Сатурн и его спутники

Реферат

по астрономии

САТУРН

ученицы 11 «1» класса

школы №1130

Карасевой Наталии

Москва
2001г.

Оглавление

Введение.. 3

Сатурн  ......... 3

АТМОСФЕРА
И ОБЛАЧНЫЙ СЛОЙ.. 4

МАГНИТНЫЕ
СВОЙСТВА САТУРНА. 5

КОЛЬЦА.. 7

Спутники.. 10

Список использованной литературы... 16

Введение

            Сатурн был известен с доисторических
времен. Галилей первым наблюдал его в телескоп в 1610 году. Ранние наблюдения
Сатурна были усложнены предположением, согласно которому Земля проходит через
плоскость колец Сатурна каждые несколько лет, когда Сатурн пересекает ее
орбиту. Только в 1659 году Кристиан Гюйгенс правильно вывел геометрию колец.
Кольца Сатурна оставались уникальными для Солнечной системы до 1977 года, когда
были обнаружены очень слабые кольца вокруг Урана и вскоре после этого вокруг
Юпитера и Нептуна.

            Первым кораблем, летавшим к Сатурну, был «Pioneer
11» в 1979 году, и позднее – «Voyager 1» и «Voyager 2». Cassini, который сейчас
находится на пути к нему, прибудет туда в 2004 году.

Сатурн 

   Сатурн, вторая
по размеру планета Солнечной системы, представляет собой огромный быстро
вращающийся (с периодом 10,23 часа) шар, состоящий преимущественно из жидкого
водорода и гелия, окутанный мощным слоем атмосферы. Экваториальный диаметр по
верхней границе облачного слоя составляет 120536 км, а полярный - на несколько
сотен километров меньше. В атмосфере Сатурна содержится 94% водорода и 6% гелия
(по объему). Отметим,
что в атмосфере Юпитера его 19%. 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.

АТМОСФЕРА И ОБЛАЧНЫЙ СЛОЙ

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.

Возникает
вопрос, действительно ли атмосферная активность Сатурна (например скорость
ветра) ниже, чем у Юпитера, или же детали его об­лачного  покрова просто хуже
видны с Земли из-за большего расстояния (около 1,5 млрд. км.) и более скудного
освещения  Солнцем  (почти  в 3,5 раза слабее освещения Юпитера)?

«Вояджерам» удалось получить снимки облачного покрова
Сатурна, на которых отчетливо запечатлена картина атмосферной циркуляции: де­сятки
облачных поясов, простирающихся вдоль параллелей, а также от­дельные вихри.
Число облачных поясов больше, чем на Юпитере. Таким образом, снимки облачности
де­монстрируют своеобразие атмосферы Сатурна, которая даже активнее
юпитерианской.

            В отличие от Юпитера
полосы на Сатурне доходят до очень высоких широт - 78 градусов. Гигантское
овальное образование размером с Землю, расположенное недалеко от северного
полюса, названо Большим Коричневым Пятном, так же обнаружены несколько коричневых пятен
меньшего размера. Из-за большей, чем на Юпитере скорости потоков, эти ураганные
вихри быстро затухают и перемешиваются с полосами. Скорости зональных ветров в
районе экватора достигают 400 - 500 м/с, а на широте 30 градусов - около 100
м/с. Невысокая контрастность цветов на видимом диске Сатурна связана с тем, что
из-за низких температур в надоблачной атмосфере Сатурна, где пары аммиака
вымораживаются, образуется плотный слой тумана, скрывающего структуру поясов и
зон, поэтому на Сатурне они не так четко видны, как на Юпитере.

            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.  Источником внутренней
энергии может быть, согласно гипотезе, энергия, выделяемая за счет
гравитационной дифференциации вещества, когда более тяжелый гелий медленно
погружается в недра планеты. Сумма двух потоков и дает наблюдаемую температуру
пла­неты.

            «Вояджеры»
обнаружили ультрафиолетовое излучение водорода в атмосфере средних широт и
полярные сияния на широтах выше 65 градусов. Подобная активность может привести
к образованию сложных углеводородных молекул. Полярные сияния средних широт,
которые происходят только в освещенных Солнцем областях, возникают по тем же
причинам, что и полярные сияния на Земле. Разница лишь в том, что на нашей
планете это явление присуще исключительно более высоким широтам.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА САТУРНА.

До тех пор, пока первые космические аппараты не
достигли Сатур­на, наблюдательных данных о его магнитном поле не было вообще.
но из наземных радиоастрономических наблюдений явствовало, что Юпитер об­ладает
мощным магнитным полем. Об этом свидетельствовало нетепловое радиоизлучение на
дециметровых волнах, источник которого оказался больше видимого диска планеты,
причем он вытянут вдоль экватора Юпи­тера симметрично по отношению к диску.
Такая геометрия, а также по­ляризованность излучения свидетельствовали о том,
что наблюдаемое излучение магнитно-тормозное и источник его - электроны,
захваченные магнитным полем Юпитера и населяющие его радиационные пояса, анало­гичные
радиационным поясам Земли. Полеты к Юпитеры подтвердили эти выводы.

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.

Эти
предложения подтвердились. Еще при подлете «Пионера-11» к Сатурну его приборы
зарегистрировали в около планетном пространстве образования, типичные для
планеты, обладающей ярко выраженным магнит­ным полем: головную ударную волну,
границу магнитосферы (магнитопаузу), радиационные пояса (Земля и Вселенная,
1980, N2, с.22-25 - Ред.). В целом магнитосфера Сатурна весьма сходна с земной,
но, ко­нечно, значительно больше по размерам. Внешний радиус магнитосферы
Сатурна в подсолнечной точке составляет 23 экваториальных радиуса планеты, а
расстояние до ударной волны - 26 радиусов. Для сравнения можно напомнить, что
внешний радиус земной магнитосферы в подсолнеч­ной точке - около 10 земных
радиусов. Так что даже по относительным размерам магнитосфера Сатурна
превосходит земную более чем вдвое. Радиационные пояса Сатурна настолько
обширны, что охватывают не только кольца, но и орбиты некоторых внутренних
спутников планеты. Как и ожидалось, во внутренней части радиационных поясов,
которая «перегорожена» кольцами Сатурна, концентрация заряженных частиц зна­чительно
меньше. Причину этого легко понять, если вспомнить, что в радиационных поясах
частицы совершают колебательные движения пример­но в меридиональном
направлении, каждый раз пересекая экватор. Но у Сатурна в плоскости экватора
располагаются кольца: они поглощают почти все частицы, стремящиеся пройти
сквозь них. В результате внут­ренняя часть радиационных поясов, которая в
отсутствие колец была бы в системе Сатурна наиболее интенсивным источником
радиоизлучения, оказывается ослабленной. Тем не менее «Вояджер-1»,
приблизившись к Сатурну, все же обнаружил нетепловое радиоизлучение его
радиационных поясов.

В
отличие от Юпитера Сатурн излучает в километровом диапазоне длин волн. Заметив,
что интенсивность излучения модулирована с пери­одом 10ч. 39,4 мин.,
предположили, что это и есть период осевого вращения радиационных поясов, или,
другими словами, период вращения магнитного поля Сатурна. Но тогда это и период
вращения Сатурна. В самом деле, магнитное поле Сатурна порождается
электрическими токами в недрах планеты, - по-видимому, в слое, где под влиянием
колоссаль­ных давлений водород перешел в металлическое состояние. При вращении
этого слоя с той угловой скоростью вращается и магнитное поле.

            Вследствие большой вязкости вещества
внутренних частиц планеты все они вращаются с одинаковым периодом. Таким
образом, период вращения магнитного поля - это в то же время период вращения
большей части массы Сатурна (кроме атмосферы, которая вращается не как твердое
те­ло).   

КОЛЬЦА

С
Земли в телескоп хорошо видны три кольца: внешнее, средней яркости кольцо А;
среднее, наиболее яркое кольцо В и внутреннее, неяркое полупрозрачное кольцо С,
которое иногда называется креповым. Кольца чуть белее желтоватого диска
Сатурна. Расположены они в плоскости экватора планеты и очень тонки: при общей
ширине в радиальном направлении примерно 60 тыс.км. они имеют толщину менее 3
км. Спектроскопически было установлено, что кольца вращаются не так, как
твердое тело, - с расстоянием от Сатурна скорость убывает. Более то­го, каждая
точка колец имеет такую скорость, какую имел бы на этом
расстоянии спутник, свободно движущийся вокруг Сатурна по круговой орбите.
Отсюда ясно: кольца Сатурна по существу представляют собой колоссальное
скопление мелких твердых частиц, самостоятельно обращающихся вокруг планеты.
Размеры частиц столь малы, что их не видно не только в земные телескопы, но и с
борта космических аппаратов.

Характерная
особенность строения колец - темные кольцевые промежутки (деления), где
вещества очень мало. Самое широкое из них (3500 км) отделяет кольцо В от кольца
А и называется «делением Кассини» в честь астронома, впервые увидевшего его в
1675 году. При исключительно хороших атмосферных условиях таких делений с Земли
видно свыше десяти. Природа их, по-видимому, резонансная. Так, деление Кассини
- это область орбит, в которой период обращения каждой частицы вокруг Сатурна
ровно вдвое меньше, чем у ближайшего крупного спутника Сатурна - Мимаса. Из-за
такого совпадения Мимас своим притяжением как бы раскачивает частицы,
движущиеся внутри деления, и и в конце концов выбрасывает их оттуда.

Бортовые
камеры «Вояджеров» показали, что с близкого расстояния кольца Сатурна похожи на
граммофонную пластинку: они как бы расслоены на тысячи отдельных узких колечек
с темными прогалинами между ними. Прогалин так много, что объяснить их
резонансами с периодами обращения спутников Сатурна уже невозможно.

            Чем же
объясняется эта тонкая структура? Вероятно,  равномерное распределение частиц
по плоскости колец механически неустойчиво. Вследствие этого возникают круговые
волны плотности - это и есть наблюдаемая тонкая структура.

Помимо колец А,В и С
«Вояджеры» обнаружили еще четыре: D,E,F  и G. Все они очень разрежены и потому
неярки. Кольца D и E с трудом видны с Земли при особо благоприятных условиях;
кольца F и G обнаружены впервые.

Порядок
обозначения колец объясняется историческими причинами, поэтому он не совпадает
с алфавитным. Если расположить кольца по мере их удаления от Сатурна, то мы
получим ряд: D,C,B,A,F,G,E.

Особый
интерес и большую дискуссию вызвало кольцо F. К сожалению, вывести
окончательное суждение об этом объекте пока не удалось, так как наблюдения двух
«Вояджеров» не согласуются между собой. Бортовые камеры «Вояджера-1» показали,
что кольцо F состоит из нескольких колечек общей шириной 60 км., причем два из
них перевиты друг с другом, как шнурок. Некоторое время господствовало мнение,
что ответственность за эту необычную конфигурацию несут два небольших
новооткрытых спутника, движущихся непосредственно вблизи кольца F, - один из
внутреннего края, другой - у внешнего (чуть медленнее первого, так как он
дальше от Сатурна). Притяжение этих спутников не дает крайним частицам уходить
далеко от его середины, то есть спут­ники как бы «пасут» частицы, за что и
получили название «пастухов». Они же, как показали расчеты, вызывают движение
частиц по волнистой линии, что и создает наблюдаемые переплетения компонентов
кольца. Но «Вояджер-2», прошедший близ Сатурна девятью месяцами позже, не обна­ружил
в кольце F ни переплетений, ни каких-либо других искажений формы, - в частности,
и в непосредственной близости от «пастухов».  Таким образом, форма кольца
оказалась изменчивой. Для суждения о причинах  и  закономерностях  этой
изменчивости двух наблюдений, конечно, мало. С Земли же наблюдать кольцо F
современными  средствами  невозможно - яркость его слишком мала. Остается
надеяться, что более тщательное  исследование полученных «Вояджерами» снимков
кольца прольет свет на эту проблему.

Кольцо
D - ближайшее к планете. Видимо, оно простирается до самого облачного шара
Сатурна. Кольцо E - самое внешнее. Крайне разряженное, оно в то же время
наиболее широкое из всех - около 90 тыс.км. Величина зоны, которую оно
занимает, от 3,5 до 5 радиусов планеты. Плотность вещества в кольце E
возрастает по направлению к орбите спутника Сатурна Энцелада. Возможно, Энцелад
- источник вещества этого кольца.

Частицы
колец Сатурна, вероятно, ледяные, покрытые сверху инеем. Это было известно еще
из наземных наблюдений, и бортовые приборы космических аппаратов лишь
подтвердили правильность такого вывода. Размеры частиц главных колец
оценивались из наземных наблюдений в пределах от сантиметров до метров
(естественно, частицы не могут быть одинаковыми по величине: не исключается
также, что в разных кольцах типичный поперечник частиц различен).

Когда
«Вояджер-1» проходил вблизи Сатурна, радиопередатчик космического аппарата
последовательно пронизывал радиолучом не волне 3,6 см. кольцо А, деление
Кассини и кольцо С. Затем радиоизлучение было принято на Земле и подверглось
анализу. Удалось выяснить, что частицы указанных зон рассеивают радиоволны
преимущественно вперед, хотя и несколько по-разному. Благодаря этому оценили
средний поперечник частиц кольца А в 10 м, деления Кассини - в 8 м и кольца С -
в 2 м.

Сильное
рассеяние вперед, но на этот раз в видимом свете, обнаружено у колец F и E. Это
означает наличие в них значительного количества мелкой пыли (поперечник пылинки
около десятитысячных долей миллиметра).

В
кольце В обнаружили новый структурный элемент - радиальные образования,
получившие названия «спиц» из-за внешнего сходства со спицами колеса. Они также
состоят из мелкой пыли и расположены над плоскостью кольца. Не исключено, что
«спицы» удерживаются там силами электростатического отталкивания. Любопытно
отметить: изображения «спиц» были найдены на некоторых зарисовках Сатурна,
сделанных еще в прошлом веке. Но тогда никто не придал им значения.

Исследуя
кольца, «Вояджеры» обнаружили неожиданным эффект - многочисленные
кратковременные всплески радиоизлучения, поступающего от колец. Это не что
иное, как сигналы от электростатических разрядов - своего рода молнии. Источник
электризации частиц, по-видимому, столкновения между ними.

Кроме
того, была открыта окутывающая кольца газообразная атмосфера из нейтрального
атомарного водорода. «Вояджерами» наблюдалась линия Лайсан-альфа (1216 А) в
ультрафиолетовой части спектра. По ее интенсивности оценили число атомов
водорода в кубическом сантиметре атмосферы. Их оказалось примерно 600. Нужно
сказать, некоторые ученые задолго  до  запуска  к  Сатурну космических
аппаратов предсказывали возможность существования атмосферы у колец Сатурна.

«Вояджерами» была также сделана попытка измерить массу
колец. Трудность состояла в том, что масса колец по крайней мере в миллион раз
меньше массы Сатурна. Из-за этого траектория движения космического аппарата
вблизи Сатурна в громадной степени определяется мощным притяжением самой
планеты и лишь ничтожно возмущается слабым притяжением колец. Между тем именно
слабое притяжение и необходимо выявить. Лучше всего для этой цели подходила
траектория «Пионера-11». Но анализ измерений траектории аппарата по его
радиоизлучению показал, что кольца (в пределах точности измерений) на движение
аппарата не повлияли.  Точность же составила 1,7 х 10^-6 массы
Сатурна. Иными словами, масса колец заведомо меньше 1,7 миллионных долей массы
планеты.

Спутники

            Сатурн имеет, по
крайней мере, 28 спутников (ранее было известно 18) и 12 из них - больше 100 км
в диаметре.  Все спутники, кроме Гипериона и Фебы, повернуты к Сатурну
одной стороной

            Последние
10 спутников Сатурна были найдены в течении 6 недель. Сообщение об открытии
последних четырёх (от S/2000 S 7 до S/2000 S 10) было опубликовано в начале
декабря 2000 г в циркуляре Международного Астрономического союза. Они были
обнаружены интернациональной группой астрономов, возглавляемой Бреттом
Глэдманом (Brett Gladman) из Франции и Дж. Дж. Кавелаарсом (JJ Kavelaars) из
Канады.

            Впервые
спутники были замечены в ночь с 23 на 24 сентября  телескопом на горе
Мауна-Ки ( Гавайи). Затем существование этих спутников было подтверждено новыми
наблюдениями, проведенными в ноябре этого года с помощью одного из четырех
8-метровых телескопов, входящих в состав большого телескопа Very Large
Telescope в Чили, 2,2-метрового телескопа также из Европейской Южной
обсерватории в Чили и 5-метрового телескопа из Паломарской обсерватории в
Калифорнии.

            Ограниченное
число наблюдений не позволило астрономам получить подробную информацию о них и
даже точно рассчитать их орбиты. Предполагается, что эти спутники представляют
собой небольшие ледяные космические тела, которые были в свое время захвачены
гравитационным полем Сатурна.  Поэтому я дам информацию только о ранее
известных спутниках Сатурна.

            Орбита
внутренних спутников, Пан и Атлас, лежит около внешнего края кольца А.
Следующий спутник, Прометей, отвечает за щель, примыкающую к внутреннему краю
кольца F. Затем - Пандора, виновная в образовании другой границы кольца F. Они
обнаружены на снимках космических аппаратов. Следующие два спутника - Эпиметий
и Янус - обнаружены с Земли, они делят общую орбиту. Разница в удалении от
Сатурна составляет лишь 30-50 километров.