Планета Сатурн

Сатурн – друга планета – велетень і шоста числом планета в Сонячній системі. Майже у всьому подібна до Юпітера, вона обертається навколо Сонця з періодом 29,5 земних років на відстані близько 9,5 а.о. Зоряна доба на Сатурні триває 10 год. 45 хв. Через швидке обертання він сплюснутий біля полюсів: полярний радіус планети менший від екваторіального. Періоди його обертання у різних широтах не однакові. Маса Сатурна в 95 разів більше за масу Землі, а сила тяжіння в 1,12 рази більша за земну.

Сатурн має на диво низьку густину, нижчу за густину води – лише 0,7 г/см3. І якби знайшовся такий велетенський океан з води, куди можна було б занурити Сатурн, він би не потонув. Така маленька густина свідчить про те, що, як і решта планет – гігантів, Сатурн переважно складається з водню і гелію.

Оскільки Сатурн знаходиться в 9,5 разів далі від Сонця, ніж Земля, то на одиницю площі він отримує в 90 разів менше тепла ніж вона. Згідно з рахунками температура зовнішнього шару хмарового покриву повинна становити 80К, насправді температура атмосфери планети дорівнює 90К. Отже, Сатурн, як і Юпітер, перебуває в стані повільного стискання. На диску жовтуватого кольору окремі деталі верхніх шарів атмосфери Сатурна проявляються значно слабкіше, ніж у Юпітері.

Та все ж при екваторіальні темні смуги видно досить добре. Помітно також, що приполярні зони здаються злегка зменшуватими. Окрім, того, час від часу з'являються світлі й темні плями, завдяки яким і було визначено період обертання Сатурна. У верхніх шарах хмарового покриву спостерігаються сильні вітри, швидкість яких в екваторіальній зоні досягає 110 м/с.

Сатурн як і Юпітер, має магнітне поле, радіаційні пояси, і є джерелом радіовипромінювання.

Серед планет-гігантів Сатурн – найцікавіша планета в Сонячній системі.

Широке, цілком плоске кільце оточує екватор планети, як капелюх його криси. Воно розміщене похило до того кола по якому Сатурн обходить Сонце за 29,5 року. Через те залежно від положення Сатурна на його шляху кільце повертається до нас то одним боком, то другим. Кожні 15 років воно стає до нас ребром, і тоді його не можна розглядіти навіть у найпотужніші телескопи, а це значить що кільце дуже тонке і його товщина не перевищує 10-15 км.

Знаменитий астроном Галілей у 1610 році виявив, що Сатурн чимось оточений. Але його телескоп був надто слабкий, і через те Галілей не зміг розібрати, що він бачить навколо Сатурна. Тільки через півстоліття голландському вченому Гюйгенсу вдалося розглядіти, що це насправді плоске кільце, яке оточує планету, і ніде до неї не доторкається. Вивчення Сатурна за допомогою досконаліших телескопів показало, що кільце розпадається на три частини, які утворюють немов три незалежних кільця, вкладених одне в одне. Зовнішнє кільце відокремлюється від середнього темним проміжком – вузькою чорною щілиною. Середнє кільце яскравіше від зовнішнього. З середини до нього щільно підходить напівпрозоре, немов тумани – третє кільце. Що є являють собою ці цікаві кільця? Може, це справді тверді маленькі площадки? Ні, це не так. Видатні вчені – англійський фізик Максвелл і російська жінка-математик С.В. Ковалевська своїми розрахунками довели, що суцільне і тверде кільце такого розміру існувати не може: воно було б миттю зруйноване внаслідок відмінності в силі притягання для різних його частин. Видатний російський астрофізик А.А. Бєлопольський пильними спостереженнями Сатурна підтвердив, що кільце справді не суцільне. Виявилось, що швидкість рухів різних частинок кільця різна. Це значить, що кільця складаються з дрібних уламків, кожний з яких обертається накоїло Сатурна з такою швидкістю, яку мав би супутник планети, що перебуває на такій самій віддалі.

Кожний такий уламок – ніби незалежний супутник, що сам по собі обертається навколо Сатурна.

Кільця Сатурна мають складну структуру. „Вояжер-1” і „Вояжер-2”, які пролетіли повз Сатурн у 1980-1981 рр., передали на Землю зображення кілець з близької відстані. На фотографії видно, що кільця Сатурна складаються з сотень окремих вузьких кілець, розділених такими ж вузькими проміжками. Самі ж кільця складаються з окремих часток водяного крихкого снігу розміром від дрібних пилинок до брил у 10-15 м завбільшки, які добре відбивають сонячне світло. Ширина кілець разом із найвіддаленішим дуже слабким кільцем, становить 65000 км, а товщина не перевищує 1 км.

Окрім кілець, Сатурн має 30 відомих на сьогодні супутників. Найбільший супутник Сатурна, Титан, має потужну непрозору атмосферу товщиною до 200 км. Вона складається з азоту з домішками метану і водню. Але всі вони далеко менші від Титану. Сатурн багато в чому нагадує свого Сократа – Юпітера.Із Землі в телескоп добре видні три кільця: зовнішнє, середньої яскравості кільце А; середнє, найбільш яскраве кільце В в внутрішнє, неяскраве напівпрозоре кільце З, що іноді називаєтьсякреповим. Кільця ледве більше жовтуватого диска Сатурна. Розташовано вони в площині екватора планети і дуже тонкі: при загальній ширині в радіальному напрямку приблизно 60 тис.км. вони мають товщину менш 3 км. Спектроскопічно було встановлено, що кільця обертаються нетак, як тверде тіло, - з відстанню від Сатурна швидкість убуває. Більш того, кожна крапка кілець має таку швидкість, яку мав би на цій відстані супутник, що вільно рухається навколо Сатурна по круговій орбіті. Звідси ясно: кільця Сатурна власне кажучи являють собою колосальне скупчення дрібних твердих часток, що самостійно звертаються навколо планети. Розміри часток настільки малі, що їх не видно не тільки в земні телескопи, але і з борта космічних апаратів. Характерна риса будівлі кілець - темні кільцеві проміжки (розподілу), де речовини дуже мало. Саме широке з них (3500 км) відокремлює кільце У від кільця А и називається "розподілом Кассіні" на честь астронома, що вперше побачив його в 1675 році. При винятково гарних атмосферних умовах таких розподілів із Землі видно понад десять.Природа їх, очевидно, резонансна. Так, розподіл Кассіні - це область орбіт, у якій період звертання кожної частки навколо Сатурна рівно вдвічі менше, ніж у найближчого великого супутника Сатурна - Мімаса. Через такий збігМимас своїм притяганням як би розгойдує частки, що рухаються усередині розподілу, і і зрештою викидає їх відтіля. Бортові камери "Вояджеров" показали, що з близької відстані кільця Сатурна схожі на грамофонну пластинку: вони як би розшаровані на тисячі окремих вузьких колечок з темними прогалинами між ними. Прогалин так багато, що пояснити їх резонансами з періодами звертання супутників Сатурна вже неможливо. Чим же порозумівається ця тонка структура? Імовірно, рівномірний розподіл часток по площині кілець механічно хитливо. Унаслідок цьоговиникають кругові хвилі щільності - це і є тонка структура, що спостерігається. Крім кілець А,В и С "Вояджери" знайшли ще чотири: D,E,Fі G. Усі вони дуже розріджені і тому неярки. Кільця D і E із працею видні з Землі при особливо сприятливих умовах; кільця F і G виявлені вперше. Порядок позначення кілець порозумівається історичними причинами, тому він не збігається з алфавітним. Якщо розташувати кільця в міру їхнього видалення від Сатурна, то ми одержимо ряд: D,C,B,A,F,G,E. Особливий інтерес і велику дискусію викликало кільце F. До сожале- нию, вивести остаточне судження про цей об'єкт поки не удалося, тому що спостереження двох "Вояджеров" не погодяться між з- бій. Бортові камери "Вояджера-1" показали, що кільце F складається з декількох колечок загальною шириною 60 км., причому два з них перевиті один з одним, як шнурок. Якийсь час панувало мнение, що відповідальність за цю незвичайну конфігурацію несуть два невеликих нововідкритих супутники, що рухаються безпосередньо поблизу кільця F, - один із внутрішнього краю, іншої - у зовнішнього (ледвеповільніше першого, тому що він далі від Сатурна). Притягання цих супутників не дає крайнім часткам іти далеко від його середини, тобто супутники як би "пасуть" частки, за що й одержали назва "пастухів". Вони ж, як показали розрахунки, викликають рух часток по хвилястій лінії, що і створює переплетення компонентів, що спостерігаються, кільця. Але "Вояджер-2", що пройшов біля Сатурна дев'ятьма місяцями пізніше, не знайшов у кільці F ні переплетень, ні яких-небудь інших перекручувань форми, - зокрема, і в безпосередній близькості від "пастухів". Таким чином, форма кільця виявилася мінливою. Для судження про причини і закономірності цієї мінливості двох спостережень, звичайно, мало. З Землі ж спостерігати кільце F сучасними засобами неможливо - яскравість його занадто мала. Залишається сподіватися, що більш ретельне дослідження отриманих "Вояджерами" знімків кільця проллє світло на цю проблему. Кільце D - найближче до планети. Видимо, вонопростирається до самої хмарної кулі Сатурна. Кільце E - самезовнішнє. Украй раз- виряджене, воно в той же час найбільш широке зусіх - близько 90 тис. км. Величина зони, що воно займає, від 3,5до 5 радіусів плані- ти. Густина речовини в кільці E зростає внапрямку до орбіти супутника СатурнаЕнцелада. Можливо, Енцелад- джерело речовини цього кільця. Частки кілець Сатурна, імовірно, крижані, покриті зверху ине- їм. Це було відоме ще з наземних спостережень, і бортові прилади космічних апаратів лише підтвердили правильність такого висновку. Розміри часток головних кілець оцінювалися з наземних спостереженьу межах від сантиметрівдо метрів (природно, частки не можуть бути однаковими по величині: не виключається також, що в різних кільцях типовий поперечник часток різний). Коли "Вояджер-1" проходив поблизу Сатурна, радіопередавач космічногоапарата послідовно пронизував радиолучом не хвилі 3,6 див. кільце А, розподіл Кассини і кільце С. Потім радіовипромінювання було прийнято на Землі і піддалося аналізу. Удалося з'ясувати, що частки зазначених зон розсіюють радіохвилі переважно вперед, хоча і трохи по-різному. Завдяки цьому оцінили середній поперечник часток кільця А в 10 м, розподілу Кассіні - у 8 м і кільця З- у 2 м. Сильне розсіювання вперед, але цього разу у видимому світлі, виявлено в кілець F і E. Це означає наявність у них значної кількості дрібного пилу (поперечник порошини біля десятитисячних часткою міліметра). У кільці Взнайшли новий структурний елемент - радіальні утворення, що одержали назви "спиць" через зовнішню подібність зі спицями колеса. Вони також складаються з дрібного пилу і розташовані над площиною кільця. Не виключено, що "спиці" утримуються там силами електростатичного відштовхування.Цікаво відзначити: зображення "спиць" були знайдені на деяких замальовках Сатурна, зроблених ще в минулому столітті. Але тоді ніхто не додав їм значення. Досліджуючи кільця, "Вояджери" знайшли несподіваним ефект - численні короткочасні сплески радіовипромінювання, що надходить від кілець. Це не що інше, як сигнали від електростатичних розрядів - свого роду блискавки. Джерело електризації часток, очевидно, зіткнення між ними. Крім того6 була відкрита окутивающая кільця газоподібна атмос- фера з нейтрального атомарного водню. "Вояджерами" спостерігалася лінія Лайсан-альфа (1216 А) в ультрафіолетовій частині спектра. По її інтенсивності оцінили число атомів водню в кубічному сантиметрі атмосфери. Їх виявилося приблизно 600. Потрібно сказати, деякі вчені задовго до запуску до Сатурна космічних апаратів пророкували можливість існування атмосфери в кілець Сатурна. "Вояджерами" була також зроблена спроба вимірити масу кілець. Труднощіполягали в тому, що маса кілець принаймні в мільйон разів менше маси Сатурна. Через цього траєкторія рухукосмічного апарата поблизу Сатурна у величезному ступені визначається могутнім притяганням самої планети і лише мізерно обурюється слабким притяганням кілець. Тим часом саме слабке притягання і необхідно виявити. Найкраще для цієї мети підходила траєкторія "Піонера-11". Але аналіз вимірів траєкторії апарата по його радіовипромінюванню показав, що кільця ( у межах точності вимірів) на рух апарата не вплинули. Точність же склала 1,7 х 10 маси Сатурна. Іншими словами, маса кілець свідомо менше 1,7 мільйонних часток маси планети.Якщодо польотів космічних апаратів до Сатурна було відомо 10 супутників планети, те зараз ми знаємо17 (Земля і Всесвіт, 1981, N2, с. 40-45-Ред.). Нові сім супутників дуже малі, але тим не менш деякі з них впливають на динаміку системи Сатурна.Такий,наприклад, маленький супутник, що рухається в зовнішнього краю кільця А; він не дає часткам кільця виходити за межі цього краю. Це Атлас. (У грецькій міфології багатоокий велетень, що стерегет за наказом богині Гери кохану Зевса Іо. У переносом змісті - пильний страж). Титан є другим по величині супутником у Сонячної Систе- ме. Його радіус дорівнює 2575 кілометрів. Його маса складає 1,346 х 10 грумм (0,022 маси Землі), а середня щільність 1,881 г/см . Це єдиний супутник, що володіє значною атмосферою, причому його атмосфера щільніше, ніж у кожної з планет земної групи, крім Венери. Титан подібний Венері ще і тим, що в нього маються глобальний серпанок і навіть невеликий тепличний підігрів у поверхні. У його атмосфері, імовірно, маються метанові хмари, але це твердо не встановлено. Верхня атмосфера дуже близька до ізотермічного стану на всьому шляху від стратосфери до екзосфери, а температура на поверхні з точністю до декількох градусів однакова по всій сфері і дорівнює 94 ДО. Радіуси темно-жовтогарячих чи коричневих часток стратосферного аерозоля в основному не перевищують 0,1 мкм, а на великих глибинах можуть існувати більш великі частки. Передбачається, що аерозоли є кінцевим продуктом фотохімічних перетворень метану і що вони акумулюються на поверхні (чи розчиняються в рідкому чи метані етане). Вуглеводні, що спостерігаються, і органічні молекули можуть виникати при природних фотохімічних процесах. Дивноювластивістю верхньої атмосфери є УФ-емиссии, присвячені до денної сторони, але занадто яскраві, щобїх могла збудити сонячна енергія, що надходить. Водень швидко диссипирует, поповнюючи тор, що спостерігається, разом з деякою кількістю азоту, що вибивається при дисоціації N2 електронними ударами. На основі розщеплення температури, що спостерігається, можна побудувати глобальну систему вітрів. Глобальний склад Титана, очевидно, визначається тим набором конденсованих речовин, що утворилися в щільному газовому диску навколо прото-Сатурна. Існують три можливих сценарії походження: холодна аккреція,гаряча аккреция при відсутності щільної газової фази і гаряча аккреция в присутності щільної газової фази. Япет. Можливо, що самий таємничий із супутників Сатурна, Япет, є єдиним по інтервалі альбедо його поверхні - від 0,5 (типове значення для крижаних тіл) до 0,05 у центральних частинах його ведучого по ходу звертання півкулі. "Вояджером - 1" були отримані зображення з максимальним дозволом 50 км/пари ліній, що показують в основномупівкулю звернене до Сатурна, і границю між ведучою (темної) і відомої (світлої) сторонами. Було зареєстровановеличезне екваторіальне темне кільце діаметром близько 300 км із довготою центра близько 300 . Вояджеровські спостереження, отримані з найбільшим дозволом, показують, що світла сторона ( і особливо область північного полюса) сильно кратеризована: поверхнева щільність складає 205+16 кратерів ( D>30 км) на 10 км . Екстраполяція до діаметрів10 км приводить до щільності більш 2000 кратерів ( D>10 км) на 10 км . Така щільність порівнянна з щільностями на інших сильно кратеризованних тілах,таких, як Меркурій і Каллисто, чи з щільністю кратерів на місячних континентах. Характерною рисою границі між темною і світлою областями на Япете є існування численних кратерів з темним дном на світлій речовині і відсутність на темній речовині кратерів зі світлим чи дном кратерів з гало (чи інших білих плям). Щільність Япета, рівна 1,16+0,09г/см характерна для крижаних Супутників Сатурна і погодиться з моделями, у яких водяний лід є головної складовий. Белл вважає, що темна речовина є основним компонентом вихідного конденсату, з якого утворився Япет. Рея. Майже двійник Япета по розмірах, але без його темного вещес- тва, Рея може являти собою відносно простий прототип крижаного супутника зовнішніх областей Сонячної системи. Діаметр Реї 1530 км, а щільність 1,24+0,05 г/см . Її геометричне альбедо дорівнює 0,6 і виявляється подібним альбедо полюсів і відомої півкулі Япета.