Солнечная система (Астрономия и астрофизика) - Сурдин Владимир Георгиевич - Страница 52

За спутниками Сатурна тянутся хвосты из нейтральных и ионизованных молекул и атомов газа, образующие гигантские торы на орбитах. Один из таких торов связан с атмосферой Титана — крупнейшего спутника Сатурна и второго по размеру и массе среди спутников планет (на первом месте спутник Юпитера Ганимед, и оба они крупнее Меркурия!).

Поверхность Титана, диаметр которого 5152 км., неразличима сквозь плотную атмосферу, имеющую давление у поверхности 1,5 бара и состоящую на 98,4% из азота и на 1,6% из метана.

В ней также обнаружено небольшое количество этана, пропана, ацетилена, аргона, окиси и двуокиси углерода, гелия и других газов. Температура верхних слоев атмосферы Титана близка к —120°С, а температура поверхности —179°С. Туман в атмосфере рассеивает и отражает солнечные лучи, создавая «антипарниковый эффект», снижающий температуру поверхности. Днем поверхность освещена не ярче, чем в сумерки на Земле. Поверхность Титана состоит изо льда с примесью силикатных пород. Средняя плотность спутника 1,88 г/см³. Магнитного поля у Титана нет. Сила тяжести там в 7 раз слабее земной, так что, учитывая высокую плотность воздуха, человек на Титане, вероятно, смог бы летать, укрепив на руках крылья.

Измеренная яркостная температура внешнего слоя облаков на Сатурне составила всего 80—90 К, а эффективная температура планеты 95 К. Плотность потока солнечной энергии, достигающий Сатурна, в 91 раз меньше, чем на Земле. Солнце на небе Сатурна выглядит совсем маленьким диском, почти в 10 раз меньшим, чем при наблюдении с Земли. С учетом альбедо, несмотря на огромные размеры Сатурна, он получает в 2,7 раз меньше энергии, чем наша маленькая Земля. На этом фоне весьма заметны собственные источники энергии: тепловой поток от Сатурна, по разным оценкам, в 1,9—2,2 раза превышает поток энергии, получаемой от Солнца. Отчасти это реликтовое тепло, но не только оно.

В качестве дополнительного источника энергии называют гравитационную дифференциацию. Согласно одной из наиболее реалистичных гипотез, более тяжелый гелий медленно погружается к центру планеты, а водород всплывает; это движение вызывает выделение тепла, в конечном счете излучаемого в космос. Эта гипотеза находит подтверждение: в атмосфере Сатурна содержится 94% водорода (по объему), а гелий составляет почти все остальные 6%. Напомним, что в атмосфере Юпитера гелия около 11 %. Если средний состав обеих планет одинаков, такое различие действительно может указывать, что значительная доля гелия на Сатурне «утонула». Схема внутреннего строения Сатурна приведена на рис. в разделе «Юпитер».

Радиоисточник у 80°с.ш. Магнитосфера Сатурна

Хотя физические процессы на планетах-гигантах подчиняются общим законам физики, но многие обнаруженные явления зачастую надолго остаются необъясненными. Среди них — особенности магнитного поля Сатурна, «споки» на кольцах и необычные источники радиоизлучения.

Одна из загадочных находок, относящихся к самой планете, — неизвестный источник радиоизлучения, наблюдавшийся с «Вояджера-1». В одном из экспериментов было обнаружено изменяющееся радиоизлучение, исходящее откуда-то из области высоких широт Сатурна. Излучение принималось в широкой полосе частот, причем максимальная мощность приходилась на 175 кГц. Так как приемное устройство имело всенаправленную антенну, указать точное направление на источник не удалось. И все-таки была намечена длинная полоса, около 25000 км., в пределах которой должен находиться источник. Вторую такую же полосу дали измерения «Вояджера-2». Их пересечение указало на положение источника: у 80-й северной параллели. Оказалось, что он излучает сравнительно короткий, весьма мощный импульс с периодом повторения, очень близким к 10ч. 39,4мин., т.е. один раз за сатурнианские сутки, причем излучение возникает именно в тот момент, когда источник проходит через полуденный меридиан, что весьма напоминает сигнал службы времени!

Не следует, конечно, понимать это так наивно. Подобно радиоисточнику на орбите спутника Юпитера Ио, излучение радиоисточника на Сатурне регистрируется с достаточно высокой, но не 100%-ной вероятностью, хотя и более высокой, чем у Ио. По характеру излучения удалось понять, что размер источника на Сатурне достаточно мал. За прошедшие 20 лет найти убедительную разгадку природы этого излучения не удалось. Теория могла бы подсказать ответ, если бы магнитное поле Сатурна имело более сложный характер. Но поле почти дипольное, гармоники высшего порядка (в отличие от Юпитера) невелики. Период вращения района источника также составляет 10ч. 39,4мин. Поверхности в земном смысле у Сатурна нет, это газо-жидкая планета. С чем связан источник радиоимпульсов, остается неизвестным. Отмечается странное совпадение: именно в этой точке ультрафиолетовый спектрометр «Вояджера-1» заметил полярное сияние в виде кольца.

Зарегистрированы и другие источники радиошумов внутри магнитосферы Сатурна, но они связаны не с самой планетой, а с плазменными торами на орбитах спутников. За спутниками Сатурна тянутся хвосты из нейтральных и ионизованных молекул и атомов газа. Вероятно, один из источников такого тора — атмосфера Титана. Этот тор занимает пространство между орбитами Титана и Реи, более полумиллиона километров. Он состоит в основном из нейтрального водорода. Плазменный тор охватывает спутники Энцелад, Тефия и Диона. Магнитосфера взаимодействует с заряженными частицами и заставляет тор вращаться вместе с нею. Центробежные силы стягивают нейтральный газ и плазму в диск, расположенный в плоскости колец, отбрасывая более тяжелые ионы на периферию.

Магнитосфера Сатурна значительно отличается от магнитосферы Юпитера. Напряженность магнитного поля планеты на уровне видимых облаков на экваторе составляет чуть больше 0,2 Гс. (на поверхности Земли 0,35 Гс.). Но магнитный момент Сатурна гораздо больше, чем у Земли, из-за объема планеты. Магнитное поле Сатурна имеет уникальный характер.

Сравнительно недавно удалось найти некоторые аналитические решения для механизма возбуждения магнитного поля планет, которые доказали свою работоспособность на примерах Земли, Меркурия и Юпитера. Для возбуждения поля необходимым условием был угол около 10—12° между осью вращения планеты и осью магнитного диполя. Именно таковы углы между этими осями у перечисленных планет. Но у Сатурна ось вращения до долей градуса совпадает с осью диполя. Поэтому сразу же возникла необходимость пересмотра теоретических представлений.

В случае Сатурна поле создается более глубокими частями планеты, чем у Юпитера. Направление поля у обеих планет одинаково и противоположно направлению поля Земли. Магнитосфера Сатурна имеет более правильный и симметричный вид, чем весьма протяженная и сложная по форме магнитосфера Юпитера. Ударная волна, где газодинамическое давление солнечного ветра уравновешивается упругостью магнитосферы, с дневной стороны находится примерно на расстоянии 35 R_с (радиусов планеты). С ночной стороны магнитосфера простирается на огромные расстояния. Радиационные пояса имеют правильную форму и состоят из нескольких характерных зон, образующих типичную тороидальную форму с внешним радиусом 20—22 R_с.

В радиационных поясах имеются пустые полости, «очищенные» от заряженных частиц спутниками и кольцами Сатурна. Особенно эффективны в этом отношении кольца, так как энергичные частицы, путешествующие вдоль магнитных силовых линий, легко захватываются огромной площадью материала колец. Вблизи колец концентрация частиц оказалась ничтожной. Вся зона вокруг колец пуста. Сами кольца, вероятно, выделяют нейтральный водород. Приборы зарегистрировали его ультрафиолетовое свечение.