НАУКА И ТЕХНИКА - Реферат: Сатурн

РЕФЕРАТЫ ПО НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

Реферат: Сатурн

Сатурн
По-моему, это пришельцы из Космоса, с планеты Сатурн. Вот и крест у них на хвосте...
Юрий Коваль
"Самая лёгкая лодка в мире"
Сатурн виден на небе в виде светила второй звёздной величины (хорошо различимая, но не особенно привлекающая внимание "звёздочка"). Сатурн отстоит от Солнца на 9,54 а.е. От Солнца до него в среднем - 1 426 980 000 км.
Год на Сатурне длится 29,46 земного года (примерно 30 земных лет).
Скорость движения вокруг Солнца - 9,64 км/с. В три с лишним раза медленней Земли.
Орбита Сатурна почти круговая (эксцентриситет - 0,056).
Угол наклона орбиты почти сходен с земным (отличие на 2,5 градуса).
Масса Сатурна - 95,1 земной массы. Это вторая по массе планета Солнечной системы.
Диаметр Сатурна на экваторе - 9,4 земного. По диаметру и объёму он очень близок к Юпитеру. Планета сильно сплюснута, и для неё указывают два диаметра: экваториальный - 120 536 км, полярный - 108 728 км (недавние уточнённые данные). Сплюснутость Сатурна тоже видна в мощный телескоп на глаз. Объём Сатурна в 734 раза больше земного.
Сатурн тоже во много раз уступает Земле по плотности. Это наименее плотная планета. Средняя плотность - 0,69 г/см3 (земная - 5,5). Если Юпитер лишь чуть-чуть плотнее воды, то Сатурн даже уступает воде! Причины этого - изначальный элементный состав (преобладают лёгкие водород и гелий).
Сила тяжести на периферии Сатурна (в верхней части облачного слоя) составляет всего 0,925 земной, хотя планета в 95 раз массивнее Земли! Это происходит из-за удалённости облачного слоя от центра этой рыхлой планеты. Мы бы в этих облаках в гравитационном смысле ощущали бы себя, как дома.
Сатурн, как и другие планеты-гиганты, быстро вращается вокруг своей оси и делает оборот за 10 часов 14 минут, хотя по объёму грандиозен, как и Юпитер. Отсюда следует большая линейная скорость периферийных частей планеты на экваторе, чем объясняется сильная сплюснутость у полюсов.
Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики больше, чем у Земли - на 26,7 градусов (у Земли - 23,5). Поэтому на Сатурне есть смена времён года, но её проявления специфичны.
Освещённость Солнцем - 1/90 земной.
В атмосфере Сатурна есть метан и аммиак.
Температура на верхушках облаков составляет на Сатурне минус 180 градусов Цельсия (новые уточнённые данные). О температуре твёрдой поверхности говорить не имеет смысла, так как Сатурн - огромный газовый шар с небольшим твёрдым ядром.
Сатурн полосат, но в меньшей степени, чем Юпитер. В экваториальном направлении чередуются полосы различно окрашенных облаков. Экваториальные образования делают поворот вокруг планеты за более короткий срок, чем удалённые от экватора (вращение как у жидкого тела - экватор быстрее), то есть существуют зональные течения атмосферы с различной скоростью. Зоны видны как полосы. На Сатурне тоже довольно бурная погода.
В середине XX века были известны 9 спутников Сатурна, в 1967 г. - 10, в 1989 г. - 17, в 2000 г. - 22, что является рекордом для планет [Новые спутники Сатурна, 2001].
Уникальная особенность Сатурна - очень яркие экваториальные кольца: внешнее; отделённое от него щелью яркое среднее; полупрозрачное внутреннее. Они не соприкасаются с планетой, что доказано ещё Гюйгенсом. Кольца состоят из мелких обломков (камней, пыли). Так как ось вращения планеты наклонена, а год длится почти 30 земных лет, каждые 15 лет кольца Сатурна поворачиваются к нам ребром и как бы исчезают. Отсюда делались выводы, что ширина колец не более 10 - 15 км. Они оказались во много раз тоньше (см. ниже).

Новые сведения

В 1980 - 1981 годах Сатурн изучался американскими станциями "Вояджер-1" и "Вояджер-2" [Купер, Хенбест, 1998]. В 1997 г. запущен международный зонд "Кассини-Гюйгенс", который должен достичь Сатурна в 2004 г. [Подготовка к изучению Титана, 1996 и др.].
На Сатурне имеются пятна, но они несколько иные, чем Красное пятно на Юпитере. Раз в 30 земных лет (раз в год Сатурна) с опозданием на 15 лет всплывает сгусток тёплых газов. Он охлаждается в верхних частях облачного слоя, и свежие кристаллы аммиака образуют белое пятно. Второе аналогичное пятно в последние годы заслонено кольцами, но должно существовать ["Веснушки" на Сатурне, 1994]. Пятна Сатурна - результат смены времён года, чего в принципе не может быть на Юпитере, так как его ось почти не наклонена.
Есть на Сатурне и пятно, аналогичное Большому Красному пятну Юпитера, но сравнительно маленькое - это пятно Анне (открыто Анне Бункер по данным "Вояджера").
Вдоль экватора проходит атмосферное течение шириной в десятки тысяч километров и скоростью до 500 м/с. Скорость ураганных ветров на Сатурне достигает 1800 км/час [Вселенная, 1999 и др.].
У Сатурна сравнительно слабое магнитное поле, а сам он обладает крайне низкой плотностью. Отсюда сделаны выводы, что твёрдое каменистое ядро Сатурна, достаточно велико (диаметром около 30 000 км), но не сильно сжато (меньше сила притяжения). Из-за этого водородные слои отодвинуты от центра, и слой металлического водорода не велик. Далее имеется широкий слой жидкого водорода и атмосфера, состоящая преимущественно из водорода.
В атмосфере Сатурна в январе 1998 г. открыты полярные сияния [Полярные сияния в атмосфере планет, 1999]. Состав облаков, а также вообще строение и состав атмосферы почти такие же, как на Юпитере, но водорода чуть больше (около 94%), а гелия меньше (около 6%) [Вселенная, 1999]. Это не противоречит меньшей плотности планеты в целом.
Кольца Сатурна
Изучались "Пионером-11" (1979) и "Вояджерами" (1980 - 1981). Толщина колец, как выяснилось, не 1 км, а 50 м (кольцо А) и 10 м (кольцо С). Преобладает диаметр частиц в несколько миллиметров.
Различаются следующие части колец (от наружных к внутренним):
кольцо Е, крайне неяркое и самое внешнее кольцо, внутри которого находятся орбиты спутников от Мимаса до Дионы; по одной из гипотез это кольцо - вулканический выброс Энцелада;
кольцо G, одно из самых внешних колец, неяркое, но довольно широкое, между орбитами Мимаса, а также Эпиметея и Януса;
кольцо F, открыто "Пионером-11" в 1979 г., узкое, самое внешнее из ярких колец, ограничено с двух сторон спутниками-"пастухами" Пандорой и Прометеем; состоит частично из более узких переплетённых колец (переплетены притяжением "пастухов");
кольцо А, самое внешнее из видимых с Земли, обладает зазором - щелью Энке, в щели Энке движутся спутники Атлас и Новая луна;
щель Кассини, открытая в 1675 г., зазор между кольцами А и Б, "Вояджеры" открыли в ней не менее 100 очень слабых и узких колец;
кольцо В, самое широкое, яркое, и плотное, с тёмными радиальными спицами, которые живут до 10 часов (облака частиц и пылинок, ориентированных под действием магнитного поля?) [Блиох, Ярошенко, 1991];
кольцо С, "креповое" кольцо, самое слабое и голубое из видимых с Земли колец, почти не отграничено от кольца В, состоит из множества узких колец;
кольцо Д, почти касается Сатурна, очень слабое.
Считалось, что кольцам Сатурна 100 миллионов лет, и возникли они от столкновения тел диаметрами порядка 200 км. Недавно в Космический телескоп имени Хаббла в ультрафиолетовом свете обнаружено, что в атмосфере Сатурна на 33 градусах южной широты, где магнитно-силовые линии пересекают самое внутреннее кольцо, влаги в 5-10 раз больше, чем в других местах [Кольца Сатурна..., 1997; Вода в атмосферах планет-гигантов, 1998]. Это означает, что ионы воды по силовым линиям перемещаются от кольца к планете, то есть идёт дождь. Раньше знали, что вокруг колец облако водяных паров. Влага с колец испаряется в результате ударов микрометеоритов. Нейтральные молекулы вновь падают на кольцо, а ионизированные по спирали движутся либо от планеты (если они за внешним краем этого ближайшего кольца), либо к планете (если оказались ближе к ней). Всё это означает, что кольцам не более 30 миллионов лет. Если бы они были старше, то давно истощились бы.
Есть также представление, что кольца Сатурна и других планет-гигантов - это остатки облака, из которого возникла планета и её основные спутники. Приливные силы не дали возможности сформироваться здесь спутнику. Частицы колец - это по сути рыхлые комья снега и льда, которые то слипаются, то разрушаются [Энциклопедия для детей, том 8, 1997].
Интересно, что снимки одного и другого "Вояджеров", пролетавших с интервалом в 9 месяцев, резко различаются. На более раннем снимке кольцо F напоминает по структуре перевитую девичью косу. Видны пересекающиеся пряди. На позднем снимке структура проста, то есть "пряди" возникают и исчезают [Непростое кольцо Сатурна, 1998]. Указывалось, что некоторые видимые образования в кольцах Сатурна "живут" всего порядка 10 часов [Блиох, Ярошенко, 1991]. Эти и некоторые другие особенности объяснить пока не удаётся. Предположительно оказывают влияние известные и ещё неизвестные спутники Сатурна, явления резонанса и т.п. [Непростое кольцо Сатурна, 1998]. Кроме того, могут иметь значение электрические и магнитные явления [Блиох, Ярошенко, 1991], коллективные гравитационные взаимодействия частиц, а также их столкновения [Горькавый, Фридман, 1991].
Спутники Сатурна
ПАН. Примерно в 2,2 радиуса планеты от её центра (в 133 600 км), в 27 градусах к орбите планеты, маленький спутник. Изо льда. Движется в щели Энке - узком зазоре в кольце А, почти вместе с последующим спутником. Открыт в 1990 г. при анализе фотографий "Вояджеров", сделанных в 1980 - 1981 годах [Восемнадцатая луна Сатурна, 1991]. Вращение в стандартном направлении.
АТЛАС. Примерно в 2,2 радиуса планеты (в 137 640 км), в 27 градусах к орбите планеты, маленький спутник. Изо льда. Движется в щели Энке - узком зазоре в кольце А, почти вместе с предыдущим спутником. Открыт в 1980 г. "Пастух" кольца А. Вращение в стандартном направлении. Диаметр - 30 - 40 км.
ПРОМЕТЕЙ. Примерно в 2,3 - 2,4 радиуса планеты, в 27 градусах к орбите планеты, маленький спутник. Изо льда. "Пастух" кольца F. Орбита с наружной части кольца F. Открыт в 1980 г. Вращение в стандартном направлении. Диаметр 140 - 80 км.
ПАНДОРА. Примерно в 2,3 радиуса планеты, в 27 градусах к орбите планеты, маленький спутник. Изо льда. "Пастух" кольца F. Орбита в зазоре между кольцами A и F. Открыта в 1980 г. Вращение в стандартном направлении. Диаметр 110 - 70 км.
ЭПИМЕТИЙ. Примерно в 2,5 радиусах планеты, в 27 градусах к орбите планеты, некрупный спутник. Изо льда. На одной орбите с Янусом - обломок? Вращение в стандартном направлении. Открыт в 1966 г. Диаметр 140 - 100 км.
ЯНУС. Примерно в 2,5 радиусах планеты, в 27 градусах к орбите планеты. Диаметр, по представлениям 1967 г., составляет от 160 до 320 км. Изо льда. На одной орбите с Эпиметием - обломок? Вращение в стандартном направлении. Открыт 15 декабря 1967 г. французским астрономом Одуэном Дольфусом в момент, когда кольца Сатурна были обращены к Земле ребром. Виден в виде звезды 14-ой величины [Любарский, 1967]. Диаметр 220 - 160 км.
МИМАС. В 3,1 радиуса планеты от её центра (в 186 000 км от поверхности планеты), оборот за 0,9 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, диаметром около 540 км (по последним данным - 390 км), массой 1/160000 Земли. Открыт Гершелем в 1789 г. Имеется кратер Гершель диаметром 135 км. Изо льда. Вращение в стандартном направлении. Движется в пределах разреженного кольца Е.
ЭНЦЕЛАД. В 4 радиусах планеты (в 238 000 км от поверхности), оборот за 1,4 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, диаметром около 550 км, массой 1/70000 Земли. Открыт Гершелем в 1789 г. Изо льда. Отражает почти 100% падающего света. Это самое светлое тело Солнечной системы. Вращение в стандартном направлении. На спутнике почему-то отсутствуют кратеры, но приливные силы на нём не велики [Океан..., 1987]. Спутник движется в пределах разреженного кольца Е. Выдвигалось предположение, что это кольцо является вулканическим выбросом Энцелада. Тогда на спутнике должны действовать водные вулканы - гейзеры, которые обновляют поверхность спутника и являются создателями кольца, но их энергетический источник не ясен.
ТЕФИЯ. В 4,9 радиуса планеты (в 295 000 км), оборот за 1,9 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, диаметром около 920 км (по последним данным - 1050 км), массой 1/9200 Земли. Открыта Кассини в 1684 г. Изо льда. Интересны огромный кратер Одиссей диаметром 400 км и трещина Итака длиной 2000 км (по другим данным - 3000 км), шириной 100 км и глубиной 5 км (превышает Большой Каньон в США). Тефия находится на одной орбите с двумя ниже описанными спутниками, которые находятся в 60 градусах спереди и сзади её (аналог Юпитера с "греками" и "троянцами") - единственный случай в спутниковых системах! Вращение в стандартном направлении. Движется в пределах разреженного кольца Е.
ТЕЛЕСТО. Примерно в 4,9 радиуса планеты (в 295 000 км от поверхности планеты), оборот за 1,9 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, некрупный спутник (диаметр порядка 20 км). Изо льда. На одной орбите с Калипсо и Тефией - коорбитальный спутник! Вращение в стандартном направлении. Движется в пределах разреженного кольца Е. Открыт в 1980 г.
КАЛИПСО. Примерно в 4,9 радиуса планеты (в 295 000 км от поверхности), оборот за 1,9 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, некрупный спутник (диаметр от 20 до 30 км). Изо льда. На одной орбите с двумя предыдущими спутниками - коорбитальный спутник! Вращение в стандартном направлении. Движется в пределах разреженного кольца Е. Открыт в 1980 г.
ДИОНА. В 6,3 радиуса планеты (в 377 000 км), оборот за 2,7 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, диаметром около 860 км (по другим данным - 1120 км), массой 1/6000 Земли. Открыта Кассини в 1684 г. Изо льда. Имеет в 60 градусах спереди коорбитальный спутник Елену. Второго коорбитального спутника нет или он крайне мал. Вращение в стандартном направлении. Движется в пределах разреженного кольца Е. На поверхности есть деформации коры.
ЕЛЕНА. В 6,3 радиуса планеты (в 377 000 км), оборот за 2,7 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, некрупный коорбитальный спутник (диаметр от 30 до 36 км). Движется в 60 градусах спереди от Дионы. Изо льда. Вращение в стандартном направлении. Движется в пределах разреженного кольца Е. Открыта в 1980 г.
РЕЯ. В 8,8 радиуса планеты (в 527 000 км), оборот за 4,5 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, диаметром около 1440 км, массой 1/2500 Земли. Открыта Кассини в 1672 г. Изо льда. Вращение в стандартном направлении.
ТИТАН. В 20,4 радиуса планеты от её центра (в 1 222 000 км от поверхности планеты), оборот за 15,9 земных суток, в 27 градусах к орбите планеты, диаметром около 4850 км (по последним данным - 5150 км, больше Меркурия), массой 1/43 Земли, то есть в 2 раза больше Луны и в 20 раз больше, чем все остальные спутники Сатурна вместе взятые. Второй по массе спутник в Солнечной системе (уступает только Ганимеду). Открыт Гюйгенсом в 1655 г. Единственный спутник Сатурна, который состоит не только изо льда (есть каменистое ядро и ледяная мантия). Лёд может быть не только водяным, но аммиачным и метановым. Титан обладает плотной оранжевой атмосферой, которая состоит, в основном, из азота ("глубоко замороженная Земля") [Поверхность Титана..., 1993]. Присутствует и метан: 2 - 8% [Какая погода на Титане? 2001]. Есть аэрозольная дымка и облака, из-за которых поверхность не видна (смог органического происхождения). Давление атмосферы в 1,6 раз больше земной. Единственный из спутников в Солнечной системе, о котором достоверно известно, что он обладает мощной атмосферой. Вращается Титан по орбите в водородном торе. Движется в стандартном направлении. Повёрнут к Сатурну почти одной стороной (сутки лишь на 49 мин короче месяца - 15,9 земных суток). Предполагается, что на Титане есть моря из жидкого метана и этана, а также континенты изо льда со смолой (с гидроуглеродами). Если не моря, то хотя бы метановые озёра. Возможны дожди из жидкого метана. Могут быть также облака из органического вещества, которое возникло под действием ультрафиолетовых лучей Солнца [Поверхность Титана..., 1993]. Недавно на Титане удалось разглядеть тёмные 100-километровые области, которые могут быть углеводородными озёрами. Доказано также, что атмосфера очень динамична, облака покрывают обычно не более 1% поверхности. Вероятно, плотность атмосферы может меняться из-за испарения азота из озёр [Какая погода на Титане? 2001]. Всё это поднимает старый вопрос о возможности жизни на другой химической основе, чем земная. Недавно на Титане в инфракрасных лучах открыты также яркие точки, которые могут оказаться вершинами гор с водным или углеводородным снегом ["Астрономы Медонской обсерватории...", 2001]. В ноябре 1980 г. вблизи прошла американская станция "Вояджер-1". В 2004 г. планируется прилёт к Титану станции "Кассини" и спуск на него аппарата "Гюйгенс" [Подготовка к изучению Титана, 1996].
ГИПЕРИОН. Примерно в 24 радиусах планеты, в 27 (?) градусах к орбите планеты. Тёмное тело (не изо льда) неправильной формы (330 х 240 х 200 км). Вращение в стандартном направлении. В резонансе с Титаном (4:3). Открыт Дж.Бондом и У.Бондом, а также независимо У.Ласселом в 1848 г.
ЯПЕТ. В 59,4 радиуса планеты (в 3 562 000 км), оборот за 79,3 земных суток, в 16 градусах к орбите планеты, диаметром около 1330 км, массой 1/4300 Земли. Открыт Кассини в 1671 г. Изо льда. Вращение в стандартном направлении. Есть указание, что Япет меняет яркость в 10 - 20 раз, так как поверхность с одной стороны ледяная, а с другой - углистая [В странном мире Нептуна, 1989; Тёмная сторона Япета, 2001]. Иногда асимметрию Япета связывают с бомбардировкой пылью от Фебы. Позднее появилась гипотеза, что "виноват" Титан: он накопил на поверхности образующиеся в атмосфере тёмные и красные вещества, а потом метеорит вышиб эти вещества (смесь аморфного углерода, водяного пара и солинов, образующихся из азота и метана под действием молний) на орбиту вокруг Сатурна; Япет же, движущийся вперёд одной и той же стороной, "нагрёб" это вещество на себя [Тёмная сторона Япета, 2001].
ФЕБА. В 215 радиусах планеты (в 12 950 000 км). Диаметр порядка 220 км. Почти шарообразен. Изо льда? До недавнего времени была единственным известным спутником Сатурна, который вращается в противоположном направлении. Оборот делает за 550 земных суток. Наверное, захваченный астероид. Открыт Пикерингом в 1898 г. [Новые спутники Сатурна, 2001].
S/2000 S1, S2, S3 и S4. Четыре спутника, обнаруженных в августе-сентябре 2000 г. международным коллективом. Орбиты вытянутые. Иррегулярные спутники (захваченные астероиды) [Новые спутники Сатурна, 2001].
Тоже имеются группы, но не такие чёткие, как у Юпитера:
14 ближайших к планете спутников движутся очень кучно (11 на той же орбите, что и ещё какие-то) и в стандартном направлении, все они маленькие или средних размеров;
Титан и Гиперион - не очень естественная группа, так как два тела резко отличаются по размеру; движение в стандартном направлении;
Япет - резко удалён от других спутников, средних размеров, движение в стандартном направлении;
Феба - резко удалена от других спутников, небольшой спутник, движение в противоположном направлении.
С некоторой натяжкой все 4 группы спутников можно поставить в соответствие с 4 группами спутников Юпитера, а также с небесными телами Солнечной системы, как это сделано для Юпитера.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.seminarium.narod.ru

Все рефераты по науке и технике