Планеты гиганты

Магнитное поле

Радиоизлучение Юпитера, обнаруженное в 1955г, послужило первым признаком наличия у него сильного магнитного поля, которое в 4000 раз  сильнее земного и простилается на 650 миллионов километров (за орбиту Сатурна!). Его магнитный дипольный момент почти в 12000 раз превосходит дипольный момент Земли, но так как напряженность магнитного поля обратно пропорциональна кубу радиуса, а он у Юпитера на два порядка больше, чем у Земли, то напряженность у поверхности Юпитера выше, по сравнению с Землей, только в 5-6 раз. Магнитная ось наклонена к оси вращения на (10,2 ± 0,6)°. Юпитер обладает обширной магнитосферой, которая подобна земной, но увеличена примерно в 100 раз. Закручивание электронов вокруг силовых линий порождает радиоизлучение, причем задержанные около планеты электроны дают синхротронное излучение в диапазоне дециметровых волн. Декаметровое излучение, наблюдаемое только от некоторых областей планеты, связано с взаимодействием ионосферы Юпитера со спутником Ио, орбита которого проходит внутри огромного плазменного тора. Это взаимодействие порождает также полярные сияния. Обнаруженное "Вояджерами" излучение в километровых длинах волн возникает в высоких широтах планеты и в плазменном торе. Зонд обнаружил также интенсивный радиационный пояс. 
    Наблюдая 18 декабря 2000 года в течение 10 часов, удалось обнаружить пульсирующий источник рентгеновского излучения в полярных районах верхних слоев атмосферы Юпитера с помощью оборудования орбитального телескопа "Chandra". Вспыхивает наподобие маяка каждый 45 минут. Никакие из существующих ныне теорий не могут объяснить ни природу возникновения излучения, ни его пульсирующий характер. 
    Открыты таинственные следы, оставляемые ближайшим к Юпитеру крупным спутником Ио, в ионосфере планеты - в области, расположенной над атмосферой, в которой и образуются полярные сияния. Удалось также обнаружить, что два других галилеевых спутника - Ганимед и Европа - также оставляют подобные "магнитные следы" овальной формы, хотя и меньшие по интенсивности. О том, что Ио, знаменитый своей исключительной вулканической активностью, оставляет подобные следы, ученым было известно и ранее. Удивительным оказалось то, что такие же следы оставляют и два других спутника, на которых вулканической деятельности не зафиксировано. Вопрос о том, "чертит" ли в магнитосфере Юпитера и свой след последний из крупных спутников планеты - Каллисто - останется, по всей видимости, загадкой еще на многие годы. 

Спутники

Первые четыре спутника (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто) были открыты Г. Галилеем еще в 1610г. Это открытие послужило мощным толчком к утверждению гелиоцентрической системы мира Коперника, явившись яркой моделью этой системы. После пролета "Вояджеров" к 1980г стало известно шестнадцать естественных спутников, вращающихся вокруг Юпитера. Они разделяются на четыре группы. По круговым орбитам в экваториальной плоскости движутся четыре маленьких внутренних спутника (Метида, Адрастея, Амальтея и Теба) и четыре больших галилеевых спутника (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто). Третья группа (Леда, Гималия, Лиситея и Элара) - маленькие спутники на круговых орбитах, наклоненных под углом 25° - 29° к экваториальной плоскости и лежащих на расстоянии 11 - 12 млн. км от Юпитера. Внешняя группа (Ананке, Карме, Пасифе и Синопе - названы по именам возлюбленных Юпитера) - маленькие спутники с обратным движением по орбитам. Эти орбиты являются относительно вытянутыми эллипсами с существенным наклонением к экваториальной плоскости и лежат на расстоянии 21 - 24 млн. км от Юпитера. Полагают, что это захваченные планетой астероиды. Четыре галилеевых спутника и их движения по орбите можно легко увидеть в маленький телескоп или бинокль. К концу 2000 года было открыто 10 небольших спутников и общее количество спутников Юпитера стало 28. В конце ноября - начале декабря 2000 года профессором Дэвидом Джевиттом (David Jewitt) и аспирантом С. Шеппардом (S. Sheppard) из Гавайского университета, которые вели наблюдения с помощью камеры 2,2-метрового телескопа на горе Мауна Кеа и открыли 10 спутников. Девять лун находятся на расстоянии 21-24млн. км от планеты и вращаются в обратном направлении по вытянутым эллиптическим орбитам с наклонением от 15^о до 30^о, а одна на удалении 13млн. км и вращается в прямом направлении. Эта же команда в 2001-2003гг (к 1 июня 2003г) довела общее число открытых спутников до 61. Это небольшие луны до 4 км в диаметре, по видимому захваченные Юпитером уже позже.

С а т  у р н

Строение планеты и атмосфера

Шестая от Солнца планета-гигант Солнечной системы. Сатурн - один из четырех "газообразных гигантов", уступающий в размере только Юпитеру. Его экваториальный диаметр в 9,4 раза больше земного, а масса превышает земную в 95 раз. Максимальное и минимальное расстояния от Солнца равны приблизительно 10 и 9 А.е. Расстояния от Земли меняются от 1,2 до 1,6 млрд. км. Наклон орбиты планеты к плоскости эклиптики 2°29,4'. Угол между плоскостями экватора и орбиты достигает 26°44'. Средняя плотность вещества планеты составляет 0,7 от плотности воды. Большая часть массы представлена водородом и гелием. Планета не имеет четкой твердой поверхности, оптические наблюдения затрудняются непрозрачностью атмосферы. Для экваториального и полярного радиусов приняты значения 60 тыс. км и 53,5 тыс. км. На земном небе Сатурн выглядит как желтоватая звезда, блеск которой меняется от нулевой до первой звездной величины.

Поверхность Сатурна (облачный слой), как и Юпитера, не вращается  как единое целое. Тропические области в атмосфере Сатурна обращаются с периодом 10 ч 14 мин земного времени, а на умеренных широтах этот период на 26 мин больше. В результате появляется существенное сжатие у полюсов: полярный и экваториальный диаметры отличаются на 11%. В апреле-июне 2004г более точно был определен период вращения Сатурна в 10 часов 45 минут и 45 секунд (±36 секунд), что на 6 мин больше, чем считалось ранее.

По внутреннему строению и составу Сатурн сильно напоминает Юпитер. В частности, на Сатурне в  экваториальной области также существует Красное Пятно, хотя оно и меньших размеров, чем на Юпитере.  Ниже атмосферы простирается океан жидкого молекулярного водорода. На глубине, примерно равной R/2 водород при давлении около 300 ГПа (3 млн. атмосфер) переходит в металлическую фазу. Течения в этом металлическом океане генерируют довольно сильное магнитное поле Сатурна. В центре планеты находится массивное ядро (до 20 земных масс) из камня, железа и, возможно... льда. По мере дальнейшего увеличения глубины, начиная с R/3, возрастает доля соединений водорода и оксидов. В центре планеты (в области ядра, образованного твердыми породами или смесью твердых пород и льда) температура порядка 20000 К. Масса ядра в десять или пятнадцать раз превышает массу Земли. 

Внешняя половина планеты  состоит из мощной атмосферы, имеющая  высоту в 59,5км (самая большая из планет СС), а видимые детали представляют собой полосы облаков в верхних  атмосферных слоях. В состав атмосферы  входят молекулярный водород (H₂) - 96,3%; Гелий (He) - 3,25%, а также присутствуют Метан (CH₄); Аммиак (NH₃); Этан (C₂H₆) . Температура в средних слоях атмосферы около 100 К. Для облаков на Сатурне большие цветовые контрасты не характерны. Однако иногда наблюдается штормовая активность. В конце сентября 1990г в атмосфере появилось большое Белое пятно, расширявшееся в течение нескольких недель, пока оно не заняло значительную часть экваториальной области планеты. Это извержение вещества из более низких атмосферных слоев было очередным в цепи аналогичных явлений, происходящих с 30-летним циклом, соответствующим периоду обращения Сатурна. Подобные пятна отмечались в 1876, 1903, 1933 и 1960гг около середины сатурнианского лета в северном полушарии. Время от времени происходят и более слабые извержения. Одно из них наблюдалось Космическим телескопом "Хаббл" в 1994г. Компьютерная обработка изображений, полученных "Вояджером-1 и -2" в 1980 и 1981гг, выявила сложные циркуляционные потоки, подобные наблюдаемым на Юпитере.

В 1980-1981г на основе сделанных  ими фотографий была вычислена скорость экваториального ветра, она составила около 1700 км/ч. В 1996-2002 годах за Сатурном наблюдали с помощью космического телескопа Hubble. И выяснилось, что на экваторе Сатурна скорость ветра неожиданно упала до 990 км/час. Почему это произошло, пока неизвестно. Наблюдаемые ветры симметричны относительно экватора, уменьшающиеся в скорости по удалении от экватора и дуют в большей части в восточном направлении (направлении вращения планеты).  В основном скорость ветра составляет 400 м/с (<30° широт); 150 м/с (>30° широт). Наблюдаются зарождающие и дрейфующие в атмосфере вихри диаметром в сотни и тысячи км, которые могут сливаться (Слияние двух “циклонов” было зафиксировано 19-20 марта 2004г. Тогда буря, двигавшаяся с севера планеты со скоростью 11 метров в секунду "поглотила" бурю, двигавшуюся с юга со скоростью 6 метров в секунду. После этого на Сатурне образовались яркие "облака", которые через два дня рассеялись, превратившись в гало). С помощью инфракрасного телескоп Keck I на Гавайях в конце января 2005г удалось зафиксировать в атмосфере Сатурна реактивную струю - теплый вихрь в районе южного полюса, однако, хотя он и самый теплый на планете, но точную его температуру измерить не удалось

В атмосфере Сатурна, еще американские космические корабли Voyager фиксировала молнии с завидной регулярностью в миллион раз сильнее, чем земные. Исследовательский зонд Cassini с помощью своего детектора радио и плазменных волн определил, что молнии, время от времени вспыхивающие в атмосфере Сатурна, но ведут себя уже не так, как это было в начале 1980-х годов. Они стали очень хаотичными: бывают дни, когда Cassini не улавливает ни одной молнии, а в другие дни фиксируется несколько грозовых разрядов. По видимому причина изменившейся регулярности вспышек молний в том, что тень от колец Сатурна сейчас падает на планету не так, как это было в начале 1980-х годов. Космический аппарат "Кассини", находящийся на орбите Сатурна, обнаружил на нем молнии и новый радиационный пояс, а также сияние вокруг крупнейшего спутника планеты. 5 августа 2005 радиоприборы и плазменно-волновое научное оборудование "Кассини" обнаружили радиоволны, образуемые молнией. Радиосигналы от этой молнии весьма эпизодичны и порой сопровождаются лишь слабой вспышкой, которой может и вообще не быть. Это позволяет предположить, что в средних и высоких широтах происходит ряд различных, возможно, недолговечных бурь. "Кассини" помог сделать ученым и еще одно открытие - с помощью магнитосферического прибора для формирования изображения чуть выше вершин облаков Сатурна обнаружен простирающийся вокруг планеты новый радиационный пояс. Визуальный и инфракрасный картографический спектрометр на борту "Кассини" зафиксировал на Титане дневное и ночное сияние, образуемое выбросами метана и окиси углерода в плотную атмосферу спутника. Освещенное Солнцем флуоресцентное метановое сияние в верхних слоях атмосферы Титана ожидалось, ночное же сияние стало сюрпризом. Также у Сатурна имеются мощные радиационные пояса и сильное магнитное поле, несколько уступающие Юпитеру.

Магнитное поле

До тех пор, пока первые космические аппараты не достигли Сатурна, наблюдательных данных о его магнитном  поле не было вообще, но из наземных радиоастрономических наблюдений явствовало, что Юпитер обладает мощным магнитным полем. Об этом свидетельствовало тепловое радиоизлучение  на дециметровых волнах, источник которого оказался больше видимого диска планеты, причем он вытянут вдоль экватора Юпитера симметрично по отношению к диску. Такая геометрия, а также поляризованность излучения свидетельствовали о том, что наблюдаемое излучение магнитно-тормозное и источник его - электроны, захваченные магнитным полем Юпитера и населяющие его радиационные пояса, аналогичные 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 магнитным полем: головную ударную волну, границу магнитосферы (магнитопаузу), радиационные пояса (Земля и  Вселенная, 1980, N2, с.22-25 - Ред.).  В целом магнитосфера Сатурна весьма сходна с земной, но, конечно, 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 подсолнечной 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 значительно меньше. Причину этого легко понять, если вспомнить, что в радиационных поясах частицы совершают колебательные движения примерно 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 внутренняя 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 периодом 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 колоссальных 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 тело).

Кольца

Кольцевые структуры, которые  окружают Сатурн, состоят из множества небольших тел и пылевых масс. Кольца Сатурна были открыты в 1610г (их открытие принадлежит Галилею, первому человеку, взглянувшему на небо в телескоп). В 1857г Джеймс Клерк Максвелл доказал теоретически, что кольца должны состоять из множества несвязанных частиц, что позже и было подтверждено спектроскопическими наблюдениями А.А. Белопольского в 1895г - оказалось, что внутренние частицы движутся по орбите быстрее внешних.

 Частицы вещества, находящиеся в диске вокруг формирующейся планеты, могут слипаться, образуя спутники; ближе к планете образованию спутников препятствуют приливные силы. Кольца лежат в экваториальной плоскости планеты, которая наклонена к орбите обращения вокруг Солнца под углом 27°. Общая ширина колец - 275 тысяч км, а толщина в некоторых местах не превышает нескольких десятков метров, достигая в максимуме 1,5км по последним данным, полученным с КА Кассини. Современные астрономы полагают, что возраст колец составляет всего лишь сто миллионов лет. Кольца можно легко увидеть даже в небольшой телескоп. По мере изменения относительного расположения Земли и Сатурна кольца предстают под разными углами, иногда полностью открываясь, а иногда (при наблюдении с ребра) почти исчезая из вида (период 29,5 лет). Кольца Сатурна имеют ряд зон различной яркости, разделенных темными промежутками. Наиболее заметные промежутки - щели Кассини и Энке. Полученные "Вояджерами" изображения колец показали, что они состоят из многих тысяч узких концентрических колечек, так что кольца кажутся прорезанными многочисленными желобками. В толщину они имеют только один километр и состоят из огромного количества частиц и каменных осколков, размер которых составляет, возможно, от микрона до сотни метров. В результате набора пыли и динамического взаимодействия со спутниками Сатурна произойдет потемнение колец и постепенное "проседание" их в сторону планеты-гиганта. В течение следующих нескольких сотен миллионов лет они могут потерять свой блеск.