Сатурн

Сегодня мы поговорим о планете Сатурн. Это 6-я планета от Солнца и вторая по величине из всех. Сатурн также известен как самая красивая планета, поскольку он может похвастаться потрясающим набором колец, окружающих центр планеты. Хотя это не единственная планета с кольцами , у нее, безусловно, самая большая пара. У него 82 спутника, 53 из которых подтверждены, а 29 все еще ждут официального одобрения. Это самая дальняя планета, которую можно увидеть невооруженным глазом, и она названа в честь римского бога земледелия и богатства. Он отец Юпитера и многих братьев и сестер Юпитера, последнего из которых он проглотил целиком. Это… сложная история, если не сказать больше.

Сатурн является газовым гигантом и имеет объем, превышающий 760 земных, а массу около 95 земных. Его радиус составляет 36 183,7, что примерно в 9 раз шире Земли. При среднем расстоянии 886 миллионов миль Сатурн находится на расстоянии 9,5 астрономических единиц от Солнца. С такого расстояния солнечному свету требуется 80 минут, чтобы добраться от Солнца до Сатурна. Сатурну требуется около 29,4 года, чтобы совершить один оборот вокруг Солнца, однако он вращается вокруг своей оси гораздо быстрее, один раз за 10,7 часа. Это означает, что Сатурн имеет второй самый короткий день в Солнечной системе, лишь немного уступая Юпитеру. Сатурн также имеет приличный наклон оси около 26,73, что очень похоже на земной, поэтому обе планеты переживают времена года с одинаковой интенсивностью.

Подобно Юпитеру, планета также пережила миграцию около 4 миллиардов лет назад. Ученые считают, что изначально Сатурн был намного ближе к Солнцу, чем сейчас, но затем отдалился от него. Поскольку Юпитер также удалился от Солнца, объединенная сила, порожденная движением этих двух огромных планет, отбросила Уран и Нептун гораздо дальше от Солнца, чем они были изначально.

Исследования также показали, что Сатурн на самом деле может защищать Землю от опасных астероидов, отгоняя их от нашей планеты. Сила притяжения Сатурна помогает отклонять любые пролетающие астероиды, входящие из облака Оорта или пояса Койпера, которые расположены на краях нашей Солнечной системы. Отклоняя эти астероиды, Сатурн меняет их путь, чтобы они больше не направлялись к Земле и, возможно, не вызывали катастрофы. Если вы слушали эпизод о поясе астероидов, то знаете, что столкновения с астероидами не приносят пользы нашей планете.

Если смотреть с земли, Сатурн имеет туманный желто-коричневый цвет. Но поверхность, наблюдаемая в телескопы, гораздо сложнее: комплекс облачных слоев украшен множеством мелкомасштабных элементов, таких как красные, коричневые и белые пятна, а также различные облачные полосы, водовороты и вихри, которые различаются между собой. в течение довольно короткого времени. В этом Сатурн напоминает более мягкого и менее активного Юпитера. Однако эффектное исключение из этого регулярного движения произошло в 1990 году, когда большая, светлая штормовая система появилась вблизи экватора, а затем расширилась до размера, превышающего 12 400 миль, и в конечном итоге распространилась вокруг экватора, прежде чем исчезнуть в небытие. Бури, подобные по своей внушительности этому «Большому белому пятну», названному по аналогии с Большим красным пятном Юпитера, наблюдались с интервалом примерно в 30 лет, начиная с конца 19 века. Это близко к периоду обращения Сатурна в 29,4 года, что говорит о том, что эти штормы являются сезонными явлениями, хотя ученые не уверены, что вызывает такой внезапный и величественный шторм.

Атмосфера Сатурна состоит в основном из молекулярного водорода и гелия. Точное относительное содержание двух молекул неизвестно, но по наилучшей оценке атмосфера планеты состоит из 18–25 процентов гелия по массе. Остальное — это молекулярный водород и около 2% других молекул, вероятно доставленных на планету в результате столкновений и ударов. Также считается, что гелий на Сатурне сосредоточен вокруг самой внешней атмосферы планеты, в то время как внутренняя атмосфера намного более тяжелая водородом.

Из этих 2% других молекул, присутствующих на поверхности Сатурна, большинство составляют метан или аммиак. Опять же, точное количество неизвестно, однако ученые знают, что на Сатурне содержится от 2 до 7 раз больше аммиака и метана, чем на Солнце, что также является вероятной причиной окраски облаков Сатурна в желтоватый цвет. Считается, что самая высокая облачная палуба состоит из кристаллов аммиака. Предполагается также присутствие сероводорода и воды в более глубоких слоях атмосферы, но они еще не обнаружены.

Следствием большого наклона оси Сатурна является то, что кольца отбрасывают темные тени на зимнее полушарие, еще больше уменьшая тусклый зимний солнечный свет. Изображения освещенных солнцем участков северного полушария зимой, сделанные Кассини, показали удивительно чистую голубую атмосферу, что, возможно, было следствием уменьшения образования фотохимической дымки в тенях колец. Фотохимическая дымка — это, по сути, научный термин для обозначения смога.

Астрономы на Земле проанализировали преломление, также известное как отклонение звездного света и радиоволн от космического корабля, проходящего через атмосферу Сатурна, чтобы получить информацию о температуре атмосферы. Прямо на краях атмосферы планеты средняя температура составляет -190 градусов по Фаренгейту. Самые низкие температуры на планете по какой-то причине происходят немного глубже, внутри ее стратосферы. Самая низкая температура, зарегистрированная в этом регионе, составила -312 градусов по Фаренгейту. Затем, когда вы спускаетесь еще глубже в планету, температура начинает расти. К тому времени, когда вы достигаете тропосферы, они составляют около -217 градусов по Фаренгейту. Затем температура продолжает снижаться еще больше, чем глубже вы погружаетесь и чем ближе вы подходите к центру Сатурна.

Как и другие планеты-гиганты, Сатурн имеет атмосферную циркуляцию, в которой преобладает поток с востока на запад. Это проявляется в виде узора из более светлых и более темных полос облаков, подобных полосам Юпитера, хотя полосы Сатурна более тонко окрашены и шире вблизи экватора.

Поскольку Сатурн — газообразная планета, у него нет твердой поверхности. Это означает, что его ветры должны быть измерены относительно какой-то другой системы отсчета. Как и на Юпитере, ветры измеряются по отношению к вращению магнитного поля Сатурна. В этом кадре практически все атмосферные потоки Сатурна направлены на восток, то есть в направлении вращения. В районах вблизи экватора наблюдается особенно активный поток на восток с максимальной скоростью, близкой к 470 метрам в секунду, но иногда с более медленными периодами, когда скорость приближается к 270 метрам в секунду. Эта особенность аналогична той, что есть на Юпитере, но простирается в два раза шире по широте и движется в четыре раза быстрее. Напротив, самые сильные ветры на Земле возникают в тропических циклонах, где в экстремальных случаях устойчивая скорость может превышать 67 метров в секунду.

Зональные потоки удивительно симметричны относительно экватора Сатурна. Это означает, что каждое течение на данной северной широте обычно имеет аналог на аналогичной южной широте. Сильные потоки на восток видны на 46° северной и южной широты и примерно на 60° северной и южной широты. Потоки западного направления, которые на самом деле почти стационарны в системе отсчета магнитного поля, видны на 40°, 55° и 70° северной и южной широты. Насколько нам показывают наши наблюдения, эти потоки постоянны и регулярны и не исчезают, как могли бы некоторые другие потоки.

Сильные ураганоподобные циклонические вихри обнаруживаются немного смещенными от центра как северного, так и южного полюсов Сатурна. Теплый глаз вихря на южном полюсе имеет диаметр 1200 миль и окружен облаками, возвышающимися на 30–40 миль над полярными облаками. Тропические циклоны в южном полушарии Земли также имеют теплые центральные глаза, текут по часовой стрелке и окружены высокими облаками, но все в гораздо меньшем масштабе. Любопытной особенностью циклона вблизи северного полюса является то, что он движется по гексагональной схеме вокруг полюса. Облака движутся по шестиугольнику против часовой стрелки со скоростью около 100 метров в секунду, что соответствует примерно 220 милям в час. Подобные угловые узоры наблюдались в ведрах с вращающимися жидкостями и, вероятно, возникают из-за взаимодействия волн.

В атмосфере также наблюдалось богатое разнообразие мелких деталей. Особенно поразительны около двух дюжин прояснений облаков одинакового размера, почти равномерно расположенных на 100° долготы около 33,5° северной широты, каждая из которых имеет диаметр около 930 миль. На инфракрасных изображениях теплового излучения Сатурна эти просветы выглядят как яркая «нитка жемчуга», протянувшаяся через всю планету.

В южном полушарии спутники, вращающиеся вокруг планеты на 35° южной широты, часто регистрировали коротковолновые радиоизлучения от гроз, в сотни раз более интенсивные, чем на Земле, и длящиеся от нескольких недель до месяцев. Эти грозовые очаги связаны с густыми светлыми облачными образованиями, по-видимому, вызванными сильными конвективными движениями. Широты как прояснения облаков, так и грозовых бурь являются зонами быстрых западных ветров, движущихся противоположно большинству других зональных потоков на планете, что позволяет предположить, что этот противоположный поток ветра может вызывать некоторые странные реакции, которые, следовательно, создают эти особенности.

Сам Сатурн в целом имеет очень низкую плотность. На самом деле, если бы вы каким-то образом поместили планету в гигантскую ванну, наполненную обычной старой водой, Сатурн плавал бы на ней! Информация о недрах планеты получается при изучении ее гравитационного поля, которое не является сферически симметричным. Быстрое вращение и низкая средняя плотность приводят к искажению физической формы планеты, а также искажают форму ее гравитационного поля. Форму поля можно точно измерить по его влиянию на движение космических аппаратов поблизости и на форму некоторых компонентов колец Сатурна. Анализ этого искажения говорит нам о том, что внутренние области Сатурна состоят только из примерно 50% водорода по весу, а остальная часть этой области должна состоять из более тяжелых материалов. Что это за материал на самом деле, ученые не уверены. Однако из-за сильного давления в центре Сатурна ученые знают, что любой водород, присутствующий на этом уровне, должен быть в металлической жидкой форме, такой как литий. А в самом центре планеты, она же ее ядро, находится каменно-ледяная сфера общей массой около 15–18 земных масс. Вращение этого металлического водорода вокруг этого плотного ядра образует электрические токи, питающие магнитное поле Сатурна.

Магнитное поле Сатурна напоминает поле простого стержневого магнита, его ось север-юг выровнена с точностью до 1° от оси вращения Сатурна с центром магнитного диполя в центре планеты. Полярность поля, как и у Юпитера, противоположна полярности нынешнего поля Земли. Это означает, что если бы вы взяли земной компас на Сатурн, он фактически указывал бы на юг, а не на север. Магнитное поле Сатурна не такое сильное, как у Юпитера, но примерно в 578 раз сильнее магнитного поля Земли.

Магнитосфера Сатурна представляет собой каплевидную область пространства вокруг планеты, где поведение заряженных частиц, в основном исходящих от солнечного ветра, определяется магнитным полем планеты. Закругленная сторона слезинки направлена ​​к Солнцу, образуя границу, официально известную как магнитопауза, с вытекающим солнечным ветром на расстоянии около 750 000 миль от центра планеты, но со значительными колебаниями из-за изменений давления со стороны Солнца. ветер. На противоположной стороне Сатурна магнитосфера вытянута в огромный магнитосферный хвост, простирающийся на огромные расстояния.

Внутренняя магнитосфера Сатурна, как и магнитосферы Земли и Юпитера, удерживает стабильную популяцию высокоэнергетических заряженных частиц, движущихся по спирали вдоль силовых линий магнитного поля планеты. Когда эти частицы затем по спирали попадают в атмосферу планеты, они создают полярные сияния, которые представляют собой великолепные проявления света, такие как северное сияние на Земле. Однако по какой-то причине в популяции этих частиц имеются «дыры» вдоль некоторых силовых линий, которые пересекаются с большими кольцами планеты или орбитами лун, расположенных внутри магнитосферы.

Спутники Сатурна Титан и Гиперион вращаются на расстояниях, близких к минимальным размерам магнитосферы, и они иногда пересекают магнитопаузу и выходят за пределы магнитосферы Сатурна. Энергичные заряженные частицы, захваченные внешней магнитосферой Сатурна, сталкиваются с нейтральными атомами в верхних слоях атмосферы Титана и заряжают их энергией, вызывая эрозию атмосферы Сатурна. Однако эта эрозия довольно минимальна и не должна существенно влиять на структуру планеты.

Теперь о самой примечательной особенности Сатурна: его кольцах. Галилео Галилей был первым, кто увидел кольца Сатурна в 1610 году, хотя в его телескоп кольца больше походили на ручки или руки. Сорок пять лет спустя, в 1655 году, голландский астроном Христиан Гюйгенс, у которого был более мощный телескоп, позже предположил, что Сатурн имеет тонкое плоское кольцо. В 1675 году французским астрономом итальянского происхождения Джан Доменико Кассини открытие большого промежутка внутри диска, теперь известного как деление Кассини, поставило под сомнение возможность сплошного кольца, а французский математик и ученый Пьер-Симон Лаплас опубликовал теорию. в 1789 году кольца были составлены из множества более мелких компонентов. В 1857 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл математически продемонстрировал, что кольца могут быть стабильными только в том случае, если они состоят из очень большого количества мелких частиц.

После столетий изучения этих колец сегодня известно, что Сатурн на самом деле имеет множество колец, состоящих из миллиардов частиц льда и камня, размером от крупинки сахара до размера дома. Однако, несмотря на огромную ширину этих колец, они также чрезвычайно тонкие. Главные кольца имеют диаметр 170 000 миль, но их толщина не превышает 330 футов. Вся система колец простирается почти на 16 000 000 миль, включая слабые внешние кольца.

Как и кольца других планет-гигантов, главные кольца Сатурна лежат в пределах классического предела Роша. Это расстояние, которое в идеализированном случае составляет 2,44 радиуса Сатурна, или 91 300 миль, представляет собой ближайшее расстояние, на которое довольно большая луна может приблизиться к центру своего более массивного планетарного родителя, прежде чем она будет жестоко разорвана приливными силами. Имейте в виду, что этот предел применяется только к объектам, которые удерживаются вместе за счет гравитационного притяжения, поэтому предел Роша на самом деле не применяется к относительно небольшим телам, где молекулярное сцепление важнее, чем приливные силы, пытающиеся покончить с этим.

Как упоминалось ранее, частицы, из которых состоят кольца Сатурна, бывают самых разных размеров. Но эти частицы на самом деле невидимы сами по себе, даже те, что размером с дом! Вместо этого ученые определяют их размер по их влиянию на рассеяние света и радиосигналов. Это распределение согласуется с результатом, ожидаемым от повторяющихся столкновений и разрушений изначально более крупных объектов. Эти изначально более крупные объекты считаются обломками, оставшимися от комет, астероидов или разрушенных лун.

В кольцах Сатурна были замечены загадочные спицы, которые, кажется, формируются и расходятся всего за несколько часов. Ученые считают, что эти спицы, вероятно, представляют собой небольшие облака крошечных частиц, которые приобретают электрические заряды, а затем взаимодействуют с магнитным полем Сатурна, которое отталкивает эти частицы от планеты в виде движущихся клиновидных спиц. Эти спицы также могут быть сезонными, поскольку до сих пор их наблюдали только в дни равноденствий Сатурна.

Более крупные тела, называемые кольцевыми лунами, порядка нескольких миль в диаметре, могут существовать внутри больших колец, но было обнаружено лишь несколько таких лун. Имеются свидетельства того, что временные спутники из «кучи щебня» постоянно создаются, а затем разрушаются под действием конкурирующих эффектов гравитации, столкновений и различной орбитальной скорости внутри плотных колец.

Поскольку кольца имеют такую ​​небольшую массу, вполне вероятно, что они очень молодые, от 10 до 100 миллионов лет. Таким образом, можно предположить, что большие кольца образовались в результате распада особенно большой кометы или, возможно, в результате разрушения большой ближайшей луны. Система главных колец состоит из трех широких главных колец, названных C, B и A в порядке увеличения расстояния от Сатурна.

Структура колец в общих чертах описывается их оптической толщиной в зависимости от расстояния до Сатурна. Оптическая глубина — это мера количества электромагнитного излучения, поглощаемого при прохождении через такую ​​среду, как облако, атмосфера планеты или область частиц в космосе. Таким образом, он служит индикатором средней плотности среды. Полностью прозрачная среда имеет оптическую толщину 0; по мере увеличения плотности среды увеличивается и численное значение.

Кольцо B — самое яркое, толстое и широкое из колец. Он простирается от 1,52 до 1,95 радиуса Сатурна и имеет оптическую толщину от 0,4 до 2,5. Эти значения являются диапазоном, поскольку они варьируются в зависимости от того, насколько далеко кольцо фактически находится от Сатурна, поскольку расстояние от планеты до кольца не является одинаковым на всем протяжении. Он визуально отделен от внешнего большого кольца, кольца А, делением Кассини, наиболее заметным разрывом в больших кольцах. Между 1,95 и 2,02 радиуса Сатурна находится деление Кассини.

Этот разрыв вызван притяжением одного из спутников Сатурна, называемого Мимасом. Эта луна находится в резонансе 2:1 с системой колец, а это означает, что частица кольца в делении Кассини будет дважды вращаться вокруг Сатурна за каждый раз, когда Мимас делает один оборот. Происходит следующее: если бы кольцевая частица находилась в делении Кассини, она притягивалась бы гравитацией Мимаса в одном и том же месте на своей орбите каждый раз, когда Мимас проходит мимо. Со временем небольшие гравитационные «рывки» складываются, точно так же, как подталкивание кого-то на качелях снова и снова заставляет качели подниматься выше. Гравитационное притяжение Мимаса в конечном итоге вытянет кольцевую частицу из деления Кассини — вот почему там есть щель, внутри которой нет кольцевых частиц.

Деление Кассини демонстрирует сложные изменения оптической толщины со средним значением 0,1. Кольцо А простирается от 2,02 до 2,27 радиуса Сатурна и имеет оптическую толщину от 0,4 до 1,0. Внутри кольца B находится третье основное кольцо, кольцо C, иногда известное как кольцо для блинов, хотя оно совсем не похоже на пищевые блины. Это от 1,23 до 1,52 радиуса Сатурна с оптической толщиной около 0,1. Внутри кольца C на расстоянии от 1,11 до 1,23 радиуса Сатурна находится чрезвычайно тонкое кольцо D, которое не оказывает заметного влияния на свет звезд или радиоволны, проходящие через него, и видимо только в отраженном свете.

Снаружи кольца A находится узкое кольцо F на 2,33 радиуса Сатурна. Кольцо F представляет собой сложную структуру, которая может представлять собой туго закрученную спираль из частиц. За кольцом F находится кольцо G, представляющее собой очень тонкий диск частиц, за которым находится еще более тонкое и легкое кольцо частиц. Эти структуры не видны человеческому глазу и были обнаружены только космическими зондами, которые почувствовали разницу в плотности при приближении к Сатурну.

Но это не все. Протянувшись от 128 до 207 радиусов Сатурна, далеко за пределами других колец, находится самое внешнее, обширное, тонкое кольцо пыли, сброшенной в результате ударов о луну Феба. Это самое большое планетарное кольцо в Солнечной системе; однако он имеет очень маленькую оптическую толщину, которая составляет еще 0,8 нуля, за которыми следует двойка. Это кольцо на самом деле не влияет на Сатурн, однако оно влияет на саму Фебу, немного изменяя состав экзосферы, делая ее более плотной и тяжелой, чем обычно. Другие луны также создали свои собственные подобные диски, которые оказывают аналогичное влияние на сами луны.

Спутники Сатурна сами по себе обладают целым рядом различных интересных особенностей, однако я думаю, что не буду говорить о них для эпизода на следующей неделе. Подводя итог, сегодня я рассказал все о Сатурне, особенно сосредоточив внимание на его атмосфере и сложной системе колец.