КОСМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ВВЕДЕНИЕ

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.

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.

Сатурн может достигать отрицательной звездной величины в период противостояния планеты. 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. 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"

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Сатурн, наверное, наиболее красивая планета, если смотреть на нее в телескоп или изучать снимки «Вояджеров». Сказочные кольца Сатурна нельзя спутать ни с какими другими объектами Солнечной системы.

Планета известна с самых древних времен. Максимальная видимая звездная величина Сатурна +0,7m. Эта планета – один из самых ярких объектов на нашем звездном небе. Ее тусклый белый свет создал планете недобрую славу: рождение под знаком Сатурна издревле считалось плохим предзнаменованием.

Кольца Сатурна видимы с Земли в небольшой телескоп. Они состоят из тысяч и тысяч небольших твердых обломков камней и льда, которые вращаются вокруг планеты.

Период вращения вокруг оси – звездные сутки – составляет 10 часов 14 минут (на широтах до 30°). Так как Сатурн – не твердый шар, а состоит из газа и жидкости, то экваториальные его части быстрее вращаются, чем приполярные области: на полюсах один оборот совершается примерно на 26 минут медленнее. Средний период обращения вокруг оси – 10 часов 40 минут.

Сатурн имеет одну интересную особенность: он – единственная планета в Солнечной системе, чья плотность меньше плотности воды (700 кг на кубический метр). Если бы было возможно создать огромный океан, Сатурн смог бы в нем плавать!

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.

Всякий, кто наблюдал планеты в телескоп, знает, что на поверхности Сатурна, то есть 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.

"Вояджерам" удалось получить снимки облачного покрова Сатурна, на которых отчетливо запечатлена картина атмосферной циркуляции: десятки облачных поясов, простирающихся вдоль параллелей, а также отдельные вихри. Обнаружен, в частности, аналог Большого Красного Пятна Юпитера, хотя и меньших размеров. Установлено, что скорости ветров на Сатурне даже выше, чем на Юпитере: на экваторе 480 м/с, или 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. Поскольку Сатурн в 9,5 раз дальше от Солнца, чем Земля, он получает в 9,5 =90 раз меньше тепла. Температура планеты на уровне верхней границы облачного покрова, где давление равно 0,1 атм, составляет всего 85 К, или -188 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 основной она состоит почти на 89% из водорода. На втором месте гелий (около 11% по массе). Дефицит гелия на Сатурне объясняют гравитационным разделением гелия и водорода в недрах планеты: гелий, который тяжелее, постепенно оседает на большие глубины (что, кстати говоря, высвобождает часть энергии, "подогревающей" Сатурн). Другие газы в атмосфере - метан, аммиак, этан, ацетилен, фосфин - присутствуют в малых количествах. Метан при столь низкой температуре (около -188° С) находится в основном в капельно-жидком состоянии. Он образует облачный покров Сатурна.

На уровне вершины облачного покрова экваториальный радиус составляет 60330 км. или в 9,46 раза больше земного. Уточнен также период обращения Сатурна вокруг оси: один оборот он совершает за 10 ч. 39,4 мин - в 2,25 раза быстрее Земли. Столь быстрое вращение привело к тому, что сжатие Сатурна значительно больше, чем у Земли. Экваториальный радиус Сатурна на 10% больше полярного.

Поскольку Сатурн весьма сходен с Юпитером по своим физическим свойствам, астрономы предположили, что достаточно заметное магнитное поле есть и у него. Отсутствие же у Сатурна наблюдаемого с Земли магнитно-тормозного радиоизлучения объясняли влиянием колец.

ПАРАМЕТРЫ ПЛАНЕТЫ

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 60,27 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 5,6850∙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.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ

По внутреннему строению и составу Сатурн сильно напоминает Юпитер.

В глубине атмосферы Сатурна растут давление и температура, и водород постепенно переходит в жидкое состояние. Чёткой границы, отделяющей газообразный водород от жидкого, по-видимому, не существует. Это должно выглядеть как непрерывное кипение глобального водородного океана. На глубине около 30 тыс. км водород становится металлическим (а давление достигает около 3 миллионов атмосфер). Протоны и электроны в нём существуют раздельно и он является хорошим проводником электричества. Мощные электротоки, возникающие в слое металлического водорода, порождают магнитное поле Сатурна (гораздо менее мощное, чем у Юпитера).

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 находится массивное ядро (до 20 земных масс) из камня, железа и, возможно... льда (в области ядра) температура порядка 20000 К.

Откуда взяться льду в центре Сатурна, где температура около 20 тыс. градусов? Ведь хорошо знакомая нам кристаллическая форма воды - обыкновенный лед - плавится уже при температуре 0 С при нормальном атмосферном давлении. Еще "нежнее" кристаллические формы аммиака, метана, углекислого газа, которые ученые также называют льдом. Например, твердая углекислота (сухой лед, используемый в различных эстрадных шоу) при нормальных условиях сразу же переходит в газообразное состояние, минуя жидкою стадию.

Но одно и то же вещество может образовывать различные кристаллические решетки. В частности, науке известны кристаллические модификации воды, отличающиеся друг от друга не меньше, чем печная сажа - от химически тождественного ей алмаза. Например, так называемый лед 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 лед, т.е. в данном случае смесь из кристаллов воды, метана и аммиака.

АТМОСФЕРА

Светло-желтый Сатурн внешне выглядит скромнее своего соседа - оранжевого Юпитера. У него нет столь красочного облачного покрова, хотя структура атмосферы почти такая же. Верхние слои атмосферы Сатурна состоят на 93 % из водорода (по объёму) и на 7 % — из гелия. Имеются примеси метана, водяного пара, аммиака и некоторых других газов. Аммиачные облака в верхней части атмосферы мощнее юпитерианских, что делает его не таким "цветным" и полосатым.

По данным «Вояджеров», на Сатурне дуют самые сильные ветра в Солнечной системе, аппараты зарегистрировали скорости воздушных потоков 500 м/с. Ветра дуют, в основном, в восточном направлении (по направлению осевого вращения). Их сила ослабевает при удалении от экватора; при удалении от экватора появляются также и западные атмосферные течения. Ряд данных указывают, что ветры не ограничены слоем верхних облаков, они должны распространяться внутрь, по крайней мере, на 2 тыс. км. 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.

Хотя пятна атмосферных вихрей на Сатурне уступают по размерам юпитерианскому Большому Красному Пятну, но и там наблюдаются грандиозные штормы, видимые даже с Земли.

В атмосфере Сатурна иногда появляются устойчивые образования, представляющие собой сверхмощные ураганы. Аналогичные объекты наблюдаются и на других газовых планетах Солнечной системы. Гигантский «Большой белый овал» появляется на Сатурне примерно один раз в 30 лет, в последний раз он наблюдался в 1990 году (менее крупные ураганы образуются чаще).

КОСМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

При пролете около Сатурна АМС "Вояджер-1" обнаружила явления, которые, по-видимому, представляют собой интенсивные всплески радиоизлучения в районе планеты. Всплески происходили во всем регистрируемом частотном диапазоне и, возможно, исходят от колец планеты. Согласно другим предположениям, всплески могли быть порождены молниями в атмосфере планеты. Приборы АМС регистрировали скачок напряжения, в 106 раз превышающий то, что обусловила бы столь же удаленная вспышка молнии в земной атмосфере.

Ультрафиолетовый спектрометр зарегистрировал в южной полярной области Сатурна полярные сияния, охватывающие область протяженностью свыше 8000 км и сравнимые по интенсивности с такими явлениями на Земле.

Полярные сияния Сатурна вызваны высокоэнергетическим потоком от Солнца, которое охватывает планету. Полярное сияние Сатурна может быть замечено только в ультрафиолетовом свете, создание которого не помогает рассмотреть его с Земли.

Расстояние до Сатурна - 1.3 млрд. км. Полярное сияние имеет вид кольцевого занавеса, окружающего оба магнитных полюса планеты. Занавес поднимается более чем на полторы тысячи километров над поверхностью облаков Сатурна.

Полярное сияние Сатурна аналогично земному - оба связаны с частицами солнечного ветра, которые захватываются магнитным полем планеты как ловушкой и двигаются вдоль силовых линий от полюса к полюсу туда - обратно. В ультрафиолете полярное сияние лучше выделяется на фоне планеты благодаря сильному люминесцентному свечению водорода.

Известный своей яркой системой колец и многочисленными спутниками, газовый гигант Сатурн выглядит странным и незнакомым на этом представленном в искусственных цветах снимке, полученном космическим аппаратом «Кассини». Действительно, на этом составном изображении, полученном с помощью визуального и инфракрасного картирующего спектрометра (Visual and Infrared Mapping Spectrometer - VIMS) знаменитые кольца почти не различимы. Они видны

с ребра и пересекают центр картинки. Самый эффектный контраст на изображении - вдоль терминатора, или границы дня и ночи. Сине-зеленые оттенки справа (на дневной стороне) - это видимый солнечный свет, отраженный от вершин облаков Сатурна. Но слева (на ночной стороне) солнечного света нет, и в инфракрасном излучении теплых внутренних частей планеты, похожем на свет китайского фонарика, видны силуэты деталей более глубоких слоев облаков Сатурна. Тепловое инфракрасное свечение видно также в тенях колец, широкими полосами пересекающих северное полушарие Сатурна.