Мир ледяных лун

К О М И Т Е Т                        П О                        В Ы С Ш Е Й                        Ш К О Л Е                        Р Ф

МОСКОВСКИЙ  ИНСТИТУТ  ИНЖЕНЕРОВ

ГЕОДЕЗИИ, АЭРОФОТОСЪЕМКИ И КАРТОГРАФИИ

КАФЕДРА

АСТРОНОМИИ И КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ

Р Е Ф Е Р А Т

на тему

"МИР ЛЕДЯНЫХ ЛУН"

Работу выполнил

студент ФПК I КГС   

Романовский Сергей

Москва

1992г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

1.ВВЕДЕНИЕ..............................................  1

2.АТМОСФЕРА И ОБЛАЧНЫЙ СЛОЙ.............................2-3

3.МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА САТУРНА............................4-5

4.КОЛЬЦА................................................6-9

5.СПУТНИКИ..............................................10-12

6.СПУТНИКИ САТУРНА......................................13-15

7.ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................16

8.ЛИТЕРАТУРА............................................16

В 1979-1981 годах космические аппараты "Пионер-11", "Вояд­жер-1" и "Вояджер-2" прошли близ Сатурна. Удалось исследо­вать планету, ее кольца и спутники с расстояний в тысячи раз более близких, чем при наблюдении с Земли.

ВВЕДЕНИЕ

"МИР ЛЕДЯНЫХ ЛУН"

Космическая геодезия - одна из наиболее молодых наук. так как она напрямую связана с космонавтикой и технологией, она получила бурное развитие. Если вначале использовали космические методы для исследования Земли, то со временем появилась возможность исследо-

вать и другие небесные объекты.

Первым небесным телом, которое было изучено методами косми­ческой геодезии, явилась Луна. В изучении Луны преуспели как советс-

кие, так и американские ученые.

Затем был предпринят "штурм" Венеры и Марса.

Однако, в исследовании внешних планет приоритет получили аме­риканцы. Одним из ярчайших примеров этого успеха явились программы

"Пионер" и "Вояджер". В программу этих проектов входило  исследова-

ние планеты Сатурн. Полеты АМС позволили уточнить основные характе­ристики планеты и ее спутников.

Данный реферат основан на информации, полученной с помощью этих космических аппаратов.

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.

Метерологические 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. Интерес-

но, что за счет нагревания одним Солнцем даже такой температуры по­лучить нельзя. Рассчет показывает: в недрах Сатурна имеется свой соб-

ственный 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 капельно-жидком 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 облач-

ного  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 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,  равномер-

ное 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 уда-

лось, 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 фор-

мы, - 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 раз-

ряженное, 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