| Главная » Файлы » Для учня/студента » Астрономія | [ Добавить материал ] |
Реферат на тему: Сатурн
| [ Скачать с сервера (64.0 Kb) ] | 23.05.2009, 22:49 |
| Безпосередні спостереження, проведені космічними літальними апаратами серії «Вояджер», дали більш точні значення розмірів планети і деяких інших характеристик Сатурна і його супутників. Так, встановлено такі значення екваторіального радіуса: Сатурн — 60 330 км; Мімас — 196 км; Ешіелад — 250 км; Тефія — 530 км; Діона —560 км; Рея — 765 км; Титан — 2575 км; Япет — 730 км; Феба — ПО км. (Для Сатурна, Урана, Юпітера й Нептуна екваторіальний радіус встановлюється як такий при тиску 1 бар, для супутників — як середній радіус поверхні). Екваторіальний радіус Сатурна на 10% більший за полярний. Розмір великої півосі орбіти Сатурна складає 1,427 млрд км. Маса Сатурна майже в 100 разів більша за масу Землі — вона складає 95,147 земної. Проведено виміри, що дозволили уточнити період обертання Сатурна навколо Сонця — він дорівнює 10 759 земних діб — і період обертання планети навколо осі, що складає 10 годин 39,4 хвилини, або 0,44403 земної доби. Через швидке обертання стискання Сатурна значно більше, ніж у Землі. Атмосфера Сатурна До того, як були отримані знімки атмосфери Сатурна, зроблені космічними літальними апаратами серії «Вояджер», на підставі спостережень у телескоп вважали, що в атмосфері цього гіганта мало деталей, причому вони слабко контрастують з навколишнім фоном — порівняно з Юпітером, в атмосфері якого давно спостерігаються контрастні деталі й утворення у вигляді ліній, смуг, плям, вузлів, що дозволило зробити припущення про високу активність атмосфери Юпітера й потужність процесів, що там протікають. Однак астрономи не схильні були робити категоричних висновків про те, що атмосфера Сатурна «спокійніша», аніж у Юпітера. Величезна різниця у віддаленості від Землі й слабка освітленість Сонцем не давали можливості роздивитися навіть у потужні телескопи таку кількість подробиць, що можна було б зробити остаточний висновок про якісні й кількісні характеристики його атмосфери. Сатурн розташований далі від нас, ніж Юпітер, а Сонце освітлює його в 3,5 рази слабкіше. Коли були отримані знімки хмарного покриву Сатурна, на них можна було чітко бачити результати атмосферної циркуляції: хмарні пояси, окремі вихрові потоки, утворення, аналогічне до Великої Червоної Плями Юпітера. Вдалося встановити, що швидкості атмосферних потоків на Сатурні досягають на еква-ТоРі 1700 км/год, що перевищує аналогічні швидкості на Юпітері. Сатурн одержує в 90 разів менше сонячного тепла, ніж Земля. Температура На Сатурні на рівні верхньої межі хмарного покриву складає всього 85 К, або — 180°С. Але навіть така низька температура не може бути отримана тільки за рахунок сонячної енергії. Розрахунки показали, що для того, щоб нагріти Са-- турн до типових для нього температур, у глибинних шарах планети повинно бути власне джерело тепла. До проведення прямого хімічного аналізу передбачалося, що атмосфера І Сатурна, подібно до атмосфери Юпітера, складатиметься в основному з водню. Аналізи підтвердили, що водню там майже 90%, а друге місце за кількістю займає гелій — 11%. Хмарна структура викликана присутністю в невеликих кількостях інших компонентів, що конденсуються, утворюючи шари конденсації так само, як і в атмосфері Юпітера, але розшарування починається на більшій глибині. Кількість гелію в атмосфері Сатурна менша, ніж у Юпітера. Якби співвідношення водню до гелію було майже таким самим, як сонячне (як у Юпітера, де воно близьке до сонячного), це свідчило б про те, що поділу водню й гелію в атмосфері не відбувалося. Однак обробка даних, отриманих «Вояджерами», показала, що атмосфера Сатурна порівняно бідна на гелій. Це пояснюється гравітаційним поділом, тому що гелій, важчий елемент, осідає в глибинні шари. Цей процес протікає з виділенням енергії, що робить свій внесок у температурний режим Сатурна. Кількість метану в атмосфері Сатурна майже така ж, як і в атмосфері Юпіте- І ра, а відношення вуглець/водень удвічі вище за сонячне. Кількість азоту загалом відповідає сонячному відношенню, хоча його роз- І поділ за атмосферними ізобаричними шарами ще точно не визначено. Водяна пара не була виявлена у верхніх шарах атмосфери планети. Різні теоретичні моделі припускають певну кількість пари в глибинних шарах. Встановлено співвідношення дейтерію й водню в атмосфері Сатурна. Воно аналогічне до юпітеріанського. Це ще раз підтверджує теорію, що встановлює спільний склад для первинної сонячної речовини і речовини, із якої утворилися планети-гіганти. У невеликих кількостях (аналогічно до Юпітера) у нерівноважних конденса- ] ціях присутній фосфін — фосфороводнева сполука. Крім того, в атмосфері Сатурна присутні аміак, етан, ацетилен. Метан в атмосфері Сатурна не конденсується, а аміак конденсується у верхніх шарах, утворюючи верхні шари хмар. Магнітне поле Спостереження, проведені за допомогою космічних літальних апаратів, І підтвердили, що Сатурн має досить сильне магнітне поле, яке за напруженістю можна порівняти з магнітним полем біля поверхні Землі. Якщо представити магнітне поле у вигляді параметрів ексцентричного диполя (диполь з повним магнітним моментом М, зміщений від центру планети на відстань г), то полярність диполя вважають негативною, якщо силові лінії виходять із південного магнітного полюса і повертаються в планету в північному, і позитивним при зворотному напрямку силових ліній. У Сатурна повний магнітний момент встановлений у розмірі 4,6 • 10м Ге -см3. Полярність магнітного диполя позитивна, кут нахилу еквівалентного диполя до осі обертання дорівнює 0,8°. Магнітне поле Сатурна трохи слабкіше, ніж власне магнітне поле Юпітера. І Механізм його походження не встановлений з достатньою вірогідністю. У. Хаб- 1 бард пропонує можливі моделі: швидше за все, на його думку, поле обумовлене дією механізму динамо в конвективному шарі розплавленого металевого водню. 1 Магнітне поле Сатурна відрізняється від магнітних полів інших планет Сонячної системи великою симетрією. Це може бути обумовлено невеликим розміром області металевого водню в порівнянні з радіусом планети. Незвичайним є також малий нахил еквівалентного диполя до осі обертання планети (у Землі він дорівнює 11,4, у Юпітера 10, у Меркурія 2,3°). Швидше за все, неосесиметричні компоненти магнітного поля відфільтровуються провідним шаром. Провідний шар не бере участі у дії динамо, він обертається незалежно щодо шарів, де генерується поле. Наявність такого конвективностійкого шару постулюється, виходячи з припущенна, що магнітне поле Сатурна дійсно генерується дією динамо в конвективному ядрі, яке складається з рідкого металевого водню. Якщо поле Сатурна за природою аналогічне до поля Юпітера, то воно повинно було б бути неосе-симетричним, тому що відповідно до теореми Каулінга конвекція рідини не може генерувати або підтримувати осесиметричне поле; воно може бути тільки тимчасовою конфігурацією, що виникла випадково. Можливо, саме такий вигляд має внутрішнє поле Сатурна. А ті силові лінії, що спостерігаються, мають великий ступінь осесиметричності. Тому логічно припустити, що вони проходять крізь стійкий провідний шар, який обертається з іншою швидкістю. Якщо область динамо оточена провідною оболонкою^ що обертається з іншою швидкістю, то осесиметричні компоненти поля не будуть осцилювати, а неосесиметричні — навпаки, осцилюють і загасають (скін-ефект). Модель, що припускає наявність диференційного обертового провідного шару, пояснює наявність осьової симетрії магнітного поля Сатурна. Але поки немає теорії, що пояснює природу утворення такого шару. Висуваються припущення, що цей шар з'явився в результаті диференціації водню й гелію або ж його походження обумовлене метеорологічними ефектами. Цікаво, що спочатку припускали, що магнітне поле Сатурна, якщо таке є, повинне бути абсолютно осесиметричним. Це випливало з того, що неможливо було визначити період обертання Сатурна навколо осі зі спостережень за магнітним полем. Тому вважалося, що поле інваріантне щодо обертання. Навіть спостереження, проведені космічним апаратом «Піонер-11», не дозволили розв'язати цю проблему. Тільки спостереження радіовипромінювання плазми, захопленої силовими лініями поля Сатурна, показали, що воно має секторну структуру. За типовими утвореннями (ударна хвиля, межа магнітосфери, магнітопауза, радіаційні пояси) магнітосфера Сатурна подібна до земної. Зовнішній радіус магнітосфери Сатурна в підсонячній точці складає 23 екваторіальні радіуси планети, а відстань до ударної хвилі — 26 радіусів. Магнітосфера Сатурна більша за земну (якщо мати на увазі розмір щодо радіуса планети) більше ніж удвічі. Радіаційні пояси Сатурна захоплюють не тільки кільця, але й орбіти деяких внутрішніх супутників планети. У тій частині радіаційних поясів, що включає кільця Сатурна, концентрація заряджених частинок значно зменшується. Це пов'язано з тим, що при перетинанні екватора в радіаційних поясах частинки здійснюють коливальні рухи приблизно в меридіональному напрямку. А через те, що в площині екватора знаходяться кільця, то вони починають більшість частинок, які проходять крізь них, що значно послаблює Радіовипромінювання від внутрішньої частини радіаційних поясів. У зв'язку 3 Чим воно було зафіксоване тільки приладами «Вояджера-1», який підійшов на досить близьку відстань до планети. Кільця Сатурна Уперше кільця Сатурна спостерігав у телескоп І. Кеплер. Своїм відкриттям він не поділився ані з побратимами-астрономами, ані з громадськістю. Кеплер залишив зашифрований запис, що розшифровується так: «Найвищу планету потрійну спостерігав». Найвищою, тобто найбільш віддаленою планетою, на той час був саме Сатурн. Кеплер побоявся глузувань і втрати репутації, але не міг не залишити запис про своє відкриття. Пізніше астрономи роздивилися, що Сатурн має своєрідні «прикраси»: він оточений кільцями. У телескопи добре були помітні три кільця. Донедавна кільця вважалися особливістю, властивою тільки Сатурну, але в 1974 році розріджені кільця відкрили в Урана, а в 1979 — у Юпітера. Стає зрозуміло, що це не винятковий, а, скоріше, типовий випадок. Три кільця, помітні в телескоп із Землі, позначаються буквами А, В і С. Найбільш яскравим є середнє кільце — В. Зовнішнє має середню яскравість, а внутрішнє, кільце С, називають ще креповим, тому що воно має найменшу яскравість і виглядає напівпрозорим. Кільця мають світліший відтінок, ніж сама планета. Коли з'явилася спектральна астрономія, спектрографічні дослідження показали, що кільця Сатурна не є монолітним утворенням. Вони обертаються навколо планети не як одне тіло, навпаки, кожна точка кілець рухається так, як повинен рухатися супутник, що обертається навколо Сатурна уздовж кругової орбіти. Стало зрозумілим, що кільця являють собою скупчення безлічі твердих тіл із середнім поперечником близько дециметра. Кожне з цих тіл обертається навколо планети як самостійний супутник. Кільця обертаються в площині екватора планети. Загальна ширина в радіальному напрямку складає приблизно 250 тис. км, що майже в 20 разів більше за поперечник Землі. При цьому вони завтовшки менше 3 км. Між кільцями Сатурна розташовані темні проміжки, де частинок дуже мало. Найширший темний поділ розташований між кільцями В і А. Він називається щілиною Кассіні за іменем астронома, який вперше побачив його в 1675 році. Із Землі можна спостерігати й інші подібні поділи кілець (близько 10), але це можливо за винятково сприятливих атмосферних умов. Природа поділів точно не встановлена. Можливо, причиною їхньої появи є резонансний вплив найближчих великих супутників. Так, щілина Кассіні розташовується в такій області, де період обертання кожної частинки навколо Сатурна рівно вдвічі менший, ніж у найближчого великого супутника — Мімаса. Тому гравітаційний вплив Мімаса викидає частинки з області орбіт, яка знаходиться усередині щілини, і їхня кількість там різко зменшується. Частинки рухаються уздовж більш стабільних орбіт. Однак резонансна природа інших поділів не витримує критики. Спостереження, проведені «Вояджерами», показали, що кожне кільце у свою чергу складається з безлічі окремих колечок із вузькими темними проміжками між ними. Це схоже на виникнення внаслідок порушення рівномірності розподілу твердих частинок по площині кругових хвиль густини. Саме вони створюють тонку структуру кілець. Крім давно відомих кілець нещодавно були відкриті ще чотири: D, Е, F і G. Ці кільця дуже розріджені, неяскраві. Якщо перші два спостерігалися із Землі в потужні телескопи за сприятливих атмосферних умов, то два інші кільця були відкриті апаратом «Вояджер-1». Кільця позначаються буквами латинського алфавіту не в порядку їхньої віддаленості від планети, а в порядку відкриття. Тому якшо розташувати кільця в порядку їхньої віддаленості від Сатурна, то вийде ряд: D, С, В, A, F, G, Е. Найбільш цікавим виявилося кільце F. Спостереження «Вояджера-1» показали, шо кільце F складається з кількох тонких кілець завширшки 60 км. Два з них мають незвичайну структуру: вони переплетені одне з одним. Була запропонована модель, відповідно до якої така структура є результатом впливу двох невеликих нововідкритих супутників, орбіти яких розташовані відповідно біля внутрішнього краю кільця й біля зовнішнього. Швидкість обертання останнього менша, тому що воно розташоване далі від Сатурна. Гравітаційний вплив цих супутників не дає крайнім частинкам віддалятися від середини кільця. Супутники одержали назву пастухів, тому що вони ніби «пасуть» частинки, що складають кільце, не даючи їм розлетітися. Розрахунки показали, що вплив супутників-пастухів викликає рух частинок по хвилястій лінії, що і створює переплетення компонентів спостережуваних кілець. Однак яким сильним було здивування вчених, коли через дев'ять місяців були отримані дані з «Вояджера-2». Бортові камери не знайшли в кільці F жодних структур — ані переплетень, ані яких-небудь інших перекручувань. Незвичайне утворення виявилося нестабільним. Можливі й інші причини таких значних відмінностей даних, але їх виявлення вимагає ретельного вивчення знімків кільця. Безпосереднє спостереження із Землі, на превеликий жаль учених, неможливе. Найближчим до планети є кільце D. Воно простягається до межі хмарного шару Сатурна. Найбільш віддаленим від планети є кільце Е. Воно виявилося і найбільш розрідженим, і найширшим з усіх — близько 90 тис. км. Воно займає зону діаметром від 3,5 до 5 радіусів Сатурна. Густина речовини в кільці Е зростає в напрямку до орбіти супутника Сатурна Енцелада, що свідчить про можливе загальне походження речовини кільця й супутника. На знімках видно деталі, за якими можна зробити висновок, що частинки кілець Сатурна вкриті льодом та інеєм, а деякі з них, імовірно, повністю складаються з льоду. Розміри частинок за спостереженнями із Землі встановлювалися близько одного метра. Очевидно, що насправді розміри варіюються від сантиметрів до метрів. Дослідження «Вояджера-1» дозволили уточнити розміри частинок, що складають кільце А, кільце С і поділ Кассіні. Ці зони послідовно пронизувалися радіопроменем на хвилі 3,6 см. В основному, частки розсіювали хвилі в такому напрямку, що дозволило оцінити середній поперечник частинок кільця А в 10 м, поділу Кассіні — у 8 м і кільця С — у 2 м. У частинок кілець F і Е було виявлено сильне розсіювання "вперед у видимій частині спектра. Це свідчить про наявність у них значної кількості дрібного пилу, причому розміри однієї порошини складають близько десятитисячних часток міліметра. У кільці В знайшли новий структурний елемент — радіальні утворення, що складаються з дрібного пилу. Вони розташовані над площиною кільця і нагадують спиці в колесі. Походження «спиць» пов'язують із силами електростатичного відштовхування. Дослідження літальних апаратів встановили, що від кілець ідуть численні короткочасні сплески радіовипромінювання. Вони є результатом електростатичних розрядів, що виникають від електризації частинок через зіткнення. Ще за кілька десятиліть до польоту «Вояджерів» і можливості безпосередніх спостережень деякі астрономи пророкували наявність атмосфери у кілець Сатурна І справді, апаратура зафіксувала наявність лінії Лайсан-альфа (1216 А) в ультрафіолетовій частині спектра, що відповідає атомарному водню. Кількість атомів оцінили приблизно в 600 на см3 Супутники Супутники планет-гігантів, у тому числі й Сатурна, утворилися, швидше за все, з тієї ж планетезималї, із якої утворилося первісне ядро самої планети. Під час утворення планет зовнішньої частини Сонячної системи температура була низькою, тому первинний склад планетезималей являв собою хімічно рівноважну суміш конденсатів. Склад цієї суміші повинен бути стійким при температурах близько 150 К і тисках близько мілібарів. Якщо така модель правильна, то супутники складаються із суміші гірських порід, заліза й льодів. Склад льодів визначається порядком конденсації у залежності від температур. Якщо розташувати їх у міру зниження температури, вийде послідовність: Н20, NH3, СН Найбільш близькими за складом до первинних планетезималей вважаються комети, але склад супутників може істотно відрізнятися від складу ядра комет, у тому числі й через можливе зростання температури акреації під час утворення супутника, що призведе до випаровування найбільш летких льодів. У телескопи спостерігалися 10 супутників Сатурна, але польоти космічних апаратів принесли відкриття: уже до 1980 року було відомо 7 нових супутників. Вони настільки малі, що їх неможливо спостерігати із Землі, але деякі з них впливають на динаміку системи Сатурна. Атлас, орбіта якого знаходиться біля зовнішнього краю кільця А, не дає частинкам кільця виходити за його межі. Титан є єдиним за величиною супутником Сатурна, який порівнюють із га-лілеєвими супутниками Юпітера. Інші значно менші, Титан має радіус, що дорівнює 2575 кілометрам. Велика піввісь орбіти дорівнює 1,222-106 км. Маса Титана визначена в 0,0225 маси Землі. Середня густина 1,881 г/см. Період орбітального обертання складає 15,945 земної доби. Поверхня Титана оповита хмарами. Атмосфера цього супутника щільна, подібно до атмосфери Венери. Титан має тепличний ефект біля поверхні. Основна складова атмосфери Титана — N2, але є значна домішка СН4. В інфрачервоному спектрі переважає метан. Температура верхньої атмосфери рівномірна, температура на поверхні Титана дорівнює 94 К. Цікаво, що поверхня цього супутника ізотермічна по всій сфері. В атмосфері присутні аерозолі, які, мабуть, є продуктом фотохімічних перетворень метану. Спостерігаються також органічні молекули. Япет — третій за величиною супутник Сатурна. Його радіус дорівнює 730 км, велика піввісь орбіти — 3,56 106. Маса Япета складає 3,15 десятитисячних маси Землі. Період обертання навколо Сатурна дорівнює 79,331 земної доби. Півкуля, обернена до Сатурна, вкрита кратерами. На світлій речовині видимого боку Япета виявлено безліч кратерів із темним дном, а на темній речовині відсутні кратери зі світлим дном або ж іншими білими плямами. Рея ледь перевершує Япет за розмірами. її радіус дорівнює 765 км, діаметр — 1530 км, а густина 1,24±0,05 г/см3 Рея становить собою приклад порівняно простого крижаного супутника. На ній відсутня темна речовина, характерна для Япета. | |
| Просмотров: 428 | Загрузок: 122 | | |