САТУРН

Сатурн — тоже гигантская планета, очень похожая на Юпитер, но более удаленная от Солнца и от Земли и потому более недоступная для исследования. Она имеет вокруг себя огромное плоское кольцо, что выделяет ее среди всех планет Солнечной системы. Другая ее примечательная особенность — наименьшая среди тел Солнечной системы средняя плотность: 0,69 г/см3, в два раза меньшая, чем у Солнца.

Температура поверхности Сатурна по измерениям потока инфракрасного излучения, исходящего из планеты, заключена в пределах от 83 до 123 К, что превышает равновесную температуру 80 К. Следовательно, в тепловом излучении Сатурна есть доля собственно глубинного потока, что подтверждается измерениями радиоизлучения. Оно соответствует температуре около 160 К в сантиметровом и 240 К — в дециметровом диапазоне, достигая 300 К на волне 21 см. Наоборот, очень коротковолновое излучение — поверхностное явление, так как оно сильно поглощается в атмосфере Сатурна.

Химический состав атмосферы, находящейся над облачным слоем Сатурна, определяется по линиям поглощения в спектре планеты:

главную ее часть составляет молекулярный водород (40 атм. км), явно присутствует метан СН4 (0,35 атм. км), далеко недостоверен аммиак NH3, хотя возможно, что в форме аэрозолей он присутствует в нижних облаках. Следует думать, что и в атмосфере Сатурна присутствует гелий, спектроскопически не проявляющий себя в доступной нам области спектра.

На Сатурне количество наблюдаемых деталей значительно меньше, чем на Юпитере, но все же приэкваториальные темные полосы видны довольно хорошо; заметно также, что приполярные области темнее среднего. Кроме того, время от времени появляются светлые и темные пятна, с помощью которых был определен период вращения Сатурна; для экватора он равен , для умеренных широт — , а ближе к полюсам — даже Сатурн имеет наибольшее среди всех планет полярное сжатие . Вращение планеты легко наблюдается и спектроскопически при параллельном экватору расположении щели (см. рис. 197).

Различие угловых скоростей вращения Сатурна на разных широтах свидетельствует о том, что наблюдаемая нами поверхность его есть лишь верхний облачный слой атмосферы. О внутреннем строении Сатурна можно составить представление теоретическим путем. Наблюдаемые возмущения в движении спутников Сатурна, будучи сопоставлены со сжатием его фигуры и средней плотностью, позволяют определить приблизительный ход давления и плотности в недрах Сатурна. Очень малая средняя плотность Сатурна говорит за то, что он, как и другие планеты-гиганты, состоит преимущественно из водорода и гелия — преобладающих солнечных газов. Предположительно на Сатурне водорода 80 %, гелия 18 % и более тяжелых элементов всего лишь 2 %, сконцентрированных в ядре планеты. Водород до глубин около половины радиуса находится в молекулярной фазе, а глубже под влиянием колоссальных давлений переходит в металлическую фазу. В центре Сатурна температура близка к 20 000 К.

Магнитное поле у Сатурна значительно сильнее земного.

Кольцо Сатурна имеет сложную структуру. Можно говорить по крайней мере о трех кольцах, как бы вложенных одно в другое. Внешнее кольцо (или зона А) имеет резкую границу снаружи (радиус 138 000 км) и по внутреннему обводу, где оно отделено от среднего кольца (зона В) темным промежутком — так называемым делением или щелью Кассини, радиус которой 116 000 км. Среднее кольцо самое яркое. Оно имеет еще нерезкую линию раздела — деление Энке. Среднее кольцо имеет вполне резкую внутреннюю границу, радиусом 89 000 км, где оно соприкасается с внутренним — креповым кольцом (зона С), имеющим малую поверхностную яркость. Его внутренний край недостаточно определен, но, по-видимому, креповое кольцо кончается на расстоянии 75 тыс. км от центра планеты, а начиная от 71 тыс. км, намечается еще менее заметное кольцо D, которое простирается почти до поверхности планеты (радиус 60 тыс. км).

Кольцо Сатурна представляется земному наблюдателю очень по-разному в зависимости от того, как Земля расположена по отношению к плоскости кольца, которая составляет с плоскостью эклиптики угол 28°.

За 29,5 года, составляющих период обращения Сатурна вокруг Солнца, Земля оказывается то на 28° к северу от плоскости кольца, то настолько же к югу. В эти эпохи кольцо больше всего «открыто» наблюдателю. За тот же период Земля дважды бывает в плоскости кольца, и тогда кольцо видимо с ребра; фактически в эту пору оно перестает быть видимым даже в самые мощные инструменты, что говорит о чрезвычайно малой толщине кольца: менее 3 км. Незадолго до его исчезновения в нем наблюдаются отдельные утолщения, соответствующие самым ярким его местам в зонах А и В. Из всего здесь сказанного вытекает, что правильнее говорить не о кольце, а о кольцах Сатурна.

Кольца Сатурна не могут быть ни твердыми, ни жидкими, так как цельное кольцо будет разорвано силой притяжения к планете; эта сила будет очень разной на внутреннем и на внешнем обводах кольца. Единственно, из чего кольца Сатурна могут состоять, — это из роя отдельных частиц или глыб, каждая из которых движется как самостоятельный спутник в соответствии с III законом Кеплера. Теоретический вывод этот получил блестящее подтверждение в конце прошлого столетия из спектроскопических наблюдений (Белопольский, Килер и др.). Рис. 197 иллюстрирует этот путь доказательства. На нем показан спектр Сатурна и его кольца при положении щели вдоль экватора и плоскости кольца. Вследствие вращения планеты фраунгоферовы линии диска планеты имеют один наклон к нормальному положению спектральных линий, а линии кольца иной — меньший и другого знака. Это указывает на то, что внешние части кольца вращаются медленнее внутренних, как это и следует из III закона Кеплера. Последний предсказывает для внутреннего края кольца В скорость 20,5 км/с, а для внешнего края кольца А — 16,6 км/с. Белопольский из измерений спектрограмм получил соответственно 21,0 и 15,5 км/с: Килер нашел 20,0 и 16,4 км/с. Поскольку на кольцах Сатурна нет никаких деталей — светлых или темных пятен — вращение их можно было установить только описанным спектроскопическим путем.

Различная степень раскрытия кольца Сатурна является главным источником изменения блеска этой планеты за 29,5 года. Характер этих изменений позволяет сделать некоторые предположения о природе глыб, из которых состоят кольца Сатурна, и о степени их густоты. Их размеры — от нескольких сантиметров до нескольких метров. Ни одно из колец Сатурна не составляет сплошной завесы для света звезд: заходя за кольца А и В, звезда остается видимой, ослабляясь в 2—5 раз, а сквозь кольцо С хорошо видна и поверхность планеты. Альбедо глыб из колец Сатурна высокое (до 0,7), что подтверждается также спектральными наблюдениями: в инфракрасной области они дают полосу поглощения, характерную для света, отраженного от снега и инея, а около длин волн 2,1 и 1,5 мкм кольцо показывает повышенное отражение, что также соответствует отражению от льда Н2О.

Можно считать, что тела, образующие кольца Сатурна, либо покрыты льдом или инеем, либо состоят из льда. В последнем случае массу всех колец можно оценить в , т. е. на 5 порядков меньше массы самой планеты, что не превышает средней массы спутника Сатурна.

Съемка колец Сатурна с близкого расстояния «Вояджерами» показала со всей отчетливостью их составную структуру. Кроме того, что за пределами кольца А обнаружено еще одно чрезвычайно слабое кольцо F, вся совокупность колец от С до F представилась состоящей из сотен узких индивидуальных колец, отделенных от соседних столь же узкими промежутками. Подтвердилась также их очень малая толщина (< 5 км).

У Сатурна известны семнадцать спутников, среди них Титан — один из самых крупных спутников нашей планетной системы (радиус 2500 км). Он замечателен еще и наличием атмосферы: в спектре его наблюдается отчетливая полоса поглощения метана в . Обнаружен также молекулярный водород Н2 (5 атм•км).

Но, по-видимому, главная составляющая атмосферы Титана — азот. Давление атмосферы у поверхности порядка 2000 мбар, а температура около 90 К, как показали измерения с АМС «Вояджер-1».

Наличие на Титане красно-бурых облаков из смеси угадывается из спектрофотометрических наблюдений (максимальное альбедо — 0,37 в области от 0,65 до 0,85 мкм). По инфракрасным измерениям средняя температура Титана , но тепловой спектр его отличается от спектра черного тела. Другой спутник, Япет, замечателен тем, что за 80-дневный период обращения вокруг Сатурна он изменяет свой блеск на . Это говорит о том, что Япет обращен всегда одной своей стороной к Сатурну и одно его полушарие, именно переднее по направлению движения, существенно темнее другого. Поверхность яркой стороны Я пета покрыта снегом, из которого выступают многочисленные скальные темные породы. В противоположность Япету три других крупных спутника Сатурна — Рея, Диона, Тефия — имеют более яркое переднее по движению полушарие.

Для всех крупных спутников Сатурна, как и для спутников Юпитера, в настоящее время составлены детальные карты поверхности, кроме Титана, конечно.

Самый близкий из открытых с Земли спутников Сатурна X Янус (1966 г.) движется вокруг планеты почти у внешнего обвода кольца и имеет радиус всего лишь 110 км. Такой же радиус имеет наиболее удаленный от планеты спутник IX Феба, он движется в направлении, обратном вращению планеты и остальных спутников, с очень большим периодом обращения (550 суток). Остальные спутники обнаружены лишь при пролете через их систему в 1981 г. АМС «Вояджер-1 и 2». Их размеры меньше 150 км в поперечнике. Три из них — XV, XVI, XVII — движутся еще ближе к планете, чем Янус — практически у самого кольца.