9.2 Сатурн

Сатурн -- вторая из планет-гигантов. Эта планета давно привлекает взоры астрономов всего мира своим необычным видом. На сплюснутый шар "надето" яркое, очень большое кольцо. В зависимости от взаимного расположения Земли и Сатурна кольцо видно под разными углами между плоскостью кольца и направлением на Землю. Угол меняется от 0° до 28°. В первом случае оно почти не видно, так как превращается в прямую линию.

По-видимому, первым наблюдал кольцо Сатурна Галилей. Имея несовершенную зрительную трубу, он заметил, что планета имеет с боков два какие-то придатка, и опубликовал анаграмму, чтобы "застолбить" свое открытие:

Smaismrmielmepoetaleumibuvnenugttaviras

Современник итальянского ученого Кеплер затратил много труда, чтобы разгадать эту головоломку. Он не смог использовать только две буквы, а из остальных опубликовал следующий "перевод": Привет вам, близнецы, Марса порождение! Кеплер был убежден, что Марс должен иметь два спутника. Ведь Земля имеет 1 спутник, а Юпитер (как он думал) 4, то, следуя закону геометрической прогрессии, у Марса должно быть два. В этом Кеплер не ошибся, но ошибся в главном. Галилей раскрыл, наконец, секрет своей заявки: Если снова пренебречь двумя буквами, то фраза должна быть такой:

Altissimum planetam tergevinum observavi

В переводе эта фраза звучит так: высочайшую планету тройною наблюдал. Сам Галилей не поверил тому, что наблюдал, а решил, что это -- недостатки его зрительной трубы.

Наблюдать кольцо Сатурна удалось только Гюйгенсу, спустя полвека, после Галилея. Он так же, как и его предшественник опубликовал анаграмму:

Aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnooooppqrrstttttuuuuu

Перевод этой анаграммы следующий: кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным

Огромный поток сведений о строении планеты Сатурн дали американские космические аппараты Пионер-11, Вояджер-1,Вояджер-2.

Наземная спектрофотометрия показала, что частицы колец, в основном, состоят из водяного льда и очень мелких пылевых частиц. Исследования с борта Пионера подтвердили эти выводы. Еще до запуска космических аппаратов мы знали, что кольцо Сатурна неоднородно. У него, по крайней мере, три кольца, которые обозначили буквами А -- внешнее кольцо, В -- среднее кольцо и С -- внутреннее. Самое яркое кольцо В -- среднее, а кольцо С -- очень слабое. Все кольца находятся внутри предела Роша, самая внешняя граница которого лежит на расстоянии 2,3 радиуса планеты. Ширина колец А и С составляет около 17000 км, кольца В -- 28000 км, а толщина не превышает 1-2 км. Деление кольца Сатурна на три кольца называют делением Кассини.

Исследования космических аппаратов показали, что и эти кольца имеют достаточно сложную структуру. Деление отдельных колец на более тонкие объясняется резонансными возмущениями движения частиц колец подобно "люкам Кирквуда" в распределении орбит астероидов. Значительно более полную информацию о сложной структуре колец принес пролет на расстоянии 185 тыс. километров космического аппарата Вояджера-1 в ноябре 1980. Оказалось, что каждое из основных колец состоит из сотен отдельных кольцевых структур. Некоторые из орбит частиц, образующих кольца, отличаются от круговых. Обнаружены и такие структуры, которые нельзя объяснить одними гравитационными силами, по-видимому, следует привлекать и электростатические и электродинамические силы. Эти структуры еще ждут своего объяснения.

Третьим аппаратом, который сблизился с Сатурном, был Вояджер-2. К моменту сближения с Сатурном аппарат уже прошел более двух миллиардов километров со скоростью (средней) 18 км/с. Часть набортной аппаратуры отказала, и не вся намеченная программа была выполнена. Тем не менее, значимость полученной космическим аппаратом информации весьма велика.

Прежде всего, нужно отметить наличие большого количества колец Сатурна. Было решено выделить "главные" кольца и, продолжая классификацию Кассини, их назвали латинскими буквами. Теперь уже известны кольца D, C, B, A, F, G, E. Самое внешнее кольцо -- Е невидимо оптическими инструментами. Оно регистрировалось с помощью устройств, реагирующих на электрические поля и заряженные частицы. Любопытно, что кольцо F находится между двумя спутниками, которые получили название Прометей и Пандора. Возможно, что своим гравитационным притяжением они изменяют форму колец. Однако механизм этих влияний пока не найден Известно лишь, что структура колец постоянно меняется. Казалось, что теория резонансов сможет ее объяснить. Но когда увидели эти кольца вблизи, то поняли, что резонансов явно не хватает, чтобы объяснить бесчисленные "колечки" и щели, которых, вероятно, десятки тысяч.

Еще одна любопытная структура в кольцах была обнаружена с помощью космических аппаратов -- это споки то есть спицы. Они выглядят, как радиальные образования темного или, наоборот, светлого цвета, в зависимости от освещения. Эти спицы не подчиняются законам небесной механики и отстают от вращения колец, двигаясь с угловой скоростью магнитосферы. Природа их совершенно не изучена.

Сатурн -- планета-гигант имеет большое сходство с планетой Юпитер. "Поверхность" Сатурна также имеет дифференциальное вращение: период вращения в области широт около 40° составляет 10 час 12 мин, а для высоких широт -- более 11 час. Экваториальный радиус составляет 60270 км. Средняя плотностью Сатурна очень низка и составляет 0,70 г/см. Однако, полос, таких как мы видим на Юпитере, в оптические инструменты с Земли не видно, но все же удавалось проследить за движением отдельных малоконтрастных пятен и определить период вращения планеты. Космические аппараты Вояджер, которые прошли мимо Сатурна с интервалом 9 месяцев, помогли проследить за изменчивостью деталей на диске планеты. Если на Юпитере существует Большое Красное Пятно, то на Сатурне овальное образование назвали по аналогии Большим Коричневым Пятном. Но время жизни таких "пятен" по сравнению с Юпитером, невелико, так как они разрушаются зональными ветрами, скорость которых достигает 400-500 м/с. Протяженный облачный слой и быстро увеличивающаяся с глубиной плотность значительно ослабляют солнечный свет. На глубине 350 км уже может быть совершенно темно. Но будущий спускаемый аппарат зафиксирует быстрый рост температуры с глубиной. На глубине, где давление равно одному атмосферному давлению Земли температура на Сатурне, согласно расчетам, будет равна 143 К (-130°С), а на Юпитере 174 К (-99°С). В атмосфере Сатурна содержится 94% водорода и 6% -- гелия.

На Сатурне есть сезонное изменения климата, так как его ось наклонена к плоскости эклиптики на 26,°4 Пролет космического аппарата Пионер-11 в 1979 году позволил измерить магнитное поле Сатурна. Оно оказалось почти чисто дипольным, совпадающим с осью вращения планеты с точностью до 1°, а центр диполя совпадает с центром масс планеты с точностью до 0,01 радиуса. Тепловой поток из недр планеты превосходит тепловой поток от Солнца. По-видимому, работает тот же механизм, что и для Юпитера: гравитационное сжатие планеты приводит к фазовым переходам с выделением тепла. На основании адекватной модели гравитационного поля Сатурна, с учетом уравнения состояния вещества, были построены несколько моделей планеты, удовлетворяющим мультипольным моментам гравитационного поля.. Металлическое ядро имеет радиус, достигающий почти половину радиуса планеты, внутреннее ядро -- 0,15 радиуса. Давление в центре 23 Мбар, а температура 17000 К.

Система спутников Сатурна довольно сложна. Общее число их, включая открытых в 1980 году 17. Сюда не вошли несколько совсем маленьких тел, которые были обнаружены на снимках Вояджера-2, полученных в 1980 г. Самым крупным спутников Юпитера является Титан с радиусом 2,56 тыс. километров. Это не самый большой спутник Солнечной системы. Самым большим является спутник Юпитера Ганимед (радиус 2,64 тыс. километров) Но на Титане есть атмосфера! Состав Титана -- льды с примесью силикатных пород. Ожидали, что может быть есть и жизнь на Титане! Космические аппараты передали, что атмосфера почти на 85% состоит из азота, около 12% возможно аргон, менее 3% метан, этан, пропан, этилен, водород и кислород. Парникового эффекта, как оказалось, нет. Предположение о возможных морях и озерах на поверхности Титана возможно справедливо, но по отношению к жидкому метану. Недавно выполненные работы показали, что наиболее распространенным углеводородом на Титане должен быть этан (CH). Титановский океан должен состоять из 70% этана, 25% метана и растворенного в них азота. Глубина такого океана может достигать одного километра. Титан -- это мир глубокого холода, по сравнению с ним климат холодных пустынь Марса можно считать испепеляющим зноем.

В конце первого десятилетия ХХI века на Титан опустится первый спускаемый аппарат миссии Кассини, Проект готовился несколько десятилетий. Проект состоит из создания первого искусственного спутника Сатурна и спускаемого аппарата Гюйгенс с большой научной программой.

Другие спутники Япет, Рея, Тефия, Мимас, Энцелад, Диона и малые спутники размером меньшим, чем 250 км -- ледяные спутники. Их средняя плотность -- около 1 г/см, что соответствует чистому льду. Согласно существующим теориям, в период формирования планет на периферии протопланетного облака температура была очень низка и легкие летучие вещества, как водяной пар, конденсировались преимущественно на периферии.