Супутники Сатурна

ВСТУП

Космічна геодезія - одна з найбільш молодих наук, так як вона безпосередньо пов'язана з космонавтикою і технологією, вона отримала бурхливий розвиток. Якщо спочатку використовували космічні методи для дослідження Землі, то з часом з'явилася можливість досліджувати й інші небесні об'єкти. Першим небесним тілом, яке було вивчено методами космічної геодезії, з'явилася Місяць. У вивченні Місяця процвітали як радянські, так і американські вчені.

Пізніше був зроблений "штурм" Венери і Марса. Однак, у дослідженні зовнішніх планет пріоритет отримали американці. Одним з найяскравіших прикладів цього успіху з'явилися програми "Піонер" і "Вояджер". У програму цих проектів входило дослідження планети Сатурн. Польоти АМС дозволили уточнити основні характеристики планети і її супутників.

Даний реферат заснований на інформації, отриманої за допомогою цих космічних апаратів.

АТМОСФЕРА І ХМАРНИЙ ШАР.

Кожен, хто спостерігав планети в телескоп, знає, що на поверхні Сатурна, тобто на верхній межі його хмарного покриву, помітно мало деталей і контраст їх з навколишнім фоном невеликий. Цим Сатурн відрізняється від Юпітера, де є безліч контрастних деталей у вигляді темних і світлих смуг, хвиль, вузликів, що свідчать про значну активність його атмосфери.

Виникає питання, чи дійсно атмосферна активність Сатурна (наприклад швидкість вітру) нижче, ніж у Юпітера, або ж деталі його хмарного покриву просто гірше видно з Землі через більшої відстані (близько 1,5 млрд. Км.) І більш малого освітлення Сонцем (майже в 3,5 рази слабкіше освітлення Юпітера)?

"Вояджерам" вдалося отримати знімки хмарного покриву Сатурна, на яких чітко відображена картина атмосферної циркуляції: десятки хмарних поясів, що тягнуться вздовж паралелей, а також окремі вихори. Виявлений, зокрема, аналог Великого Червоного Плями Юпітера, хоча і менших розмірів. Встановлено, що швидкості

вітрів на Сатурні навіть вище, ніж на Юпітері: на екваторі 480 м / с, або 1700 км / ч. Число хмарних поясів більше, ніж на юпітері, і досягають вони більш високих широт. Таким чином, знімки хмарності демонструють своєрідність атмосфери Сатурна, яка навіть активніше юпітеріанської.

Метеорологічні явища на Сатурні відбуваються при більш низькій температурі, ніж в земній атмосфері. Оскільки Сатурн в 9,5 разів далі від Сонця, ніж Земля, він отримує в 9,5 = 90 разів менше тепла.

Температура планети на рівні верхньої межі хмарного покриву, де тиск дорівнює 0,1 атм, складає всього 85 К, або -188 С. Цікаво, що за рахунок нагрівання одним Сонцем навіть такої температури отримати не можна. Розрахунок показує: у надрах Сатурна є свій власний джерело тепла, потік від якого в 2,5 рази більше, ніж від Сонця. Сума цих двох потоків і дає спостережувану температуру планети. Космічні апарати детально досліджували хімічний склад надоблачной атмосфери Сатурна. В основній вона складається майже на 89% з водню. На другому місці гелій (близько 11% по масі). Відзначимо, що в атмосфері Юпітера його 19%. Дефіцит гелію на Сатурні пояснюють гравітаційним поділом гелію і водню в надрах планети: гелій, який важче, поступово осідає на великі глибини (що, до речі кажучи, вивільняє частину енергії, "підігріває" Сатурн). Інші гази в атмосфері - метан, аміак, етан, ацетилен, фосфін - присутні в малих кількостях. Метан при настільки низькій температурі (близько -188 С) знаходиться в основному в капельножидком стані. Він утворює хмарний покрив Сатурна. Що стосується малого контрасту деталей, видимих в атмосфері Сатурна, про що йшлося вище, то причини цього явища поки що не цілком ясні. Було висловлено припущення, що в атмосфері виважена послаблюються контраст серпанок з дрібних твердих частинок. Але спостереження "Вояджера-2" спростовують це: темні смуги на поверхні планети залишалися різкими і ясними до самого краю диска Сатурна, тоді як при наявності димки вони б до країв замутнялісь через великої кількості частинок перед ними. Питання, таким чином, не може вважатися вирішеним і вимагає подальшого розслідування.

Дані, отримані з "Вояджера-1", допомогли з великою точністю визначити екваторіальний радіус Сатурна. На рівні вершини хмарного покриву екваторіальний радіус становить 60330 км. або в 9,46 рази більше земного. Уточнено також період обертання Сатурна навколо осі: один оборот він здійснює за 10 год. 39,4 хв - у 2,25 рази швидше Землі. Настільки швидке обертання призвело до того, що стиснення Сатурна значно більше, ніж у Землі. Екваторіальний радіус Сатурна на 10% більше полярного (у Землі - тільки на 0,3%).

МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ САТУРНА.

До тих пір, поки перша космічні апарати не досягли Сатурна, спостережних даних про його магнітному полі не було взагалі. але з наземних радіоастрономічних спостережень випливало, що Юпітер володіє могутнім магнітним полем. Про це свідчило теплове радіовипромінювання на дециметрових хвилях, джерело якого виявився більше видимого диска планети, причому він витягнуть уздовж екватора Юпітера симетрично по відношенню до диска. Така геометрія, а також поляризованность випромінювання свідчили про те, що спостережуване випромінювання магнітно-гальмівний і джерело його - електрони, захоплені магнітним полем Юпітера і населяють його радіаційні пояси, аналогічні радіаційним поясам Землі. Польоти до Юпітери підтвердили ці висновки. Оскільки Сатурн дуже схожий з Юпітером за своїми фізичними властивостями, астрономи припустили, що досить помітне магнітне поле є і в нього. Відсутність же у Сатурна спостерігається з Землі магнітно-гальмівного радіовипромінювання пояснювали впливом кілець. Ці пропозиції підтвердилися. Ще при підльоті "Піонера-11" до Сатурна його прилади зареєстрували в близько планетному просторі освіти, типові для планети, що володіє яскраво вираженим магнітним полем: головний ударну хвилю, кордон магнітосфери (магнітопаузу), радіаційні пояси (Земля і Всесвіт, 1980, N2, С.22-25 - Ред.). В цілому магнітосфера Сатурна дуже подібна до земної, але, звичайно, значно більше за розмірами. Зовнішній радіус магнітосфери Сатурна в соняшниковій точці становить 23 екваторіальних радіуса планети, а відстань до ударної хвилі - 26 радіусів. Для порівняння можна нагадати, що зовнішній радіус земної магнітосфери в соняшниковій точці - близько 10 земних радіусів. Так що навіть за відносними розмірами магнітосфера Сатурна перевершує земну більш ніж удвічі. Радіаційні пояси Сатурна настільки великі, що охоплюють не тільки кільця, але й орбіти деяких внутрішніх супутників планети. Як і очікувалося, у внутрішній частині радіаційних поясів, яка "перегороджена" кільцями Сатурна, концентрація заряджених частинок значно менше. Причину цього легко зрозуміти, якщо згадати, що в радіаційних поясах частинки здійснюють коливальні рухи приблизно в меридіональному напрямку, кожен раз перетинаючи екватор. Але у Сатурна в площині екватора розташовуються кільця: вони поглинають майже всі частинки, які прагнуть пройти крізь них. У результаті внутрішня частина радіаційних поясів, що у відсутність кілець була б у системі Сатурна найбільш інтенсивним джерелом радіовипромінювання, виявляється ослабленою. Тим не менш "Вояджер-1", наблизившись до Сатурна, все ж виявив нетеплове радіовипромінювання його радіаційних поясів.

На відміну від Юпітера Сатурн випромінює в кілометровому діапазоні довжин хвиль. Помітивши, що інтенсивність випромінювання модулювати з періодом 10ч. 39,4 хв., Припустили, що це і є період осьового обертання радіаційних поясів, або, іншими словами, період обертання магнітного поля Сатурна. Але тоді це і період обертання Сатурна. Справді, магнітне поле Сатурна породжується електричними струмами в надрах планети, - мабуть, в шарі, де під впливом колосальних тисків водень перейшов в металеве стан. При обертанні цього шару з тією кутовою швидкістю обертається і магнітне поле. Унаслідок великої в'язкості речовини внутрішніх частинок планети всі вони обертаються з однаковим періодом. Таким чином, період обертання магнітного поля - це в той же час період обертання більшої частини маси Сатурна (крім атмосфери, яка обертається не як тверде тіло).

КІЛЬЦЯ

Із Землі в телескоп добре видні три кільця: зовнішнє, середньої яскравості кільце А; середнє, найбільш яскраве кільце В в внутрішнє, чи не яскраве напівпрозоре кільце З, що іноді називається креповим. Кільця ледве більше жовтуватого диска Сатурна. Розташовані 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 не так, 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 частинок, самостійно обертаються 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 такого збігу Мімас своїм тяжінням як би розгойдує частки, що рухаються усередині розподілу, і зрештою викидає їх звідти.

Бортові камери "Вояджер" показали, що з близької відстані кільця Сатурна схожі на грамофонну пластинку: вони як би розшаровані на тисячі окремих вузьких кілець з темними прогалинами між ними. Прогалин так багато, що пояснити їх резонансами з періодами звертання супутників Сатурна вже неможливо. Чим же пояснюється ця тонка структура? Ймовірно, рівномірний розподіл часток по площині кілець механічно нестійка. Внаслідок цього виникають кругові хвилі щільності - це і є тонка структура.

Крім кілець А, В і С "Вояджери" знайшли ще чотири: D, E, F іG. Всі вони дуже розріджені і тому неяскраві. 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 отримаємо ряд: D, C, B, A, F, G, E. Особливий інтерес і велику дискусію викликало кільце F. На жаль, вивести остаточне судження про цей об'єкт поки не вдалося, тому що спостереження двох "Вояджеров" не погодяться між зі 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. Деякий час панувала думка, що відповідальність за цю незвичайну конфігурацію несуть два невеликих нововідкритих супутники, що рухаються безпосередньо поблизу кільця F, - один із внутрішнього краю, інший - у зовнішнього (ледве повільніше першого, тому що він далі від Сатурна). Тяжіння цих супутників не дає крайнім часткам іти далеко від його середини, тобто супутники як би "пасуть" частки, за що і отримали назву "пастухів". Вони ж, як показали розрахунки, викликають рух часток по хвилястій лінії, що і створює переплетення компонентів 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. Із Землі ж спостерігати кільце F сучасними засобами неможливо - яскравість його занадто мала. Залишається сподіватися, що більш ретельне дослідження отриманих "Вояджер" знімків кільця проллє світло на цю проблему.

Кільце D - найближче до планети. Мабуть, воно простирається до самої хмарної кулі Сатурна. Кільце E - саме зовнішнє. Вкрай виряджене, воно в той же час найбільш широке з усіх - близько 90 тис. Км. Величина зони, що воно займає, від 3,5 до 5 радіусів планети. Щільність речовини в кільці E зростає в напрямку до орбіти супутника Сатурна Енцелада. Можливо, Енцелад - джерело речовини цього кільця. Частки кілець Сатурна, імовірно, крижані, покриті зверху інеєм. Це було відомо ще з наземних спостережень, і бортові прилади космічних апаратів лише підтвердили правильність такого висновку. Розміри частинок головних кілець оцінювалися з наземних спостережень у межах від сантиметрів до 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 космічного апарата послідовно пронизував радіопроменем не хвилі 3,6 см. Кільце А, розподіл Кассіні і кільце С. Потім радіовипромінювання було прийнято на Землі і піддалося аналізу. Вдалося з'ясувати, що частки зазначених зон розсіюють радіохвилі переважно вперед, хоча і дещо 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 доль міліметра). У кільці В знайшли 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 огортає кільця газоподібна атмосфера з нейтрального атомарного водню. "Вояджер" спостерігалася лінія Лайсан-альфа (1216 А) в ультрафіолетовій частині спектра. За 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. "Вояджер" була також зроблена спроба вимірити масу кілець. Труднощі полягали в тому, що маса кілець принаймні в мільйон разів менше маси Сатурна. Через це траєкторія руху космічного 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 ж склала 1,7 х 10 маси Сатурна. Іншими словами, маса кілець свідомо менше 1,7 мільйонних часток маси планети.

СУПУТНИКИ.

Якщо до польотів космічних апаратів до Сатурна було відомо 10 супутників планети, то зараз ми знаємо 17 (Земля і Всесвіт, 1981, N2, с. 40-45-Ред.). Нові сім супутників дуже малі, але тим не менш деякі з них роблять серйозний вплив 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 многоглазий велетень, сторожі за наказом богині Гери кохану Зевса Іо. У переносом змісті - пильний страж).

Титан є другим за величиною супутником у Сонячній Системі. Його радіус дорівнює 2575 кілометрів. Його маса складає 1,346 х 10 грам (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 Венеру. Титан подібний Венері ще й тим, що у нього маються глобальний серпанок і навіть невеликий тепличний підігрів у поверхні. У його атмосфері, імовірно, є метанові хмари, але це твердо не встановлено. Хоча в інфрачервоному спектрі переважають метан та інші вуглеводні, основним компонентом атмосфери є азот, що проявляється в сильних УФ-емісіях. 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 К. Радіуси темно-помаранчевих або коричневих часток стратосферного аерозолю в основному не перевищують 0,1 мкм, а на великих глибинах можуть існувати більш великі частки. Передбачається, що аерозолі є кінцевим продуктом фотохімічних перетворень метану і що вони акумулюються на поверхні (або розчиняються в рідкому метані етане). Спостережувані вуглеводні і органічні молекули можуть виникати при природних фотохімічних процесах. Дивною властивістю верхньої атмосфери є УФ-емісії, приурочені до денній стороні, але занадто яскраві, щоб їх могла збудити сонячна енергія. Водень швидко диссипирует, поповнюючи спостережуваний тор, разом з деякою кількістю азоту, вибивається при дисоціації N2 електронними ударами. На основі розщеплення температури 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 аккреция (що означає, що підвищення температури в ході утворення дуже мало), гаряча акреція при відсутності щільної газової фази і гаряча акреція в присутності щільної газової фази. На рис. показано, як можуть виглядати в розряді надра Титана. Ймовірно наявність гарячого дегідротірованного силікатного ядра, а також розплавленого шару NH -HO, проте детальне розташування крижаних шарів в даний час достовірно невідомо. Конвекція переважає всюди, крім зовнішньої оболонки. Япете. Можливо, що самий таємничий із супутників Сатурна, Япете, є єдиним по інтервалу 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 основному півкулю звернене до Сатурна, і границю між ведучою (темної) і відомої (світлої) сторонами. Було зареєстровано величезне темне екваторіальне 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 діаметрів 10 км приводить до щільності більше 2000 кратерів (D> 10 км) на 10 км. Така щільність порівнянна з плотностями на інших сильно кратеризованних тілах, таких, як Меркурій і Каллісто, чи з щільністю кратерів на місячних континентах. Характерною рисою границі між темною і світлою областями на Япет 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 + 0,09 г / см характерна для крижаних Супутників Сатурна і погодиться з моделями, в яких водяний лід є головною складовою. Белл вважає, що темна речовина є основним компонентом вихідного конденсату, з якого утворився Япет.Рея. Майже двійник Япета по розмірах, але без його темного речовини, 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.

Супутники Сатурна

Це дозволило зробити важливий крок у дослідженні природи супутників. Знаючи діаметр супутника, легко обчислити його обсяг. Розділивши масу супутника на об'єм, отримаємо середню щільність - характеристику, що допомагає встановити, з яких речовин складається дане небесне тіло. З'ясувалося, що щільності внутрішніх супутників Сатурна - від Мімаса до Реї, а також Япета - близькі до щільності води: від 1,0 до 1,4 г / см, Є підстави вважати, що ці супутники головним чином, і складаються з води (звичайно, не рідкою, так як їх температура близько -180 С). Тефия, щільність якої 1 г / см, особливо схожа на шматок чистого льоду. В інших супутниках також повинна матися більша або менша домішка кам'янистих речовин. "Вояджери" підходили до супутників Сатурна так близько, що вдалося не тільки визначити діаметри супутників, а й передати на Землю зображення їх поверхні. Вже складені перші карти супутників.

Найбільш поширені утворення на їх поверхні - кільцеві кратери, подібні місячним. Походження кратерів ударне: летюче в міжпланетному просторі метеорні тіло стикається з супутником, його космічна швидкість майже миттєво падає до нуля, кінетична енергія переходить в тепло. Відбувається вибух з утворенням кільцевого кратера.

Деякі кратери потрібно згадати особливо. Наприклад, великий кратер на маленькому Мімасі. Діаметр кратера близько 130 км., Або третина діаметра супутника. Ймовірно, ударного кратера більшого розміру на Мімасі бути не може. При кілька більшої кінетичної енергії космічного тіла, який завдав удару, Мімас розлетівся б на шматки. Безліч кратерів, які ми зараз бачимо на знімках супутників Сатурна, - це літопис їх історії, що йде всередину часів щонайменше на сотні мільйонів років. Мітки, вироблені небесними камінням, свідчать, що у віддалену епоху формування планетної системи околосолнечное простір (принаймні до орбіти Сатурна) було насичене безліччю окремих твердих тіл, з яких поступово склалися планети і супутники. І навіть після того, як формування планет і супутників в основному завершилося, залишок цих твердих тіл довгий час продовжував рухатися в просторі. Такі, в основному, наші сьогоднішні відомості про Сатурні. Необхідно тільки обмовитися, що в першу чергу мова йшла про безпосередніх фактичних даних. Більш глибокі висновки, які можуть бути з них зроблені і, ймовірно, будуть зроблені, зажадають тривалої роботи вчених. Вона ще попереду.

ВИСНОВОК

У своїй роботі я спробувала узагальнити результати, отримані "Піонером" і "Вояджером", про Сатурні і його супутниках. За цими даними була побудована планетоцентрична система координат і уточнена теорія кілець Сатурна. У зв'язку з цим з'явилися нові перспективи розвитку космічної геодезії. До 1995 року намічений запуск американського проекту "Кассіні", який перевірить гіпотези про походження і еволюцію системи Сатурна, зокрема Титана. "Кассіні" уточнить дані, отримані попередніми місіями, а також досліджує малі крижані супутники Сатурна

ЛИТЕРАТУРА

1."Система Сатурна", М., Мир,1990г.

2.Ф.Я. Цикл "Семья Солнца: планеты и спутники Солнечной

системы", М.,Мир, 1984г.

3."Земля и Вселенная" N4, 1982г.

4."Справочник любителя и астронома", Е.П.Куликовский,

М., Наука, 1977г.

5."Планеты открытые заново", С.Н.Коновалов,

М., Наука, 1981г.

Дата добавления: 2015-10-24