|
| |
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 Научный руководитель
студент ФПК I КГС доцент Краснорылов И.И.
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", "Вояд-
жер-1" и "Вояджер-2" прошли
близ Сатурна. Удалось исследо-
вать 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 косми-
ческой 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 аме-
риканцы. 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 характе-
ристики 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 поверх-
ности Сатурна, то есть на верхней границе его облачного покрова, за-
метно 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, свидетельству-
ющих о значительной активности его атмосферы.
Возникает вопрос, действительно ли атмосферная активность Сатурна
(например скорость ветра) ниже, чем у Юпитера, или же детали его об-
лачного 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: де-
сятки облачных поясов, простирающихся вдоль параллелей, а также от-
дельные вихри. Обнаружен, в частности, аналог Большого Красного Пят-
на 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 дос-
тигают они более высоких широт. Таким образом, снимки облачности де-
монстрируют 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 по-
лучить 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 пла-
неты.
Космические аппараты подробно исследовали химический состав на-
доблачной 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 грави-
тационным разделением гелия и водорода в недрах планеты: гелий, ко-
торый тяжелее, постепенно оседает на большие глубины (что, кстати
говоря, высвобождает часть энергии, "подогревающей" Сатурн). Другие
газы в атмосфере - метан, аммиак, этан, ацетилен, фосфин - присутст-
вуют 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 Са-
турна, 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 наблюде-
ния "Вояджера-2" опровергают это: темные полосы на поверхности пла-
неты оставались резкими и ясными до самого края диска Сатурна, тогда
как при наличии дымки они бы к краям замутнялись из-за большого ко-
личества частиц перед ними. Вопрос, таким образом, не может считать-
ся 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 быст-
рее 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 Сатур-
на, наблюдательных данных о его магнитном поле не было вообще. но из
наземных радиоастрономических наблюдений явствовало, что Юпитер об-
ладает мощным магнитным полем. Об этом свидетельствовало нетепловое
радиоизлучение на дециметровых волнах, источник которого оказался
больше видимого диска планеты, причем он вытянут вдоль экватора Юпи-
тера симметрично по отношению к диску. Такая геометрия, а также по-
ляризованность излучения свидетельствовали о том, что наблюдаемое
излучение магнитно-тормозное и источник его - электроны, захваченные
магнитным полем Юпитера и населяющие его радиационные пояса, анало-
гичные 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 магнит-
ным полем: головную ударную волну, границу магнитосферы (магнитопау-
зу), радиационные пояса (Земля и Вселенная, 1980, N2, с.22-25 -
Ред.). В целом магнитосфера Сатурна весьма сходна с земной, но, ко-
нечно, 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 подсолнеч-
ной 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 зна-
чительно меньше. Причину этого легко понять, если вспомнить, что в
радиационных поясах частицы совершают колебательные движения пример-
но 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 внут-
ренняя 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 пери-
одом 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 колоссаль-
ных 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 те-
ло).
КОЛЬЦА
------
С 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 плос-
кости экватора планеты и очень тонки: при общей ширине в радиальном
направлении примерно 60 тыс.км. они имеют толщину менее 3 км. Спект-
роскопически было установлено, что кольца вращаются не так, как
твердое тело, - с расстоянием от Сатурна скорость убывает. Более то-
го, 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 обраща-
ющихся 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 про-
межутки (деления), где вещества очень мало. Самое широкое из них
(3500 км) отделяет кольцо В от кольца А и называется "делением Кас-
сини" в честь астронома, впервые увидевшего его в 1675 году. При ис-
ключительно хороших атмосферных условиях таких делений с Земли видно
свыше десяти.Природа их, по-видимому, резонансная. Так, деление Кас-
сини - 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 расслое-
ны на тысячи отдельных узких колечек с темными прогалинами между ни-
ми. Прогалин так много, что объяснить их резонансами с периодами об-
ращения 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 обнару-
жены впервые.
Порядок обозначения колец объясняется историческими причинами,
поэтому он не совпадает с алфавитным. Если расположить кольца по ме-
ре их удаления от Сатурна, то мы получим ряд: D,C,B,A,F,G,E.
Особый интерес и большую дискуссию вызвало кольцо F. К сожале-
нию, вывести окончательное суждение об этом объекте пока не уда-
лось, 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 неболь-
ших 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 спут-
ники 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 обна-
ружил в кольце F ни переплетений, ни каких-либо других искажений фор-
мы, - в частности, и в непосредственной близости от "пастухов". Та-
ким образом, форма кольца оказалась изменчивой. Для суждения о причи-
нах и закономерностях этой изменчивости двух наблюдений, конечно,
мало. С Земли же наблюдать кольцо F современными средствами невоз-
можно - яркость его слишком мала. Остается надеяться, что более тща-
тельное 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 плане-
ты. 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 ине-
ем. 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 кос-
мического 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 попе-
речник 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, обна-
ружено у колец F и E. Это означает наличие в них значительного коли-
чества 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 разря-
дов - своего рода молнии. Источник электризации частиц, по-видимому,
столкновения между ними.
Кроме того6 была открыта окутывающая кольца газообразная атмос-
фера 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 космичес-
кого аппарата вблизи Сатурна в громадной степени определяется мощным
притяжением самой планеты и лишь ничтожно возмущается слабым притяже-
нием колец. Между тем именно слабое притяжение и необходимо выявить.
Лучше всего для этой цели подходила траектория "Пионера-11". Но ана-
лиз измерений траектории аппарата по его радиоизлучению показал, что
кольца ( в пределах точности измерений) на движение аппарата не пов-
лияли. 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 17 (Земля и Вселенная,
1981, N2, с. 40-45-Ред.). Новые семь спутников 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 пре-
делы этого края. Это Атлас. (В греческой мифологии многоглазый вели-
кан, стерегущий по приказу богини Геры возлюбленную Зевса Ио. В пе-
реносом смысле - бдительный страж).
Титан является вторым по величине спутником в Солнечной Систе-
ме. Его радиус равен 2575 километров. Его масса составляет 1,346 х
10 грумм (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 Ве-
неру. Титан подобен Венере еще и тем, что у него имеются глобальная
дымка и даже небольшой тепличный подогрев у поверхности. В его ат-
мосфере, вероятно, имеются метановые облака, но это твердо не уста-
новлено. 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 оди-
накова по всей сфере и равна 94 К. Радиусы темно-оранжевых или ко-
ричневых частиц стратосферного аэрозоля в основном не превышают 0,1
мкм, а на больших глубинах могут существовать более крупные частицы.
Предполагается, что аэрозоли являются конечным продуктом фотохими-
ческих превращений метана и что они аккумулируются на поверхности
(или растворяются в жидком метане или этане). Наблюдаемые углеводо-
роды и органические молекулы могут возникать при естественных фото-
химических процессах.
Удивительным свойством верхней атмосферы являются УФ-эмиссии,
приуроченные к дневной стороне, но слишком яркие, чтобы их могла
возбудить поступающая солнечная энергия. Водород быстро диссипирует,
пополняя наблюдаемый тор, вместе с некоторым количеством азота, вы-
биваемого при диссоциации N2 электронными ударами. На основе наблю-
даемого расщепления температуры можно построить глобальную систему
ветров.
Глобальный состав Титана, по-видимому,
| |
|
