土星

今日は惑星土星のお話です。それは太陽から 6 番目の惑星であり、それらすべての中で 2 番目に大きい惑星です。土星は、惑星の中心を取り囲む見事な輪のセットを誇っているため、最も美しい惑星としても知られています。リングを持つ惑星はこれだけではありませんが、最大のペアを持つことは間違いありません。82個の衛星があり、そのうち53個が確認済みで、29個が正式な承認待ちです。人間の肉眼で見ることができる最も遠い惑星であり、農業と富のローマの神にちなんで名付けられました。彼はジュピターとジュピターの多くの兄弟の父であり、後者は彼が丸ごと飲み込んでしまった. 控えめに言っても…複雑な話です。

土星は巨大ガス惑星で、体積は地球 760 個分、質量は地球 95 個分です。その半径は 36,183.7 で、地球の約 9 倍です。8 億 8600 万マイルの平均距離から、土星は太陽から 9.5 天文単位離れています。この距離から、太陽から土星まで太陽光で移動するには 80 分かかります。土星が太陽の周りを 1 回転するのに約 29.4 年かかりますが、自転速度は 10.7 時間に 1 回です。これは、土星が太陽系で 2 番目に短く、木星にわずかに勝っていることを意味します。土星の軸の傾きも約 26.73 とかなり大きく、これは地球とかなり似ているため、両方の惑星が同様の激しさの季節を経験します。

木星と同様に、この惑星も約 40 億年前に移動を経験しました。科学者たちは、土星はもともと現在よりもずっと太陽に近かったが、その後太陽から遠ざかったと信じています。木星も太陽から遠ざかったため、これら 2 つの巨大な惑星の運動によって生成された結合力により、天王星と海王星は太陽から元の位置よりもはるかに遠ざかりました。

調査によると、土星は実際に危険な小惑星から地球を保護し、地球から遠ざけている可能性があります。土星の重力の力は、太陽系の端に位置するオールトの雲やカイパー ベルトから進入する小惑星をそらすのに役立ちます。この小惑星の向きを変えることで、土星は軌道を変え、地球に向かわなくなり、災害を引き起こす可能性がなくなります。小惑星帯でのエピソードを聞いたことがあるなら、小惑星の衝突が地球にとって良いことではないことをご存知でしょう。

地球から見ると、土星はかすんだ黄褐色の外観をしています。しかし、望遠鏡から見た表面ははるかに複雑で、赤、茶色、白の斑点、さまざまな雲の帯、渦、渦などの多くの小規模な特徴で装飾された複雑な雲層があり、それらはすべて変化しますかなり短い時間で。このように、土星は当たり障りのない、活動の少ない木星に似ています。しかし、1990 年には、この通常の動きに対する目を見張るような例外が発生しました。大きな明るい色の嵐のシステムが赤道近くに出現し、その後 12,400 マイルを超えるサイズに拡大し、最終的には赤道周辺に広がり、やがて忘却へと消えていきました。木星の大赤斑になぞらえて名付けられたこの「大白斑」に似た印象の嵐。19世紀後半から約30年間隔​​で観測されています。これは、土星の公転周期である 29.4 年に近いことから、これらの嵐が季節的な現象であることを示唆していますが、科学者たちは、このような突然の雄大な嵐の原因についてはわかっていません。

土星の大気は、主に分子状の水素とヘリウムで構成されています。2 つの分子の正確な相対存在量はよくわかっていませんが、最も正確な推定値は、惑星の大気は質量で 18 ～ 25% のヘリウムであるということです。残りは分子状の水素と約 2% の他の分子であり、衝突や衝撃によって地球に運ばれる可能性があります。また、土星のヘリウムは惑星の最も外側の大気の周りに集中していると考えられていますが、内部の大気ははるかに重い水素です.

土星の表面に存在する他の分子の 2% のうち、ほとんどはメタンまたはアンモニアです。繰り返しになりますが、正確な量は不明ですが、科学者は、土星が太陽の2〜7倍の量のアンモニアとメタンを持っていることを知っています。これは、土星の黄色がかった雲の色の原因でもある可能性があります. 最も高い雲の層は、実際にはアンモニアの結晶でできていると考えられています。硫化水素と水もより深い大気に存在すると疑われていますが、まだ検出されていません。

土星の大きな地軸傾斜の結果、リングが冬の半球に暗い影を落とし、冬の薄暗い日光をさらに減らします。冬の間、北半球の太陽に照らされた一帯のカッシーニ画像は、驚くほど澄んだ青い大気を明らかにしました。光化学ヘイズは基本的にスモッグの科学用語です。

地球上の天文学者は、大気温度に関する情報を得るために、土星の大気を通過する宇宙船からの星の光と電波の屈折としても知られる屈折を分析しました。惑星の大気の端にあり、平均気温は華氏マイナス 190 度です。惑星の最も低い温度は、成層圏の内部で何らかの理由で実際に発生します。この地域で記録された最低気温は華氏マイナス 312 度でした。その後、地球のさらに奥深くに行くと、温度が上昇し始めます。対流圏に到達する頃には、華氏約 -217 度になっています。その後、深部に行くほど温度はさらに下がり続け、土星の中心に近づきます。

他の巨大惑星と同様に、土星には東から西への流れが支配する大気循環があります。これは、木星に似た明るい雲と暗い雲の帯のパターンとして現れますが、土星の帯はより微妙な色で、赤道近くで幅が広くなっています。

土星はガス惑星なので、固体の表面がありません。これは、その風を他の基準フレームと比較して測定する必要があることを意味します。木星と同様に、風は土星の磁場の回転に対して測定されます。このフレームでは、土星の大気の流れのほぼすべてが東に向いており、これは自転の方向です。赤道に近い地域では、特に活発な東向きの流れが見られ、最大速度は毎秒 470 メートルに近くなりますが、速度が毎秒 270 メートルに近い遅い期間が時々あります。この特徴は木星の特徴に似ていますが、緯度の幅が 2 倍になり、移動速度が 4 倍になります。対照的に、地球上で最も強い風は熱帯低気圧で発生し、極端な場合には持続速度が毎秒 67 メートルを超えることがあります。

帯状の流れは、土星の赤道に関して驚くほど対称的です。つまり、特定の北緯の各海流は、通常、同様の南緯に対応することを意味します。強い東向きの流れは、北緯 46 度と南緯 46 度、南北約 60 度で見られます。西向きの流れは、実際には磁場の座標系でほぼ静止しており、北と南の 40°、55°、および 70° で見られます。私たちの観察によると、これらの流れは一定で規則的であり、他の流れのように消えることはないようです。

ハリケーンのような強いサイクロン渦が、土星の北極と南極の両方の中心からわずかに外れて見られます。南極の渦の暖かい目は、直径 1,200 マイルで、極雲から 30 ～ 40 マイル上にそびえ立つ雲に囲まれています。地球の南半球の熱帯低気圧もまた、中央の目が暖かく、時計回りに流れ、高い雲に囲まれていますが、すべてはるかに小さい規模です。北極付近のサイクロンの興味深い特徴は、北極の周りを六角形のパターンで移動することです。雲の特徴は、毎秒約 100 メートル、つまり時速約 220 マイルで六角形の周りを反時計回りに移動することが観測されています。同様の角度パターンが回転する流体のバケツで観察されており、おそらく相互作用する波から生じます。

大気中には、さまざまな小規模な特徴も観測されています。特に印象的なのは、北緯 33.5 度付近の経度 100 度にわたってほぼ均一な間隔で配置された約 20 の同様の大きさの雲のクリアリングであり、それぞれの幅は約 930 マイルです。土星の熱放射の赤外線画像では、これらのクリアリングは、惑星全体に伸びる明るい「真珠のストリング」として表示されます。

南半球では、地球上のものよりも数百倍激しく、数週間から数か月続く雷雨からの短波電波放射が、南緯 35 度で惑星を周回する衛星によって頻繁に検出されました。これらの雷雨の中心は、明らかに強い対流運動によって生成された厚い明るい色の雲の特徴に関連付けられています。雲が晴れる緯度と雷雨の緯度は、西向きの速い風のゾーンであり、地球上の他のほとんどの帯状の流れと反対方向に進んでいます。

土星自体は全体として、実際には非常に密度が低いです。実際、この惑星を通常の古い水で満たされた巨大な浴槽に入れることができれば、土星​​はその上に浮かぶでしょう! 惑星の内部に関する情報は、球対称ではない重力場を調べることで得られます。急速な回転と低い平均密度は、惑星の物理的形状の歪みにつながり、重力場の形状も歪みます。フィールドの形状は、近くの宇宙船の動きと土星のリングの一部のコンポーネントの形状への影響から正確に測定できます。この歪みを分析すると、土星の内部領域は重量の約 50% の水素だけでできており、この領域の残りの部分はより重い物質でできているに違いないことがわかります。この素材は一体何なのか、科学者は確信が持てません。しかし、土星の中心には強い圧力がかかっているため、科学者たちは、このレベルに存在する水素はリチウムのような金属の液体の形でなければならないことを知っています。そして、地球の中心部、別名そのコアには、合計で約 15 ～ 18 地球質量の岩と氷の球体があります。この高密度コアの周りのこの金属水素の回転は、土星の磁場に電力を供給する電流を形成します。

土星の磁場は単純な棒磁石の磁場に似ており、その南北軸は土星の自転軸の 1° 以内に位置合わせされており、磁気双極子の中心は惑星の中心にあります。木星の場合と同様に、フィールドの極性は、地球の現在のフィールドの極性と反対です。これは、地球のコンパスを土星に持っていくと、実際には北ではなく南を指すことを意味します。土星の磁場は木星ほど強力ではありませんが、地球の磁場の約 578 倍です。

土星の磁気圏は、主に太陽風から発生する荷電粒子の挙動が惑星の磁場によって支配される、惑星の周りの涙滴型の空間領域です。涙のしずくの丸みを帯びた側は太陽に向かって伸び、惑星の中心から約 750,000 マイルの距離で流出する太陽風と、磁気圏界面として正式に知られている境界を形成しますが、太陽からの圧力の変動による実質的な変動を伴います。風。土星の反対側では、磁気圏が引き出されて、非常に遠くまで伸びる巨大な磁気尾部になっています。

土星の内部磁気圏は、地球や木星の磁気圏と同様に、惑星の磁力線に沿ってらせん状に移動する高エネルギー荷電粒子の安定した集団を閉じ込めています。これらの粒子が惑星の大気に螺旋を描くと、地球上のオーロラのような壮大な光のディスプレイであるオーロラが作成されます。しかし、何らかの理由で、これらの粒子の集団には、惑星のグランド リングまたは磁気圏内に位置する月の軌道と交差する磁力線の一部に沿って「穴」があります。

土星の衛星であるタイタンとハイペリオンは、磁気圏の最小寸法に近い距離を周回しており、時々磁気圏界面を横切り、土星の磁気圏の外を移動します。土星の外側磁気圏に閉じ込められた高エネルギーの荷電粒子が、タイタンの上層大気にある中性原子と衝突してエネルギーを与え、土星の大気の浸食を引き起こします。ただし、この侵食はごくわずかであり、惑星の構造に大きな影響を与えることはありません。

次に、土星の最も注目すべき機能であるリングについて説明します。ガリレオ・ガリレイは 1610 年に土星のリングを最初に見ましたが、彼の望遠鏡から見たリングはハンドルや腕のように見えました。45 年後の 1655 年、より強力な望遠鏡を持っていたオランダの天文学者クリスティアーン ホイヘンスは、後に土星に薄く平らなリングがあることを提案しました。1675 年、イタリア生まれのフランスの天文学者ジャン ドメニコ カッシーニが円盤内に大きなギャップ (現在はカッシーニ分割として知られている) を発見したことで、固体リングの可能性に疑問が投げかけられ、フランスの数学者で科学者のピエール シモン ラプラスが理論を発表しました。 1789 年には、リングが多くの小さな部品で構成されていることがわかりました。1857年、スコットランドの物理学者ジェイムズ・クラーク・マクスウェルは、リングが非常に多数の小さな粒子から構成されている場合にのみ安定することを数学的に証明しました。

何世紀にもわたってこれらのリングを研究した結果、土星には砂糖粒から家の大きさまで、数十億個の氷と岩の粒子でできた多くのリングが実際にあることが今日知られています。ただし、これらのリングは非常に幅が広​​いにもかかわらず、非常に薄いものでもあります。主な環は直径 170,000 マイルありますが、厚さは 330 フィートを超えません。かすかな外側のリングを含めると、リング システム全体は約 16,000,000 マイルに及びます。

他の巨大惑星のリングと同様に、土星の主要なリングは、古典的なロッシュ限界内にあります。この距離は、理想的なケースでは土星の半径の 2.44 倍、別名 91,300 マイルであり、かなり大きな月が潮汐力によって残酷に引き裂かれる前に、より質量の大きい惑星の親の中心に近づくことができる最も近い距離を表しています。この制限は、重力によって一緒に保持されているオブジェクトにのみ適用されることに注意してください。そのため、ロシュの制限は、分子結合がそれを終わらせようとする潮汐力よりも重要な比較的小さな物体には実際には適用されません.

前述のように、土星の輪を構成する粒子にはさまざまなサイズがあります。しかし、これらの粒子は、家のサイズに近いものでさえ、実際には単独では見えません! 代わりに、科学者は、光と無線信号の散乱への影響からそのサイズを推測します。この分布は、最初はより大きなオブジェクトの衝突と粉砕の繰り返しから予想される結果と一致しています。これらの最初はより大きな天体は、彗星、小惑星、または粉々になった月の残骸であると考えられています。

謎のスポークが土星のリングに見られ、わずか数時間で形成されて分散するように見えます。科学者たちは、これらのスポークは、電荷を獲得し、土星の磁場と相互作用する小さな粒子の小さな雲である可能性が高いと考えています。これらのスポークは、今のところ土星の春分の近くでしか観測されていないため、季節的なものである可能性もあります。

リング衛星と呼ばれる、直径数マイル程度の大きな天体が主要なリングの中に埋め込まれている可能性がありますが、そのような衛星はほんのわずかしか検出されていません。一時的な「瓦礫の山」の月が継続的に作成され、その後、重力、衝突、および高密度リング内のさまざまな軌道速度の競合する効果によって破壊されるという証拠があります。

リングの質量は非常に小さいため、おそらく 1000 万年から 1 億年の非常に若いものであると考えられます。したがって、主要な環は、特に大きな彗星の分裂によって、または近くにある大きな月の破壊によって生成されたと考えられます。メインリングシステムは、土星からの距離が大きくなる順に、C、B、および A と名付けられた 3 つの広い主要なリングで構成されています。

リングの構造は、土星からの距離の関数としての光学的深さによって広く説明されています。光学的深度は、雲、惑星の大気、宇宙の粒子領域などの媒体を通過する際に吸収される電磁放射の量の尺度です。したがって、媒体の平均密度の指標として機能します。完全に透明な媒体の光学深度は 0 です。媒体の密度が増加するにつれて、数値も増加します。

B リングは、リングの中で最も明るく、最も太く、最も幅が広いリングです。土星の半径 1.52 から 1.95 まで広がり、光学深度は 0.4 から 2.5 の間です。これらの値は、土星からリングまでの距離が全体的に均一ではないため、リングが土星から実際にどれだけ離れているかによって異なるため、範囲です。それは外側の主要なリングである A リングから、主要なリングの中で最も目立つギャップであるカッシーニ分割によって視覚的に分離されています。土星の半径 1.95 から 2.02 の間にあるのは、カッシーニの間です。

このギャップは、ミマスと呼ばれる土星の衛星の 1 つの引力によって引き起こされます。この月はリング システムと 2:1 の共鳴状態にあります。つまり、ミマスが 1 周するたびに、カッシーニ ディビジョンのリング粒子が土星を 2 周することになります。リング粒子がカッシーニの分裂にあった場合、ミマスが通過するたびに、軌道上の同じ場所でミマスの重力によって引っ張られます。時間が経つにつれて、ブランコで誰かを何度も押すとブランコが高くなるのと同じように、小さな重力の「タグ」が追加されます。ミマスによる重力タグは、最終的にリング粒子をカッシーニの分裂から引き離すことになる。

カッシーニの間隙は、平均値 0.1 の光学的深さの複雑な変動を示します。Aリングは土星の半径2.02から2.27まで広がり、光学的深さは0.4から1.0です。B リングの内側には、クレープ リングと呼ばれることもある 3 番目の主要なリングである C リングがありますが、食品のクレープとはまったく似ていません。それは 1.23 から 1.52 の土星半径にあり、光学深度は 0.1 に近い。土星半径 1.11 から 1.23 の C リングの内側には、非常に希薄な D リングがあり、星の光やそれを通過する電波には測定可能な影響がなく、反射光でのみ見ることができます。

A リングの外側には、土星半径 2.33 にある狭い F リングがあります。Fリングは複雑な構造で、粒子が密に螺旋状に巻かれている可能性があります。F リングの向こう側には、非常に薄い粒子の円盤である G リングがあり、その先にはさらに薄くて軽い粒子のリングがあります。これらの構造は人間の目には見えず、土星に接近するときに密度の違いを感知した宇宙探査機によってのみ検出されました。

しかし、それだけではありません。土星の半径が 128 から 207 まで広がっており、他の環をはるかに超えて、最も外側にあるのは、月フィービーへの衝突から流された塵の広大で希薄な環です。これは、太陽系で最大の惑星リングです。ただし、光学的深さは非常に小さく、0.8 個のゼロの後に 2 が続きます。このリングは土星には実際には影響しませんが、フィービー自体に影響を与え、外気圏の構成をわずかに変更して、通常よりも密度を高くし、粒子を重くします。他の月も、月自体に同様の影響を与える独自の同様のディスクを作成しました。

土星の衛星には、それ自体にさまざまな興味深い機能がたくさんありますが、それらについては来週のエピソードで説明することにします. 簡単に要約すると、今日は土星について、特にその大気と複雑なリングシステムに焦点を当てて話しました.