Полная версия

Главная arrow Прочие arrow АСТРОНОМИЯ. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Спутники Сатурна.

По состоянию на середину 2018 г. в системе Сатурна открыто 63 спутника. Большинство спутников (23) обладают регулярным обращением вокруг планеты. Они движутся в «прямом» направлении и их орбиты лежат в плоскостях, близких к плоскости экватора и плоскости колец Сатурна. В то же время открыт ряд небольших спутников, плоскости которых, как и у нерегулярных спутников Юпитера, сильно наклонены к плоскости экватора планеты, при этом движение может быть обратным. Ниже кратко рассмотрены несколько спутников Сатурна. Большинство их состоит из водяного льда с несущественными добавками других компонентов.

Пан, Дафнис и Атлант. Крошечные (соответственно 20, 8 и 39 х х 27 км) спутники, обращаются вокруг Сатурна вблизи внешнего края кольца А (в 133 600, 136 500 и 137 700 км от центра Сатурна). Видимо, именно гравитационное воздействие этих спутников делает упомянутый край резким. Спутники, находящиеся вблизи края того или иного кольца Сатурна, получили название «пастухов» соответствующего кольца. Так, миниатюрный Дафнис обращается у внешней кромки кольца А внутри образованной им щели Килера с шириной от 32 до 47 км. Средняя плотность пастухов кольца А — Пана и Атланта — оценена всего в 0,6 г/см3. Это характерно для плотности рыхлого льда с большими пустотами.

Названия этих небесных тел даны в соответствии с именами греческой мифологии: Пан — бог стад, покровитель природы; Дафнис — прекрасный юноша, сын Гермеса и сицилийской нимфы, любимец богов; Атлант (Атлас) — титан, сын титана Япета.

Спутник Сатурна Пан (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.4. Спутник Сатурна Пан (космический аппарат «Кассини», NASA)

Прометей и Пандора. Эти спутники являются соответственно внутренним и внешним пастухами кольца F с размерами соответственно 148 х 68 и 110 х 62 км и радиусами орбит 139 400 и 141 700 км.

Снимки Пандоры с КА «Кассини» показали, что кратеры на этом небольшом спутнике сильно сглажены, а мелкие кратеры не видны. Создается впечатление, что весь этот спутник запорошен толстым слоем мелкозернистого вещества (ледяной пыли). Обнаружено два крупных кратера с размерами около 30 км.

Согласно греческой мифологии, Прометей — титан, добывший огонь для людей. Пандора — супруга его брата Эпиметея, открывшая коварно подаренный ей Зевсом ларец (так называемый ящик Пандоры), откуда появились все возможные людские несчастья.

Эпиметей и Янус. Спутники, находящиеся на очень близких орбитах, практически ко орбитальные. Высота орбит — соответственно 151 400 и 151 500 км над центром Сатурна. Размеры спутников — 138 х 110 и 194 х 154 км. Есть версия, что и Эпиметей, и Янус являются осколками одного и того же родительского небесного тела. Несмотря на относительно небольшие размеры, на Эпиметее обнаружено множество ударных кратеров, включая несколько крупных (диаметром более 30 км). В частности, кратер Hilairea имеет диаметр 33 км.

Эпиметей («думающий после») — мифологический персонаж, брат Прометея, женившийся на Пандоре. Янус у древних греков — двуликий бог входов, выходов и изменений во времени.

Спутник Сатурна Эпиметей (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.5. Спутник Сатурна Эпиметей (космический аппарат «Кассини», NASA)

Эгеон. Миниатюрный спутник размерами всего 500 м, встроенный в тонкое кольцо G. Предполагается, что выбросы вещества в результате ударов метеоритов о поверхность Эгеона и породили это кольцо. Область кольца вблизи спутника выглядит уплотненной, это уплотнение кольца называется арка. Орбита Эгеона находится в резонансе с орбитой спутника Мимас в отношении 6 : 7. Гравитационные возмущения со стороны Мимаса регулируют распределение вещества в арке вблизи Эгеона.

Мимас. Большая полуось орбиты этого спутника (среднее расстояние от центра Сатурна) — 185 000 км. Диаметр Мимаса 397 км. Его плотность немного больше, чем у небольших спутников, описанных выше — 1,2 г/см3 (лед с вкраплениями силикатов). Для этого спутника характерна относительно большая глубина метеоритных кратеров, наблюдаемых здесь повсеместно. По-видимому, это связано с меньшим количеством мелкозернистой пыли на поверхности, покрывающим его древнюю поверхность (например, по сравнению с Пандорой) — Мимас находится дальше от плотных пылевых колец Сатурна. Этот спутник обладает синхронным вращением. Посередине полушария, всегда повернутого к Сатурну, находится гигантский импактный кратер Гершель диаметром в 130 км (треть диаметра самого спутника) с центральным поднятием (пиком в центре кратера). Очевидно, удар был очень сильным, в результате чего могла измениться структура всего спутника. В принципе такой удар мог разрушить спутник.

Благодаря гравитации Мимаса сформировалась щель Кассини, которая разделяет кольца А и В. Она находится с Мимасом в резонансе 2 : 1, и гравитационное воздействие спутника выбрасывает частицы колец из этой области. Кроме того, воздействие Мимаса и ряда малых спутников (Пана, Атласа, Прометея, Пандоры, Януса и Эпиметея) удерживает от «расползания» внешний край кольца А.

Мимас и Эгеон названы по именам гекатонхейров — сторуких и пятидесятиголовых великанов, сыновей богов Урана и Геи.

Спутник Сатурна Мимас (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.6. Спутник Сатурна Мимас (космический аппарат «Кассини», NASA)

Анфа и Мефона. Крошечные спутники (размеры 2 и 3 км), движущиеся на средних расстояниях около 194 000—200 000 км от центра Сатурна. В 2008 г. аппарат «Кассини» зарегистрировал тонкие неполные кольца — арки, тянущиеся вдоль орбит спутников. Судя по всему, материалом арок является вещество, выбитое ударами метеоритов с поверхностей этих спутников. Размеры (протяженность) арок соответствуют областям, в пределах которых смещаются на своих орбитах

Анфа и Мефона из-за орбитального резонанса с Мимасом (периоды обращения этих спутников с периодом обращения Мимаса относятся как 11 : 10 и 15 : 14). Эти спутники наглядно демонстрируют пример взаимодействия спутников и колец Сатурна.

Названия даны по именам превращенных в птиц дочерей мифического великана Алкионея, бросившихся в море после убийства их отца Гераклом.

Энцелад. Один из интереснейших спутников Сатурна. Движется по почти круговой орбите на расстоянии 238 100 км от центра Сатурна. Диаметр этого практически сферического спутника 500 км. Средняя плотность Энцелада мала — 1,1 г/см3. Поверхность спутника очень светлая, Энцелад обладает одним из самых высоких альбедо в Солнечной системе, отражая 81 % падающего света.

Съемки с борта «Кассини» показали, что поверхность спутника молодая (кратеров очень мало), зато есть явные признаки мощных тектонических процессов в ледяной коре спутника. Обнаружены следы спрединга. На Земле термин «спрединг» применяется для обозначения геодинамического процесса растяжения (раздвигания) блоков литосферы, сопровождающегося заполнением освобождающегося пространства поступающей из недр магмой. Отличие спрединга на Энце- ладе заключается в том, что там он происходит в одном направлении, подобно движению ленты конвейера. Спрединг свидетельствует о том, что там действуют мощные силы подповерхностного нагрева и конвекции.

Еще один характерный тип поверхности Энцелада — система длинных квазипараллельных разломов в ледяной коре (трещин в полярных районах), получивших название «тигровые полосы». Это аналог срединноокеанических хребтов на Земле, где поднимающееся вулканическое вещество обновляет земную кору. В случае Энцелада речь может идти о движениях в расплаве льда (т. е. в воде). Согласно полученным данным, тигровые полосы ранее могли находиться на экваторе спутника. Их нынешнее нахождение в районе южного полюса может быть связано с ударом астероида, изменившего ось вращения спутника. Такая гипотеза объясняет, почему существенно различаются две современные полярные зоны Энцелада: южная — геологически молода, северная покрыта древними ударными кратерами.

Наблюдения с «Кассини» позволили обнаружить удивительный феномен — мощные струи водяного пара, бьющие из-под поверхности Энцелада в районе «тигровых полос». Часть вещества (белоснежные кристаллики льда) падает обратно на спутник, часть рассеивается в окружающем пространстве.

Аппарат «Кассини», двигаясь по орбите вокруг Сатурна, неоднократно проходил вблизи Энцелада, в том числе прямо сквозь струю гейзера, бьющую в космическое пространство. Непосредственные измерения показали, что в струе присутствуют микроскопические (с характерным размером 10 микрон) твердые кристаллики замерзшей при выбросе из недр спутника воды. В составе кристалликов, помимо воды (до 98 %), обнаружены водород (1 %), азот, углекислый газ С02, метан СН4, следы аммиака NH3, ацетилена С2Н2 и синильной кислоты (цианистого водорода) HCN, а также бикарбоната натрия NaHC03 (пищевая сода) и других солей натрия и калия.

Спутник Сатурна Энцелад (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.7. Спутник Сатурна Энцелад (космический аппарат «Кассини», NASA)

Весь набор имеющихся данных заставляет предполагать, что подо льдами Энцелада (толщиной 30—40 км) лежит океан из теплой или даже горячей жидкой воды толщиной порядка 10 км. При этом наличие солей в составе воды свидетельствует о сходстве этого океана с земным. В веществе водяных выбросов обнаружены крошечные частицы оксида кремния (песка), что можно интерпретировать как свидетельство в пользу наличия гидротермальных процессов на дне океана при температуре более 90 °С. В таких условиях в недрах океана могут протекать разнообразные химические реакции. Вероятно, водород, выбрасываемый гейзерами, выделяется в гидротермальных зонах на дне подледного океана в результате взаимодействия горячей воды с донными силикатными породами. Водород взаимодействует с растворенным в воде углекислым газом, образуя метан.

Скорее всего, в районе южного полюса толщина коры не превышает нескольких километров. На других участках с меньшей температурой возможно существование донных криовулканов (ледяных вулканов). Аппаратура «Кассини» зафиксировала заметные (в два раза) флуктуации плотности вещества в отдельных струях над «долиной гейзеров».

Открытие геологической активности на Энцеладе представляет собой серьезную научную проблему. Спутник слишком мал, чтобы долго сохранять тепло некогда разогретых недр. Это означает, что процесс разогрева внутренних слоев Энцелада происходит непрерывно, в том числе и сейчас. Основная версия сводится к применению к Энце- ладу теории, разработанной для Ио и Европы: сильное приливное воздействие Сатурна, а также возмущения орбиты близкими крупными спутниками, усиливающие приливные деформации, вызывают разогрев недр. Наибольшее влияние должен оказывать массивный спутник Диона, находящийся в резонансе 1:2с Энцеладом. Приливные деформации должны приводить к разогреву скального силикатного ядра Энцелада, плавлению снизу ледяной оболочки и образованию жидкой водяной теплой (или даже горячей) мантии. Вода под давлением плавающего на поверхности сплошного панциря (ледяной коры) выдавливается через трещины и другие каналы. Оказавшись в области низкого давления (у Энцелада, естественно, нет атмосферы) вода вскипает, расширяется и выплескивается наружу. Там водяной пар стремительно замерзает (на поверхности Энцелада температура близка к -200 °С) и выбрасывается в космос в виде высокой струи мелкодисперсных ледяных кристалликов. Частицы, движущиеся со скоростью более 200 м/с (скорость убегания для Энцелада), уходят в космос. Это вещество формирует внешнее рассеянное кольцо Е вокруг Сатурна. Частицы с меньшими скоростями оседают на поверхность спутника.

Водяные гейзеры на южном полюсе Энцелада (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.8. Водяные гейзеры на южном полюсе Энцелада (космический аппарат «Кассини», NASA)

Еще одна гипотеза рассматривает дополнительный фактор нагрева (расчеты показывают, что приливных эффектов может оказаться недостаточно). Если предположить, что каменистое тело Энцелада содержит множество пустот (до 30 % объема), то вода океана проникает практически до ядра и нагревается. Перепад температур должен генерировать мощные течения в подледном пространстве.

Остаются серьезными вопросы о причинах разогрева только вблизи южного полюса спутника (здесь теплее примерно на 10 °С по сравнению с экватором). Узкие участки вблизи тигровых полос заметно нагреты: температура там близка к -130 °С, в отдельных местах (вблизи так называемой долины Багдад) -93 °С. Установлено, что области повышенной температуры совпадают с молодыми геологически активными рытвинами и долинами во льдах Энцелада. Выше уже указано, что согласно имеющейся гипотезе, зона, ныне находящаяся в районе южного полюса Энцелада, ранее находилась в районе экватора и претерпела удар астероида. Возможно, температурные и другие отличия этой области связаны с последствиями импактного события.

Неясно, почему процессы, характерные для Энцелада, не наблюдаются на Мимасе, который лишь несущественно меньше по размерам. Феномен гейзеров и вероятного водного океана под ледяной поверхностью небольшого Энцелада остается предметом дискуссий и интенсивных теоретических исследований. Как и в случае с галилеевыми спутниками Юпитера, рассматривается потенциальная возможность существования внутренней биосферы в подледном океане Энцелада. В частности, реакции метаногенеза могли бы служить источником энергии для хемосинтезирующих организмов, известных на Земле.

Согласно мифологии, гигант Энцелад был сыном богов Урана и Геи и похоронен под вулканом Этна на острове Сицилия.

Тефия, Телесто и Калипсо. На расстоянии 294 700 км от центра Сатурна по одной и той же круговой орбите движутся сразу три спутника. Крупнейший из них — Тефия — входит в число наиболее крупных спутников Сатурна, ее диаметр составляет 1071 км. Средняя плотность спутника оценена в 1,0 г/см3; это означает, что вся Тефия состоит из водяного льда с минимальными примесями. Ледяная поверхность Тефии оказалась очень светлой, здесь видны многочисленные древние импактные кратеры. Один из кратеров Тефии имеет огромный размер — почти 400 км (диаметр Мимаса). С противоположной стороны спутника лежит гигантская долина Ithaca Chasma, протянувшаяся почти на 3/4 окружности этого небесного тела. Обнаружены следы древней активности: недра ледяного спутника, вероятно, в далеком прошлом расплавленные (содержащие жидкую воду), замерзали, расширяясь.

Спутник Сатурна Тефия (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.9. Спутник Сатурна Тефия (космический аппарат «Кассини», NASA)

При этом кора ломалась и трескалась, следы этих грандиозных процессов сохранились до настоящего времени. Оценки показывают, что указанные процессы могли примерно на 10 % увеличить общую площадь поверхности Тефии.

Для описания особенностей движения трех спутников по одной орбите необходимо введение понятия точек Лагранжа, или точек либрации. Решение задачи о движении в пространстве трех тел под влиянием собственного тяготения оказывается чрезвычайно сложным. Тем не менее для нескольких частных случаев Жозеф Луи Лагранж еще в XVIII веке нашел устойчивые математические решения, когда конфигурация из трех тел остается стабильной. Оказывается, если одно массивное тело обращается вокруг другого по кругу, то существует, как минимум, пять точек, неподвижных относительно этих двух тел. Попав в любую из этих точек, третье тело незначительной массы останется там навсегда: действие сил тяготения двух массивных тел заставит третье тело двигаться синхронно с ними.

Рассмотрим точки Лагранжа на примере спутников Сатурна. Пусть спутник Тефия движется вокруг Сатурна по круговой орбите. Существуют точки Лагранжа Ы, L2 и L3, лежащие на прямой, соединяющей Сатурн и Тефию: точка L1 располагается между ними, точка L2 находится на продолжении этой прямой за Тефией, а точка L3 — на противоположной стороне орбиты Тефии, за Сатурном. Наконец, существуют симметричные относительно этой прямой точки L4 и 15 — в 60° впереди и в 60° позади Тефии на ее орбите. Понятно, что точки Лагранжа имеет смысл исследовать во всех системах из двух массивных тел: Земля — Луна, Солнце — Юпитер и т. д. Особенно интересны точки L4 и L5, поскольку движение небольшого тела в окрестности каждой из них происходит устойчиво: случайно попавшее в окрестность одной из этих точек тело остается там навсегда. Небольшие спутники Телесто и Калипсо находятся в точках Лагранжа L4 и L5 на орбите Тефии. Размеры Телесто — 30 х 15 км, Калипсо — всего 19 км. Как и Тефия, это стопроцентно ледяные спутники.

Согласно мифам, Тефия — древнейшее божество, титанида — дочь Урана и Геи; Телесто — дочь Тефии; нимфа Калипсо — дочь держателя неба титана Атласа.

Диона, Елена и Полидевк. Спутники Диона, Елена и Полидевк также образуют лагранжеву тройку объектов, двигающуюся по одной и той же орбите радиусом 377 400 км вокруг Сатурна (радиус орбиты этих объектов равен радиусу орбиты Луны). Диона является крупным спутником диаметром 1120 км (втрое меньше Луны). Плотность ее около 1,5 г/см3, т. е. помимо льда там присутствуют более плотные (силикатные) материалы. Древняя поверхность Дионы испещрена ударными кратерами, причем там видны длинные светлые лучевые системы из вещества, выброшенного во время импактных событий далекого прошлого. Одна из версий допускает существование отложений инея в лучах. Диаметр крупнейшего из кратеров на Дионе — около 100 км. Удалось обнаружить протяженную извилистую долину, связанную, скорее всего, с трещинами в ледяной коре. Современная модель внутреннего строения Дионы говорит о существовании в ее недрах внутреннего океана глубиной до 90 км под толстой ледяной корой толщиной до 100 км.

Спутник Сатурна Диона (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.10. Спутник Сатурна Диона (космический аппарат «Кассини», NASA)

Маленький спутник Елена размером 36 х 30 км движется вблизи точки Лагранжа L4, обгоняя Диону в ее движении вокруг Сатурна на 60°. Судя по всему, Елена совершает колебания вблизи точки L4, то удаляясь, то приближаясь к Дионе с амплитудой около 15° и периодом 785 суток.

Полидевк, находящийся на той же орбите, имеет размеры около 3 км, совершает либрационные колебания возле точки Лагранжа 15 с периодом 791,3 суток и амплитудой около 20°.

Согласно мифам, Диона — богиня дождя; Елена — прекрасная женщина, дочь Зевса, жена царя Менелая; Полидевк (Поллукс) — сын Зевса.

Рея. Крупный спутник, диаметр — 1530 км при средней плотности 1,2 г/см3. Такое значение плотности можно интерпретировать, как проявление существования каменного ядра, соответствующего примерно трети диаметра спутника. Светлая поверхность (даже темные участки обладают альбедо выше 50 %) покрыта множеством древних кратеров. Крупнейшие достигают в размерах 300 км, например плоскодонный кратер Тирава.

Рея по многим параметрам похожа на Диону. Там наблюдаются яркие прямолинейные образования — структуры, возникавшие в древности, когда мог развиваться криовулканизм, и ледяные вулканы извергали воду. Не исключено, что подледный внутренний океан есть и у Реи.

В греческих мифах, Рея — дочь Урана и Геи, мать Зевса и многих других богов.

Титан. Самый крупный спутник Сатурна, по размерам превышающий планету Меркурий (диаметр Титана составляет 5151 км). Титан является также и самым плотным спутником Сатурна (1,9 г/см3). Магнитного поля у Титана не обнаружено. Титан открыт первым (Христиан Гюйгенс, 1655) среди спутников Сатурна.

Титан уникален и еще по одному параметру: это единственный спутник в Солнечной системе, обладающий плотной атмосферой. Атмосферное давление у поверхности спутника составляет 1,5 бар (в 1,5 раза больше, чем на Земле). Общая масса атмосферы Титана также в 1,5 раза больше земной, газовая оболочка простирается до 400 км.

Титан на фоне Сатурна (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.11. Титан на фоне Сатурна (космический аппарат «Кассини», NASA)

В составе атмосферы — азот (98,4 %) и метан СН4 (от 1,4 до 4,9 % на разных высотах). Заметим, что согласно некоторым гипотезам, метан может оказаться следствием биологической активности. Кроме того, в газовой оболочке Титана обнаружено небольшое количество этана С2Н6, пропана С3Н8, ацетилена С2Н2 и аргона Аг. Зафиксированы также синильная кислота HCN, толины и органические нитрилы, содержащие азот, а также набор достаточно тяжелых углеводородов. В то же время в атмосфере не обнаружены ксенон Хе, окись и двуокись углерода (СО и С02).

В 2015 г. «Кассини» зарегистрировал в атмосфере Титана необычное облако на огромной высоте — от 160 до 210 км над поверхностью, намного выше тропосферных метановых облаков. Указанное облако содержало циановодород и бензолы.

Как и у всех других спутников Сатурна, поверхность Титана очень холодна (-179 °С). Температура верхних слоев атмосферы заметно выше (-120 °С). Плотный туман, не позволяющий непосредственно наблюдать поверхность спутника, отражает и рассеивает лучи Солнца, создавая своеобразный антипарниковый эффект, снижающий температуру поверхности. Поверхность Титана состоит изо льда с примесью силикатных пород.

14 января 2005 г. от американского аппарата «Кассини» отделился европейский посадочный зонд «Гюйгенс» весом 318 кг. На протяжении почти двух с половиной часов он осуществлял парашютный спуск в атмосфере Титана и затем проработал около трех часов на его грунте. Прямые измерения показали, что вблизи поверхности концентрация метана в воздухе выросла до 5 %. Судя по звуку, зарегистрированному о время посадки (характерный шлепок), аппарат опустился на грунт, насыщенный жидкостью (консистенция грязи). Этой жидкостью оказался метан, при крайне низких температурах сгустившийся до жидкого состояния. Жидкий метан играет на Титане роль воды, а водяной лед — роль земных горных пород.

Съемки, выполненные во время спуска на парашюте, показали, что аппарат опустился на равнину, где наблюдались ряды длинных дюн высотой до 100 м. Химический состав этих дюн оказался неожиданным: это не лед и не силикатный песок, а комочки (аналоги песчинок) из смерзшихся углеводородов.

Поверхность Титана (Фото

Рис. 12.12. Поверхность Титана (Фото: «Гюйгенс», ЕКА)

Запасы углеводородов на Титане огромны. В верхней атмосфере под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения идут химические реакции, в результате которых из метана и других легких углеводородов и азота формируются разнообразные тяжелые органические молекулы. Эти вещества, похожие в концентрированном виде на темные смолы или деготь, осаждаются на поверхность спутника в виде холодной аэрозольной мороси, похожей на густой смог (смесь тумана и дыма на Земле). Расчеты показывают, что за тысячу лет на поверхности накапливается слой толщиной в 1 мм, за миллион лет — толщиной в метр. Это означает, что на поверхности Титана можно ожидать многометровых наслоений органических соединений.

Эти наслоения местами нарушаются метановыми дождями. Метановые ручьи и реки смывают органику, обнажая светлые ледяные массивы. Такие реки, впадающие в озера из жидких углеводородов, были обнаружены на снимках идущего на посадку зонда «Гюйгенс» и подтверждены радарными измерениями с космического аппарата «Кассини». Здесь обнаружены ветвящиеся узкие и глубокие (до сотен метров) каньоны с почти вертикальными стенами, на дне которых текут жидкие углеводороды. Кроме того, на Титане обнаружено более 400 озер из жидкого метана. Грандиозное озеро Кракен в северном полушарии имеет площадь более 400 000 км2, что больше крупнейшего озера на Земле — Каспийского моря. Аппарату «Кассини» удалось сфотографировать солнечный блик, отраженный от жидкой поверхности Моря Кракена. На втором месте по площади находится Лигейское море. Длительные наблюдения озер Титана с аппарата «Кассини» показали, что там отсутствуют высокие волны.

В озерах Титана обнаружен жидкий этан (мольная доля около 75 %). Еще 5—10 % приходятся на метан и пропан, 2—3 % на синильную кислоту, около 1 % — на бутан, бутилен и ацетилен. По-видимому, на Титане присутствует круговорот жидкого метана: метановые дожди, стекание по руслам «ручьев и рек» в метановые озера и испарение метана с образованием новых метановых облаков. В этом смысле метан выполняет роль воды на Земле.

На Титане удается выделить темные и светлые образования, которым даются названия. Привлекает внимание крупный светлый «материк» Ксанаду, природа которого пока неясна. Возможно, это сравнительно молодая поверхность без кратеров.

Общая площадь озер в северном полушарии в 20 раз превышает соответствующую величину в южном полушарии. Этот факт требует объяснений. Одна из версий сводится к тому, что данный эффект связан со сменой времен года. Год на Титане продолжается около 30 лет, каждое из времен года длится в среднем 7,5 лет. Вполне возможно, что по мере прогрева летнего полушария может происходить интенсивное испарение метановых озер, перенос газообразного метана в зимнее полушарие, конденсация, выпадение в виде жидкости в сухие котловины и заполнение зимних озер.

В то же время исследования показывают, что глубина озер Титана может достигать нескольких сотен метров. В летнее время, согласно расчетам, может испариться около метра жидкости, но вряд ли больше. Поэтому полностью испариться или наполниться за полгода (15 лет) озера не могут.

Другая версия связывает асимметрию Титана с особенностями орбиты Сатурна. Поскольку орбита Сатурна все же обладает некоторым эксцентриситетом, планета движется неравномерно вокруг Солнца. В результате и поток солнечных лучей, падающих на Титан, меняется неравномерно. Во время лета в южном полушарии Титан находится примерно на 11 % ближе к Солнцу, чем во время лета в своем северном полушарии. Поэтому лето в северном полушарии длится дольше, но оно менее теплое, по сравнению с коротким, но более «жарким» летом южного полушария. Возможно, именно это обстоятельство приводит к неравномерному испарению жидкостей и выпадению осадков, в результате чего в северном полушарии оказалось больше углеводородных озер, чем на юге.

Наличие жидкостей приводит к постоянному обновлению поверхности Титана. Здесь обнаружено мало (около 50) сохранившихся импакт- ных кратеров.

Внутреннее строение Титана в рамках современных моделей таково. Имеется силикатное ядро (от центра до 1750 км), покрытое слоем льда высокого давления (от 1750 до 2200 км). Над слоем льда находится жидкий океан глубиной более 300 км (!), в пределах от 2200 до 2505 км. Океан закрыт сверху плавающей ледяной корой толщиной около 70 км

(от 2505 до 2575 км). На этом уровне начинается азотно-углеводородная атмосфера толщиной 400 км.

По-видимому, в мощном подледном океане Титана присутствует большое количество разнообразных неорганических и органических соединений при сравнительно высокой температуре, а значит, и там не исключено существование внутренней биосферы. На сегодняшний день нет данных, какими свойствами — кислотными или щелочными — обладает указанный океан.

Наблюдения с зонда «Кассини» свидетельствуют в пользу гипотезы о существовании криовулканизма на Титане — выбросов воды, метана и аммиака из недр Титана. Есть гипотезы, которые говорят, что без выбросов метана из недр трудно объяснить общее его количество в атмосфере, поскольку часть метана должна разлагаться в атмосфере, а часть связываться, переходя в твердое состояние на поверхности. Присутствие в верхних слоях атмосферы паров воды и аммиака также трудно объяснить испарением при крайне низких температурах; оно может быть связано с вулканическими выбросами.

Не исключено, что климат Титана может периодически меняться в связи с деятельностью криовулканов: извержения должны инициировать обильные дожди и заполнение русел потоками углеводородных жидкостей, которые со временем испаряются и исчезают. Съемки с «Кассини» позволили обнаружить на Титане структуру, морфологически напоминающую вулканический купол диаметром около 30 км, имеющий впадину на вершине, похожую на кальдеру, и образования на склонах, напоминающие русла.

На поверхности Титана с помощью радиолокационной съемки обнаружены сложные формы рельефа — образования в форме пчелиных сот, долины с причудливыми краями. Открыты аналоги земных карстовых рельефов. На Земле появление таких рельефов связано с геологической деятельностью поверхностных и подземных вод: горные породы растворяются, и в них формируются пустоты.

Так, область Лабиринт Сикун на Титане очень похожа с точки зрения морфологии рельефа на области Белого Каньона в штате Юта (США), а также холмов Папуа — Новой Гвинеи и провинции Гуанси в Китае. (Сикун — название планеты из романа «Дюна» американского писа- теля-фантаста Фрэнка Герберта. Названия из «Дюны» стали использовать для обозначения геологических объектов на Титане — например, темная равнина Chusuk Planitia, названная в честь еще одной фантастической планеты — Чусук). Если гипотетические карсты Титана, где роль воды играют жидкие этан и метан, действительно похожи на карстовые структуры Земли, то можно ожидать, что в толще поверхностных льдов Титана могут существовать мощные пещерные системы.

Наблюдения с «Кассини» показали, что на Титане существует система ветров, дующих вдоль экватора. Скорость ветра на больших высотах, непосредственно измеренная аппаратом «Гюйгенс», составляла 60 км/ч и медленно уменьшалась по мере приближения аппарата к поверхности спутника.

В целом на Титане обнаружена сложная климатическая система с множеством процессов, нетипичных для Земли в связи с другим химическим составом и температурным режимом.

Термином «титаны» обозначалась в греческой мифологии группа божеств старшего поколения, детей Урана (неба) и Геи (Земли). Титаны были братьями и сестрами Сатурна (Крона), который тоже был титаном. В этом смысле название спутника выглядит неудачным (предпочтительнее было бы конкретное имя конкретного титана), однако оно исторически закрепилось за этим спутником.

Гиперион. Один из самых необычных спутников Сатурна и всей Солнечной системы. Размеры 360 х 280 х 226 км, радиус орбиты — 1481 тыс. км. Гиперион вращается вокруг оси хаотически («кувыркается» непредсказуемым образом).

Спутник Сатурна Гиперион (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.13. Спутник Сатурна Гиперион (космический аппарат «Кассини», NASA)

Средняя плотность составляет 0,57 г/см3. Столь низкая плотность связана с высокой пористостью: более 40 % объема спутника занимают пустоты и поры. Ударные кратеры на Гиперионе не только многочисленны, но и очень глубоки. Высокая пористость спутника позволяет ему эффективно поглощать мелкий и крупный космический мусор: метеориты проваливаются вглубь спутника, оставляя за собой новые глубокие каверны. Наблюдения с борта «Кассини» показали, что в глубине ледяного спутника, в нижних слоях глубоких кратеров наблюдается некий темный материал. Все это обеспечивает довольно низкое альбедо Гипериона (около 30 %). Поверхностный лед покрыт местами темно-красным органическим веществом неясного происхождения. Обнаружен здесь и «сухой лед» — молекулы замерзшей углекислоты присоединены к другим молекулам, что позволило им сохраниться на Гиперионе. Согласно одной из версий, именно утрата углекислоты привела к углублению кратеров и превращению спутника в высокопористое небесное тело.

Не исключено, что другие небольшие спутники Сатурна имеют схожее строение. Пока это неизвестно, поскольку отсутствуют снимки с близкого расстояния.

Согласно мифологии, Гиперион — титан, сын Урана и Геи.

Япет. Крупный спутник, несколько меньше Реи (диаметр Япета 1469 км). Расстояние до центра Сатурна — 3 560 800 км (почти в 10 раз больше радиуса орбиты Луны). Средняя плотность 1,3 г/см3. Япет имеет уникальное свойство: две стороны этого спутника сильно различаются по альбедо (более чем в 10 раз): одна сторона светлая (альбедо составляет 60 %), другая — очень темная (альбедо близко к 4 %). Эти различия были обнаружены еще Джованни Доменико Кассини, открывшим спутник в 1671 г.

Япет обладает синхронным вращением. Он летит по своей орбите вокруг Сатурна темной стороной вперед. Темная, покрытая кратерами «передняя» сторона получила название Cassini Regio. Диаметр крупнейшего кратера — почти 600 км, высота вала этого кратера — почти 15 км. Многие кратеры на светлой стороне Япета вблизи границы с темной стороной имеют темное дно. Спектрофотометрические исследования показали, что темная поверхность Япета близка по свойствам к органическим включениям в метеоритах типа углистых хондритов. И темное, и светлое вещество на поверхности переднего полушария спутника имеют красноватый оттенок, в отличие от «заднего» полушария. Но дно у молодых кратеров на темной стороне светлое. Это позволяет предположить, что темно-красный слой имеет толщину не более нескольких метров.

Различия в альбедо разных сторон Япета окончательного объяснения не имеют. Считается, что изначально Япет был светлым (водяной лед), а темное вещество образовано более поздними отложениями. Это может быть метан, извергавшийся из самого Япета, осевший на поверхность вблизи места извержения и потемневший под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Наиболее обоснована версия, что темно-красное пылевое вещество было извергнуто вулканами другого спутника — Фебы (либо выбито импактными событиями) и осело на Япете. В то же время цвет поверхности Фебы сильно отличается от цвета темной стороны Япета.

Одна из версий предполагает, что Япет «набирал» своей передней стороной темный материал из окружающего пространства (например, заряженные частицы из плазмосферы Сатурна). Другой вариант гипотезы заключается в том, что набранные этой стороной спутника заряженные частицы разрушили ярко-белый иней, некогда покрывавший всю поверхность Япета. По-видимому, окончательный ответ будет получен в будущем. Возможно, какое-то значение имеет тот факт, что плоскость орбиты Япета заметно (на 7,5°) наклонена к плоскости колец Сатурна, в отличие от всех вышеперечисленных спутников, чьи орбиты практически совпадают с этой плоскостью.

Еще один впечатляющий феномен Япета — уникальный хребет высотой и шириной до 20 км, протянувшийся точно вдоль экватора спутника на 1300 км (почти треть длины экватора. Из-за этого хребта Япет напоминает грецкий орех или целлулоидный мячик, склеенный из двух одинаковых половинок. Происхождение хребта загадочно.

Согласно одной из гипотез, в прошлом скорость вращения спутника была существенно больше, чем сейчас, при этом экваториальный диаметр был существенно больше полярного за счет центробежных сил. Впоследствии скорость вращения Япета быстро уменьшилась за счет приливных сил со стороны Сатурна, в результате чего спутник приобрел форму, близкую к сферической, площадь его поверхности сократилась, и выдавленные породы образовали хребет вдоль экватора.

Другая гипотеза рассматривает возможность медленного падения на Япет материала некоего кольца, которое в прошлом охватывало спутник над его экватором. Поскольку скорость падения была невысокой, вместо кратеров возникло нагромождение упавшего вещества вдоль экватора. Существует гипотеза о возможном существовании подледного океана на Япете, но уверенных данных в пользу этого предположения нет.

Япет, согласно греческим мифам, — один из титанов, сын Урана и Геи.

Спутник Сатурна Япет (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.14. Спутник Сатурна Япет (космический аппарат «Кассини», NASA)

Феба. Находится на расстоянии 12 944 000 км от центра Сатурна. Размер этого сравнительно небольшого спутника составляет 220 км. Плотность — 1,6 г/см3 указывает на приблизительное равенство количества силикатов и льда. Феба движется в обратном направлении, плоскость ее орбиты сильно наклонена к экватору Сатурна и к плоскости его орбиты. Существует версия, что Феба — астероид либо даже кометное ядро, захваченный гравитацией Сатурна. Поверхность спутника достаточно темная. Феба близка по составу астероидам С-типа. Не исключено, что ранее она принадлежала так называемому семейству кентавров — темным объектам, двигающимся вокруг Солнца по вытянутым орбитам, вероятно, пришедшим во внутренние области Солнечной системы из периферийного образования — пояса Койпера за пределами орбиты Нептуна (об этом подробнее в дальнейших главах). Феба покрыта темным веществом толщиной от 300 до 500 м. Яркие участки поверхности связаны с обнажениями льда. В спектре Фебы присутствуют линии поглощения, свидетельствующие о наличии здесь молекул органических веществ, цианидов и азотсодержащих соединений.

Спутник Сатурна Феба (космический аппарат «Кассини», NASA)

Рис. 12.75. Спутник Сатурна Феба (космический аппарат «Кассини», NASA)

Вероятно, именно с Фебой связано открытие, сделанное в 2009 г. космическим инфракрасным телескопом «Спитцер». Он обнаружил еще одно, крайне разреженное, кольцо вокруг Сатурна, не наблюдаемое в оптическим диапазоне из-за чрезвычайно низкой плотности. Кольцо начинается примерно в 6 миллионах километров от Сатурна и тянется еще на 12 миллионов километров. Оно состоит преимущественно из частиц пыли и льда, температура которых не превышает 80 К. В центре нового кольца располагается Феба. Было высказано предположение, что именно этот спутник служит основным источником вещества кольца.

Согласно греческой мифологии, Феба — титанида, дочь Урана и Геи.

Малые спутники Сатурна. Прочие спутники Сатурна малы (размеры в пределах 4—7 км), движутся по орбитам с разнообразным наклоном плоскости орбиты к плоскости экватора планеты. Направление вращения также различно. Самый дальний спутник, получивший название Форньот, движется вокруг Сатурна на среднем расстоянии 25 108 000 км, совершая один оборот за 1491 день (больше 4 земных лет). Эксцентриситеты некоторых нерегулярных спутников Сатурна превышают 0,5; это практически кометные орбиты — сильно вытянутые эллипсы.

В целом система Сатурна, включая гигантскую планету, кольца и многочисленные спутники, в том числе спутник Титан, обладающий плотной атмосферой, представляет собой сложную физическую систему, многие параметры которой пока мы лишь начинаем изучать.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Каковы основные различия Сатурна и Юпитера?
  • 2. Какие существуют гипотезы, объясняющие избыточное внутреннее тепло Сатурна?
  • 3. Чем можно объяснить существование щелей (делений) в кольцах Сатурна?
  • 4. Опишите основные характеристики колец Сатурна.
  • 5. Опишите основные характеристики Титана.
  • 6. Чем можно объяснить различия в альбедо разных полушарий Януса?
  • 7. Каковы основные гипотезы, объясняющие феномен гейзеров Энцелада?
  • 8. Чем объясняется несферичность Сатурна?
  • 9. Что такое спутники-пастухи? Почему они так называются?
  • 10. Сравните БКП на Юпитере и на Сатурне.
  • 11. Существует мнение, что сегодняшний Титан напоминает древнюю Землю. Укажите сходство и различия двух небесных тел.
  • 12. Что такое гексагон на Сатурне?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>