Сатурн (работа 3)

Сатурн

Краткие сведения

Радиус = 60 268 км

Масса = 5,685 х 1023 тонн

Плотность = 0,69 г/см3

Сутки = 10 часов 11 минут

Угол орбиты = 26,73°

Температура = - 150° С

Общие сведения

В античной мифологии Сатурн был божественным отцом Юпитера. Сатурн был богом Времени и Судьбы. Как известно, Юпитер в своем мифическом обличии пошел дальше отца. В Солнечной системе Сатурну отведена также вторая роль среди планет. Сатурн второй как по массе, так и по размерам. Однако он позади многих и многих тел околосолнечного пространства по плотности: она у Сатурна меньше плотности воды (около 700 кг на кубический метр). Известна одна романтическая иллюстрация этого обстоятельства: если бы было возможно где-то создать гигантский водный океан, то Сатурн мог бы в нем плавать

Сатурн, не желая смиряться с отставанием от Юпитера, обзавелся большим числом спутников и, главное, великолепным кольцом, благодаря которому шестая планета серьезно оспаривает первое место в номинации Великолепие. Многие астрономические книги на обложках своих предпочитают иметь именно Сатурн, а не Юпитер. Случайный прохожий наверняка знает о кольцах Сатурна и может ничего не вспомнить о Большом Красном Пятне или Галилеевых спутниках

Сатурн может достигать отрицательной звездной величины в период противостояния планеты. В тот момент, когда пишутся эти строки, Сатурн находится вблизи противостояния 6-го ноября 1999-го года. В эти дни его блеск составил -0,22. В небольшие инструменты легко разглядеть диск и кольцо, если оно хоть чуть развернуто к Земле. Кольцо из-за движения планеты по орбите меняет свою ориентацию по отношению к Земле. Когда плоскость кольца пересекает Землю, даже в средние телескопы рассмотреть его не получается: оно очень тонкое. Последний раз такое происходило летом 1995-го года. После этого кольцо все больше и больше разворачивается к нам, а Сатурн, соответственно становится все ярче и ярче в каждое следующее противостояние. В первый год уже недалекого третьего тысячелетия в день противостояния 3-го декабря Сатурн разгорится до -0,45-й звездной величины. В этот год кольца максимально развернутся к Земле. Не слишком тяжело заметить также и Титан - самый большой спутник планеты, он имеет блеск порядка 8,5-й звездной величины. Из-за малой контрастности, облака Сатурна рассмотреть труднее, чем облачные полосы на Юпитере. Зато легко заметить сжатие планеты у полюсов, которое достигает 1:10

У Сатурна побывало 3 космических аппарата. Эти же АМС предварительно посетили Юпитер: "Пионер 11" и оба "Вояджера"

История открытий

Сатурн был замечен людьми, видимо, позднее таких ярких планет, как Юпитер, Марс и Венера. Но в древней Греции о нем уже знали. Его считали самым далекой из известных планет, то есть не ошибались

Визуальные наблюдения без телескопов не могли привести к серьезным открытиям. И, возможно, Вы уже привыкли к тому, что первенство в астрономических открытиях принадлежит Галилео Галилею, человеку, который первый направил на небо телескоп

Зрительная труба ученого была настолько несовершенна, что не давала достаточно четкого изображения. Это не позволило итальянцу рассмотреть кольцо Сатурна. Но по бокам от диска планеты Галилей видел неясные придатки. Он посчитал их спутниками Сатурна, по аналогии с уже открытыми им спутниками Юпитера. Однако Галилей не был авантюристом. Расплывчатый вид наблюдавшихся им объектов не позволял ему утверждать об открытии наверняка. Чтобы закрепить за собой первенство и в то же время не попасть в неловкое положение ошибившегося, Галилей прибегнул к модному в то время жесту: об открытии, правильность и достоверность которого вызывали сомнения, сообщалось в краткой шифровке, сложной для толкования всем, кроме автора. Если открытие подтверждалось дальнейшими исследованиями, сообщение об открытии расшифровывалось, и весь мир видел, кто же был первый. Галилей в 1610-м году опубликовал такую анаграмму:

Smaismrmielmepoetaleumibuvnenugttaviras

Если бы нашлась умная голова, которая смогла бы переставить буквы в этой нелепице должным образом, то открытие Галилея можно было бы прочесть на латыни, языке бывшем тогда в ходу среди ученых умов. Число вариантов различных перестановок безумно велико (35-значное число), поэтому вероятность того, что подобное сообщение будет прочитано общественностью верно, ничтожна мала. Но Иоганн Кеплер решился-таки на попытку, достойную восхищенья. Выбросив из всего набора пару букв (иногда в анаграммы добавлялись и лишние символы, для большей путаницы), он составил фразу, в переводе означавшую: "Привет вам, близнецы, Марса порождение" (Salve, umbistineum geminatum Martia proles). Иначе говоря, получалось, что Галилей открыл 2 спутника Марса. Кеплер, ища во всем гармонию, сам считал, что их у Марса должно быть именно 2. Ну посудите сами: у Земли - 1 спутник, у Юпитера (как тогда считалось) - 4. Сколько же должно быть спутников у планеты, находящейся между Землею и Юпитером? Конечно же два! Обычная геометрическая прогрессия

Великий труд Кеплера пропал даром. Галилео Галилей расшифровал свое послание миру позднее, также исключив две буквы:

Altissimum planetam tergeminum observavi

("Высочайшую планету тройную наблюдал"). "Высочайшую" значит "самую далекую". Но через несколько лет спутники пропали (догадайтесь, почему). Галилей усомнился в своем собственном открытии. И его, как такового, все же не произошло. Оно состоялось позднее, и прежде чем о нем рассказать, оговорим, что история об этих анаграммах была вычитана в книге Б.А. Воронцова-Вельяминова "Очерки о Вселенной". Книга и впрямь замечательная

Гюйгенс через много лет после невыразительных попыток Галилея во весь голос сообщил:

Aaaaaaa, ccccc, d, eeeee, g, h, iiiiiii, llll, mm, nnnnnnnnn, oooo, pp, q, s, ttttt, uuuuu

Через три года голландский ученый поверил в себя и расшифровал свое открытие:

Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato, что означало: "кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным". Это произошло в 1658-м году. В год опубликования анаграммы Христиан Гюйгенс открывает также и самый большой спутник Сатурна - Титан

В 18-м веке Вильям Гершель сумел измерить период вращения планеты вокруг своей оси (10 с четвертью часа). Сделать это было не так просто из-за того, что детали на диске Сатурна различимы гораздо хуже, чем у Юпитера

В середине 20-го века была измерена температура верхних облаков Сатурна: около 100 К

Наконец, в 1979-м году к Сатурну подлетел "Пионер 11", пионер в прямом смысле слова. Он обнаружил магнитосферу планеты, показал тонкую структуру ее кольца

"Вояджеры" (1 и 2) посетили Сатурн с разницей во времени в девять месяцев в ноябре 1980-го и в августе 1981-го годов

Эти три встречи с Сатурном пополнили наши знания и углубили понимание всего, что касается планеты и ее системы. Расширенные наблюдения с небольшого расстояния позволили получить самые качественные изображения Сатурна, его колец и спутников. Некоторые из последних были открыты "Вояджерами". Многое из того, что мы знаем о Сатурне - итог двух исследований "Вояджеров"

В 2004-м году к Сатурну должен подлететь космический аппарат "Кассини", работа которого рассчитана на 4 года. "Кассини" в пути уже с конца 1997-го года. В 1999-м году Кассини вернулся к Земле от... Венеры, совершил, пользуясь гравитацией нашей планеты, необходимый маневр и направился к... Юпитеру, чтобы получить от него последний гравитационный "толчок" в сторону самого Сатурна. Это случилось в декабре 2000-го года

Строение планеты

Атмосфера Сатурна - в основном, водород и гелий. Но из-за особенности образования планеты большая, нежели на Юпитере, часть Сатурна приходится на другие вещества. "Вояджер 1" выяснил, что около 7 процентов объема верхней атмосферы Сатурна - гелий (по сравнению с 11-ю процентами в атмосфере Юпитера), в то время как почти все остальное - водород

Невысокая контрастность цветов на видимом диске Сатурна могла бы быть результатом более сильного смешивания газов в направлении, перпендикулярном экватору, чего не наблюдается в атмосфере Юпитера, на котором полосы облаков различимы даже в 65-мм зрительную трубу с увеличением лишь 60 крат. Такая особенность в атмосфере Сатурна, видимо, связана с особенностями ветров на нем

Ветра на Сатурне очень сильны. Вблизи экватора, "Вояджеры" измерили их скорость: около 500 метров в секунду. Ветра дуют, по большей части, в восточном направлении (напомним, что, как и большинство планет, Сатурн вращается с запада на восток). Сила ветров ослабевает при удалении от экватора. Также, при удалении от экватора, появляется все больше западных течений. Преобладание восточных потоков (по направлению осевого вращения) указывает на то, что ветры не ограничены слоем верхних облаков, они должны распространяться внутрь, по крайней мере, на 2 000 километров. Кроме того, измерения "Вояджера 2" показали, что ветра в южном и северном полушариях симметричны относительно экватора. Есть предположение, что симметричные потоки как-то связаны под слоем видимой атмосферы

Когда "Вояджер 2" был по отношению к Земле за Сатурном, радиолуч прошел через верхнюю атмосферу, позволив измерить ее температуру и плотность. Минимальная температура на Сатурне - 82 Кельвина. Температура возрастает при погружении в атмосферу

"Вояджеры" обнаружили ультрафиолетовое излучение водорода в атмосфере средних широт и полярные сияния на широтах выше 65 градусов. Подобная активность может привести к образованию сложных углеводородных молекул. Полярные сияния средних широт, которые происходят только в освещенных Солнцем областях, возникают по тем же причинам, что и полярные сияния на Земле. Разница лишь в том, что на нашей планете это явление присуще, в значительной части, более высоким широтам.

Сравнение Сатурна и Юпитера

У Сатурна, как и у Юпитера, имеется очень плотная атмосфера. На верхней границе его облачного покрова, заметно мало деталей и контраст их с окружающим фоном невелик. Этим Сатурн отличается от Юпитера, где присутствует множество контрастных деталей в виде темных и светлых полос, волн, узелков, свидетельствующих о значительной активности его атмосферы.

Установлено, что скорости ветров на Сатурне даже выше, чем на Юпитере: на экваторе 1700 км/ч. Число облачных поясов больше, чем на Юпитере, и достигают они более высоких широт. Таким образом, снимки облачности демонстрируют своеобразие атмосферы Сатурна, которая даже активнее юпитерианской. Метеорологические явления на Сатурне происходят при более низкой температуре, нежели в земной атмосфере. Температура планеты на уровне верхней границы облачного покрова, где давление равно 0,1 атм., составляет всего -188о С. Интересно, что за счет нагревания одним Солнцем даже такой температуры получить нельзя. Расчет показывает: в недрах Сатурна имеется свой собственный источник тепла, поток от которого в 2,5 раза больше, чем от Солнца. Сумма этих двух потоков и дает наблюдаемую температуру планеты.

Космические аппараты подробно исследовали химический состав надоблачной атмосферы Сатурна. В основном она состоит почти на 89% из водорода. На втором месте гелий - около 11% . Отметим, что в атмосфере Юпитера его 19%. Дефицит гелия на Сатурне объясняют гравитационным разделением гелия и водорода в недрах планеты: гелий, который тяжелее, постепенно оседает на большие глубины. Другие газы в атмосфере - метан, аммиак, этан, ацетилен, фосфин - присутствуют в малых количествах. Метан при столь низкой температуре находится в основном в капельно-жидком состоянии. Он образует облачный покров Сатурна. Что касается малого контраста деталей, видимых в атмосфере Сатурна, то причины этого явления пока еще не вполне ясны. Было высказано предположение, что в атмосфере взвешена ослабляющая контраст дымка из мельчайших твердых частиц. Но наблюдения "Вояджера-2" опровергают это: темные полосы на поверхности планеты оставались резкими и ясными до самого края диска Сатурна, тогда как при наличии дымки они бы к краям замутнялись из-за большого количества частиц перед ними.

По своему внутреннему строению Сатурн схож с Юпитером. Предполагается, что оболочка планеты состоит из жидкого водорода, который по мере продвижения к центру планеты переходит из жидкого в металлическое состояние. В центре планеты располагается железокремниевое ядро, с примесью льдов из метана, аммиака и воды.

Физические параметры

Температура в средних слоях атмосферы (преимущественно водородной, хотя и предполагается присутствие небольшого количества гелия, аммиака и метана) около 100 К.

По внутреннему строению и составу Сатурн сильно напоминает Юпитер. В частности, на Сатурне в экваториальной области также существует Красное Пятно, хотя оно и меньших размеров, чем на Юпитере.

На две трети Сатурн состоит из водорода. На глубине, примерно равной R/2, то есть половине радиуса планеты, водород при давлении около 300 ГПа переходит в металлическую фазу. По мере дальнейшего увеличения глубины, начиная с R/3, возрастает доля соединений водорода и оксидов. В центре планеты (в области ядра) температура порядка 20000 К.

Движение, размеры, форма

Эллиптическая орбита Сатурна имеет эксцентриситет 0,0556 и средний радиус 9,539 а.е. (1427 млн. км). Максимальное и минимальное расстояния от Солнца равны приблизительно 10 и 9 а.е. Расстояния от Земли меняются от 1,2 до 1,6 млрд. км. Наклон орбиты планеты к плоскости эклиптики 2°29,4'. Угол между плоскостями экватора и орбиты достигает 26°44'. Сатурн движется по своей орбите со средней скоростью 2,64 км/с; период обращения вокруг Солнца составляет 29,46 земных лет.

Планета не имеет четкой твердой поверхности, оптические наблюдения затрудняются непрозрачностью атмосферы. Для экваториального и полярного радиусов приняты значения 60 тыс. км и 53,5 тыс. км. Средний радиус Сатурна в 9,1 раз больше, чем у Земли. На земном небе Сатурн выглядит как желтоватая звезда, блеск которой меняется от нулевой до первой звездной величины. Масса Сатурна составляет 5,68 o 1026 кг, что в 95,1 раз превосходит массу Земли; при этом средняя плотность Сатурна, равная 0,68 г/см3, почти на порядок меньше, чем плотность Земли. Ускорение свободного падения у поверхности Сатурна на экваторе равно 9,06 м/с2.

Поверхность Сатурна (облачный слой), как и Юпитера, не вращается как единое целое. Тропические области в атмосфере Сатурна обращаются с периодом 10 ч 14 мин земного времени, а на умеренных широтах этот период на 26 мин больше.

Магнитосфера

Магнитосфера Сатурна, как и у других планет, определяется внешним давлением солнечного ветра. Когда "Вояджер 2" вошел в магнитосферу планеты, давление солнечного ветра было высоким, и магнитосфера протянулась лишь на 19 радиусов Сатурна (1,1 миллиона километров) в направлении Солнца. Позже, когда "Вояджер" покидал Сатурн, ветер Солнца ослаб, и магнитосфера Сатурна должна была увеличиться на 70%

В отличие от всех других планет, чьи магнитные поля были измерены, поле Сатурна ориентировано так, что ось его симметрии совпадает с осью вращения планеты вокруг оси. Это редкое явление в Солнечной стистеме было открыто еще "Пионером 11" в 1979-м году, и было подтверждено "Вояджерами"

В пределах магнитосферы Сатурна были определены отличающиеся друг от друга пояса. Они разнятся набором частиц, которые удерживаются в этих поясах, и их энергией. Частицы эти поставляются как Солнцем, так и спутниками планеты

Магнитосфера Сатурна излучает радиошумы, зафиксированные "Вояджером 1". Интересно, что когда магнитосферу изучал "Вояджер 2", шумы претерпели изменения и значительно ослабли. Возможно, это связано с сезонными изменениями, активностью Солнца, однако, в тот момент Сатурн также вошел в магнитосферу Юпитера, как известно, раздувающуюся, порою, до таких пределов. И хотя влияние поля Юпитера на таком расстоянии мало, возможно, и он все-таки причастен к изменениям в магнитосфере Сатурна.

Список литературы

Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа