Планеты-гиганты
Геологическая история Европы не имеет ничего общего с историей соседних спутников. Европа одно из самых гладких тел в солнечной системе: на ней нет возвышенностей более ста метров высотой. Вся ледяная поверхность спутника покрыта сетью полос огромной протяженностью. Темные полосы длиной в тысячи километров – это следы глобальной системы трещин по всей Европе. Существование этих трещин объясняется тем, что ледяная поверхность достаточно подвижна и неоднократно раскалывалась от внутренних напряжений и крупномасштабных тектонических процессов.
Из-за того , что поверхность молодая ( всего 100млн. лет ) , на почти не заметно ударных метеоритных кратеров, которые в большом количестве возникали 4,5 млрд. лет назад. Учёные нашли на Европе только пять кратеров диаметрами 10-30 км.
Ганимед
Ганимед является крупнейшим спутником планет в Солнечной системе, его радиус равен 2631 км. Плотность мала, по сравнению с Ио и Европой, всего 1930кг/м3. Удаленность от Юпитера составляет 1,07 млн. км. Всю поверхность Ганимеда можно разделить на две группы: первая, занимающая 60% территории, представляет собой странные полосы льда, порожденные активными геологическими процессами 3,5 млрд. лет назад; вторая, занимающая остальные 40%, представляет собой древнюю мощную ледяную кору, покрытую многочисленными метеоритными кратерами, нужно также отметить, что эта кора было частична разломлена и обновлена теми же процессами, что и упомянутые выше.
С точки зрения космического геолога Ганимед- самое привлекательное тело среди спутников Юпитера. Он имеет смешанный силикатно- ледяной состав: мантию из водяного льда и каменное ядро . Его плотность 1930 кгм^3. В условиях низких температур и высоких внутренних давлений водяной лёд может существовать в нескольких модификациях с различными типами кристаллической решётки. Богатая геология Ганимеда во многом определяется сложными переходами между этими разновидностями льда. Поверхность спутника припорошена слоем рыхлой каменно-ледяной пыли толщиной от нескольких метров до нескольких десятков метров.
Каллисто
Это второй по величине спутник в системе Юпитера, его радиус 2400км. Среди галилеевых спутников Каллисто самый дальний: расстояние от Юпитера 1,88 млн. км, период вращения составляет 16,7 суток. Плотность силикатно-ледяной Каллисто мала – 1830кг/м3. Поверхность Каллисто до предела насыщена метеоритными кратерами. Темный цвет Каллисто – результат силикатных и других примесей. Каллисто – самое кратерированное тело Солнечной системы из всех известных. Огромной силы удар метеорита вызвал образование гигантской структуры, окружённой кольцевыми волнами , - Вальхаллы. В центре её находится кратер диаметром 350 км , а в радиусе 2000 км от него концентрическими кругами располагаются горные хребты.
У Юпитера внутри орбиты Ио открывается несколько маленьких спутников. Три из них – Метида, Адрастея и Теба- обнаружены с помощью межпланетных станций , и о них известно немного. Метида и Атрастея (их диаметры 40 и 20 км соответственно) движутся по краю главного кольца Юпитера ,по одной орбите радиусом 128000км. Эти самые быстрые спутники делают оборот вокруг гиганта Юпитера за 7 ч. со скоростью свыше 100000 км /ч.
Более удалённый спутник Теба расположен посередине между Ио и Юпитером- на расстоянии 222 тыс. км от планеты ; его диаметр около 100 км.
Наиболее крупный внутренний спутник Амальтерея имеет неправильную форму ( размеры 270*165*150 км) и покрыт кратерами ; он состоит из тугоплавких пород тёмно-красного цвета. Амальтелия обнаружена американским астрономом Эдуардом Бернардом в 1892 г. и стала пятым по счету открытым спутником Юпитера. Вращается она по орбите радиусом 181 тыс. км.
Внутренние спутники Юпитера и его четыре главные луны расположены вблизи плоскости экватора планеты на почти круговых орбитах. У орбит этих восьми спутников эксцентрисеты и наклонения настолько малы , что ни один из них не отклоняется от «идеальной» круговой траектории более чем на один градус . Такие спутники называются регулярными.
Остальные восемь спутников Юпитера относятся к нерегулярным и отличаются значительными эксцентрисетами и наклонениями орбит. В своём движении они могут они могут менять удаленность от планеты в 1,5-2 раза, отклоняясь при этом от её экваториальной плоскости на многие миллионы километров. Эти восемь внешних спутников Юпитера сгруппированы в две команды , котрые были названы по наиболее крупным телам : группа Гималии , куда также входят Леда, Лиситея и Элара ;и группа Пасифе с Ананке, Карме и Синопе. Эти спутники открывались с помощью наземных телескопов в течение 70 лет( 1904 –1974).Средние радиусы планет группы Гималии соответствуют 11,1-11,7 млн км . спутники группы Гималии совершают оборот вокруг Юпитера за 240-260 суток , а группы Пасифе -–за 630-760 суток , т.е. более чем за два года. Собственные радиусы спутников очень малы : в группе Гималии –от 8 км у Леды до 90 км у Гималии ; в группе Пасифе –от 15 до 35 км . они черны и неровны . Внешние спутники , входящие в группу Пасифе, вращаются вокруг Юпитера в обратную сторону.
Учёные еще не пришли к единому мнению о происхождении нерегулярных спутников.( Считается , что регулярные внутренние спутники сформировались из околопланетного газопылевого диска в результате слипания многих мелких частиц .) Ясно только , что важную роль в формировании внешних спутников играл захват Юпитером астероидов. Компьютерные расчеты показывают, что, возможно, группа Пасифе возникла в результате систематического захвата планетой мелких частиц и астероидов на обратные орбиты во внешней области околоюпитерианского диска.
С А Т У Р Н
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. Обнаружен, в частности, аналог Большого Красного Пятна Юпитера, хотя и меньших размеров. Установлено, что скорости ветров на Сатурне даже выше, чем на Юпитере: на экваторе 480 м/с, или 1700 км/ч. Число облачных поясов больше, чем на юпитере, и достигают они более высоких широт. Таким образом, снимки облачности демонстрируют своеобразие атмосферы Сатурна, которая даже активнее юпитерианской.
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. Сумма этих двух потоков и дает наблюдаемую температуру планеты. Космические аппараты подробно исследовали химический состав надоблачной атмосферы Сатурна. В основной она состоит почти на 89% из водорода. На втором месте гелий (около 11% по массе). 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 капельножидком состоянии. Он образует облачный покров Сатурна. Что касается малого контраста деталей, видимых в атмосфере Сатурна, о чем говорилось выше, то причины этого явления пока еще не вполне ясны. Было высказано предположение, что в атмосфере взвешена ослабляющая контраст дымка из мельчайших твердых частиц. Но наблюдения "Вояджера-2" опровергают это: темные полосы на поверхности планеты оставались резкими и ясными до самого края диска Сатурна, тогда как при наличии дымки они бы к краям замутнялись из-за большого количества частиц перед ними. Вопрос, таким образом, не может считаться решенным и требует дальнейшего расследования.
Данные, полученные с "Вояджера-1", помогли с большой точностью определить экваториальный радиус Сатурна. На уровне вершины облачного покрова экваториальный радиус составляет 60330 км. или в 9,46 раза больше земного. Уточнен также период обращения Сатурна вокруг оси: один оборот он совершает за 10 ч. 39,4 мин - в 2,25 раза быстрее Земли. Столь быстрое вращение привело к тому, что сжатие Сатурна значительно больше, чем у Земли. Экваториальный радиус Сатурна на 10% больше полярного (у Земли - только на 0,3%).
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 тепловое 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
C Земли в телескоп хорошо видны три кольца: внешнее, средней яркости кольцо А; среднее, наиболее яркое кольцо В и внутреннее, не яркое 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 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 со бой. 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 того6 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 массы Сатурна. Иными словами, масса колец заведомо меньше 1,7 миллионных долей массы планеты.
СПУТНИКИ
Если до полетов космических аппаратов к Сатурну было известно 10 спутников планеты, то сейчас мы знаем 22, названные, в основном, в честь героев античных мифов о титанах и гигантах . Новые спутники весьма малы, но тем не менее некоторые из них оказывают серьезное влияние на динамику системы Сатурна. Таков, например, маленький спутник, движущийся у внешнего края кольца А; он не дает частицам кольца выходить за пределы этого края. Это Атлас. Титан является вторым по величине спутником в Солнечной Системе. Его радиус равен 2575 километров. Его масса составляет 1,346 х 10 грамм (0,022 массы Земли), а средняя плотность 1,881 г/см. Это единственный спутник, обладающий значительной атмосферой, причем его атмосфера плотнее, чем у любой из планет земной группы, исключая Венеру. Титан подобен Венере еще и тем, что у него имеются глобальная дымка и даже небольшой тепличный подогрев у поверхности. В его атмосфере, вероятно, имеются метановые облака, но это твердо не установлено. Хотя в инфракрасном спектре преобладают метан и другие углеводороды, основным компонентом атмосферы является азот, который проявляется в сильных УФ-эмиссиях. Верхняя атмосфера весьма близка к изотермическому состоянию на всем пути от стратосферы до экзосферы, а температура на поверхности с точностью до нескольких градусов