верхности 1,6 атмосферы.

Теоретические модели позволяют говорить о существовании поверх­ностного этано-метанового океана глубиной до нескольких километров с температурой -180 °С Поэтому, как шутливо заметил один американ­ский учёный, «шансы поймать рыбу в океанах Титана ничтожны».

Наличие мощной, 200-километ­ровой атмосферы и поверхностно­го океана жидких углеводородов на Титане кажется фантастикой. От­крыт новый мир, практически целая планета со своими, пока ещё мало изученными свойствами и законами. Метеорология Титана очень инте­ресна: несколько слоев облаков, ат­мосферные течения, дожди из жид­кого метана. Учёные кропотливо исследуют сложнейшие химические взаимоотношения водных, метано­вых, аммиачных и азотных составля­ющих атмосферы, океана и твёрдо­го вещества. Есть ли там суша? Как шумит этановый прибой в ледяных скалах? Часто ли на Титане гремят грозы? Какая сложная органика об­разовалась после миллиарда лет эво­люции холодного океана углеводо­родов? На эти вопросы пока нет ответов.

Гиперион - тёмный спутник неправильной формы (330x240x200 км) с хаотическим собственным вращением, период которого меняется на десятки процентов в течение нескольких недель. Он связан с Титаном резонансом 4 : 3 (на четыре оборота вокруг Сатурна, совершаемые Титаном, приходится три орбитальных оборота Гипериона). Радиус его орбиты 1,481 млн километров. Спутник был обнаружен в 1848 г. американскими астрономами Джорджем Бондом и Уильямом Бондом и независимо от них - англичанином Уильямом Ласселлом.

Япет (диаметр 1440 км, радиус орбиты 3,561 млн километров) примечателен резкой асимметрией яркости полушарий - в десять раз! Учёные связывают сильное почернение передней (по ходу движения) стороны Япета с бомбардировкой мелкой пылью от внешнего спутника - Фебы. Япет обладает сильнократерированной поверхностью. Открыт Дж. Д. Кассини в 1671 г.

Феба - самый тёмный и далёкий (12,95 млн километров) спутник Са- I турна, вращается вокруг планеты в об­ратном направлении. Диаметр этого почти шарообразного спутника - 1 220 км. Феба делает один оборот во­круг Сатурна за 1,5 года. Обратим вни­мание: у двух соседних планет - Са­турна и Юпитера - на внешних границах их спутниковых систем рас­полагаются обратные спутники, что указывает на сходство происхождения этих загадочных объектов. Открыта Феба в 1898 г. американским астроно­мом Уильямом Пикерингом.

Учёные считают, что у Сатурна есть ещё не открытые маленькие спутники, в том числе и на самом краю его спутниковой империи.

PomaH )WhiteNoise( rkabanov@yandex.ru