Непосредственные наблюдения, проведенные космичес-
кими летательными аппаратах»! серии «Вояджер», дали более
точные значения для размеров планеты и некоторых других
характеристик Сатурна и его спутников. Так, установлены сле-
дующие значения экваториального радиуса:
Сатурн – 60 330 км;
Мимас — 196 км;
Энцелад — 250 км;
Тефия — 530 км;
Диона -560 км;
Рея – 765 км;
Титан — 2575 км;
Япет – 730 км;
Феба — 110 км.
(Для Сатурна, Урана, Юпитера и Нептуна экваториаль-
ный радиус устанавливается как таковой при давлении 1 бар,
для спутников — как средний радиус поверхности). Эквато-
риальный радиус Сатурна на 10% больше полярного.
Размер большой полуоси орбиты Сатурна составляет
1,427 млрд. км.
Масса Сатурна почти в 100 раз больше массы Земли —
она составляет 95,147 земной. Проведены замеры, позволив-
шие уточнить период обращения Сатурна вокруг Солнца — он
равен 10 759 земным суткам — и период обращения планеты
вокруг оси, который составляет 10 часов 39,4 минуты, или
0,44403 земных суток. Из-за быстрого вращения сжатие Са-
турна значительно больше, чем у Земли.
АТМОСФЕРА САТУРНА
До того, как были получены снимки атмосферы Сатур-
па, сделанные космическими летательными аппаратами серии
«Вояджер», на основании наблюдений в телескоп считали,
что в атмосфере этого гиганта мало деталей, причем они сла-
бо контрастируют с окружающим фоном — сравнительно с
Юпитером, в атмосфере которого давно наблюдаются контра-
стные элементы и образования в виде линий, полос, пятен,
узлов, что позволило сделать предположения о высокой ак-
тивности атмосферы Юпитера и мощности протекающих там
процессов. Однако астрономы не склонны были делать кате-
горичные выводы о том, что атмосфера Сатурна «спокойнее»,
чем Юпитера. Огромная разница в удаленности от Земли И
слабая освещенность Солнцем не давали возможности рас-
смотреть даже в мощные телескопы такое количество под-
робностей, которое помогло бы сделать окончательное зак-
лючение о качественных и количественных характеристиках
его атмосферы. Сатурн расположен дальше от нас, чем Юпи-
тер, а Солнце освещает его в 3,5 раза слабее.
Когда были получены снимки облачного покрова Са-
турна, на них можно было отчетливо видеть результаты ат-
мосферной циркуляции: облачные пояса, отдельные вихре-
вые потоки, образование, аналогичное Большому Красному
Пятну Юпитера. Удалось установить, что скорости атмосфер-
ных потоков па Сатурне достигают на экваторе 1700 км/ч, что
лревышает аналогичные скорости на Юпитере.
Сатурн получает в 90 раз меньше солнечного тепла, чем
Земля. Температура на Сатурне на уровне верхней границы
облачного покрова составляет всего 85 К, или -188°С. Но
даже такая низкая температура не может быть получена толь-
ко за счет солнечной энергии. Расчеты показал л, что для того,
чтобы нагреть Сатурн до типичных ему температур, в глубин-
ных слоях планеты должен быть собственный источник тепла.
До проведения прямого химического андлиза предпола-
галось, что атмосфера Сатурна, подобно атмосфере Юпитера,
будет состоять в основном из водорода. Анау кзы подтверди-
ли, что водорода там почти 90%, а второе мест; по количеству
занимает гелий — 11%. Облачная структура вызвана присут-
ствием в небольших количествах других комеонентов, кото-
рые конденсируются, образуя слои конденсации так же, как и
в атмосфере Юпитера, но расслоение начинается на большей
глубине.
Количество гелия в атмосфере Сатурна меньше, чем у
Юпитера. Если бы соотношение водорода к ге |що было почти
таким же, как солнечное (как у Юпитера, где оно близко к
солнечному), это говорило бы о том, что разд< ления водорода
и гелия в атмосфере не происходило. Однакс обработка дан-
ных, полученных «Вояджерами», показала, чти атмосфера Са-
турна относительно бедна гелием. Это объясняется гравита-
ционным разделением, так как гелий, более тяжелый элемент,
оседает в глубинные слои. Этот процесс протекает с выделе-
нием энергии, которая вносит свой вклад в температурный
режим Сатурна.
Количество метана в атмосфере Сатурна почти такое же,
как в атмосфере Юпитера, а отношение углерод /водород вдвое
выше солнечного.
Количество азота в общем соответствует солнечному от-
ношению, хотя его распределение по атмосф^эным изобари-
ческим слоям еще точно не определено.
Водяной пар не был обнаружен в верхних слоях атмос-
феры планеты. Различные теоретические модели предполага-
ют некоторое количество пара в глубинных сгоях.
Установлено соотношение дейтерия и во/.орода в атмос-
фере Сатурна. Оно аналогично юпитерианскол.у. Это еще раз
подтверждает теорию, устанавливающую общий состав для
первичного солнечного вещества и вещества, i з которого об-
разовались планеты-гиганты.
В небольших количествах (аналогично Юпитеру) в не-
равновесных конденсациях присутствует фоофин — фосфо-
роводородное соединение. Кроме того, в атмо:фере Сатурна
присутствуют аммиак, этан, ацетилен. Метан и атмосфере Са-
турна не конденсируется, а аммиак конденсируется в верхних
слоях, образуя верхние облачные слои.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Наблюдения, проведенные с помощью космических ле-
тательных аппаратов, подтвердили, что Сатурн имеет доволь-
но сильное магнитное поле, по напряженное!и сравнимое с
магнитным полем у поверхности Земли. Если представить маг-
нитное поле в виде параметров эксцеитрическсго диполя (ди-
поль с полным магнитным моментом М, смещенный от центра
планеты на расстояние г), то считают полярность диполя отри-
цательной, если силовые линии выходят из южного магнитно-
го полюса и возвращаются в планету в северно.’!, и положитель-
ным при обратном направлении силовых линий. У Сатурна пол-
ный магнитный момент установлен в размере 4,6-Ю28 Гс -см3.
Сатурн 217
Полярность магнитного диполя положительная, угол наклона
эквивалентного диполя к оси вращения равен 0,8°.
Магнитное поле Сатурна немного слабее, чем собствен-
ное магнитное поле Юпитера. Механизм его происхождения
не установлен с достаточной достоверностью. У. Хаббард пред-
лагает возможные модели; скорее всего, по его мнению, поле
обусловлено действием механизма динамо в конвективном слое
расплавленного металлического водорода.
Магнитное поле Сатурна отличается от магнитных по-
лей других планет Солнечной системы большой симметрией.
Это может быть обусловлено небольшим размером области
металлического водорода по сравнению с радиусом планеты.
Необычным является также малый наклон эквивалентного
диполя к оси вращения планеты. (У Земли он равен 11,4, у Юпи-
тера 10, у Меркурия 2,3°). Скорее всего, неосесимметричные ком-
поненты магнитного поля отфильтровываются проводящим сло-
ем. Проводящий слой не участвует в действии динамо, он враща-
ется независимо по отношению к слоям, где генерируется поле.
Наличие такого конвектизноустойчивого слоя постули-
руется исходя из предположения, что магнитное поле Сатурна
действительно генерируется действием динамо в конвектив-
ном ядре, состоящем из жидкого металлического водорода.
Если поле Сатурна по природе аналогично полю Юпитера, то
оно должно было бы быть неосесимметричным, так как со-
гласно теореме Каулинга конвекция жидкости не может гене-
рировать или поддерживать осесимметричаое поле; оно мо-
жет быть только случайно возникшей временной конфигура-
цией. Возможно, именно такой вид имеет внутреннее поле
Сатурна. Наблюдаемые же силовые линии имеют большую
степень осесимметричности. Поэтому логично предположить,
что они проходят через устойчивый проводящий слой, кото-
рый вращается с другой скоростью. Если область динамо ок-
ружена проводящей оболочкой, вращающейся с другой ско-
ростью, то осескмметричные компоненты поля не будут ос-
циллировать, а неосесимметричные — напротив, осциллируют
и затухают (скин-эффект).
Модель, предполагающая наличие дифференциально вра-
щающегося проводящего слоя, объясняет наличие осевой сим-
метрии магнитного поля Сатурна. Но пока нет теории, объяс-
няющей природу образования такого слоя. Выдвигаются пред-
положения, что этот слой появился в результате дифференци-
ации водорода и гелия или же его происхождение обусловле-
но метеорологическими эффектами.
Интересно, что первоначально предполагали, что магнит-
ное поле Сатурна, если таковое имеется, должно быть абсо-
лютно осесимметричным. Это вытекало из того, что невоз-
можно было определить период вращения Сатурна вокруг оси
из наблюдений магнитного поля. Поэтому считалось, что поле
инвариантно по отношению к вращению. Даже наблюдения,
проведенные космическим аппаратом «Пионер-11», не позво-
лили решить эту проблему. Только наблюдения радиоизлуче-
ния плазмы, захваченной силовыми линиями поля Сатурна,
показали, что оно имеет секторную структуру.
По типичным образованиям (ударная волна, граница маг-
нитосферы (мапштопауза, радиационные пояса) магнитосфе-
ра Сатурна сходна с земной. Внешний радиус магнитосферы
Сатурна в подсолнечной точке составляет 23 экваториальных
радиуса планеты, а расстояние до ударной волны — 26 радиу-
сов. Магнитосфера Сатурна больше земной (если иметь в виду
размер относительно радиуса планеты) более чем в два раза.
Радиационные пояса Сатурна захватывают не только коль-
цп, по и орбиты некоторых внутренних спутников планеты. В
той части радиационных поясов, которая включает кольца Са-
турна, концентрация заряженных частиц значительно умень-
шается. Это связано с тем, что при пересечении экватора в
радиационных поясах частицы совершают колебательные дви-
жения примерно в меридиональном направлении. А так как в
плоскости экватора находятся кольца, то они поглощают боль-
шую часть проходящих сквозь них частиц, что значительно
ослабляет радиоизлучение от внутренней части радиацион-
ных поясов. Поэтому оно было зафиксировано только прибо-
рами «Вояджера-1», подошедшего на достаточно близкое рас-
стояние к планете.
КОЛЬЦА САТУРНА
Впервые кольца Сатурна наблюдал в телескоп И. Кеп-
лер. Открытием своим он не поделился ни с собратьями-
астрономами, ни с читающей публикой. Кеплер оставил за-
шифрованную запись, которая расшифровывается так: «Вы-
сочайшую планету тройную наблюдал». Высочайшей, то есть
самой отдаленной планетой, в те времена был именно Са-
турн. Кеплер побоялся насмешек и потери репутации, но не
мог не оставить запись о своем открытии. Позднее астроно-
мы рассмотрели, что Сатурн имеет своеобразные «украше-
ния»: он окружен кольцами. В телескопы хорошо были вид-
ны три кольца. До недавнего времени кольца считались осо-
бенностью, присущей только Сатурну, но в 1974 году раз-
реженные кольца открыли у Урана, а в 1979 — у Юпитера.
Становится понятно, что это не исключительный, а, скорее,
типичный случай.
Три кольца, различимые в телескоп с Земли, обознача-
ются буквами А, В и С. Наиболее ярким является среднее
кольцо — В. Внешнее средней яркости, а внутреннее, кольцо
С, называют еще креповым, так как оно имеет наименьшую
яркость и выглядит полупрозрачным.. Кольца имеют более
светлый оттенок, чем сама планета.
Когда появилась спектральная астрономия, спектрогра-
фические исследования показали, что кольца Сатурна не яв-
ляются монолитным образованием. Они вращаются вокруг
планеты не как целое тело, напротив, каждая точка колец дви-
жется так, как должен двигаться спутник, вращающийся вок-
руг Сатурна по круговой орбите. Стало ясно, что кольца пред-
ставляют собой скопление множества твердых тел со средним
поперечником около дециметра. Каждое из этих тел вращает-
ся вокруг планеты как самостоятельный спутник.
Кольца вращаются в плоскости экватора планеты. Об-
щая ширина в радиальном направлении составляет примерно
250 тыс. км, что почти в 20 раз больше поперечника Земли.
При этом они имеют толщину менее 3 км.
Между кольцами Сатурна расположены темные промежут-
ки, где частиц очень мало. Самое широкое темное деление распо-
ложено между кольцами В и А. Оно называется щелью Кассшш
по имени астронома, впервые увидевшего его в 1675 году. С
Земли можно наблюдать и другие подобные разделения колец
(около 10), но это возможно при исключительно хороших ат-‘
мосферных условиях. Природа делений точно не установлена.
Возможно, причиной их появления является резонансное воз-
действие ближайших крупных спутников. Так, щель Кассами
располагается в такой области, где период обращения каждой
частицы вокруг Сатурна ровно вдвое меньше, чем у ближайше-
го крупного спутника — Мимаса. Поэтому гравитационное воз-
действие Мимаса выбрасывает частицы из области орбит, нзхс-
218 Астрономия
дящейся внутри щели, и их количество там резко уменьшается.
Частицы движутся по более стабильным орбитам.
Однако резонансная природа других делений не выдер-
живает критики. Наблюдения, проведенные «Вояджерами»,
показали, что кольца, каждое в свою очередь, состоят из мно-
жества отдельных колечек с узкими темными промежутками
между ними. Это похоже на возникновение вследствие нару-
шения равномерности распределения твердых частиц по плос-
кости круговых волн плотности. Именно они создают тонкую
структуру колец.
Кроме давно известных колец недавно были открыты
еще четыре: D, E, F и G. Эти кольца очень разреженные, неяр-
кие. Если первые два наблюдались с Земли в мощные телеско-
пы при благоприятных атмосферных условиях, то два других
кольца были открыты аппаратом «Вояджер-1». Кольца обо-
значаются буквами латинского алфавита не в порядке их уда-
ленности от планеты, а в порядке открытия. Поэтому если
расположить кольца по мере их удаления от Сатурна, то полу-
чится ряд: D, С, В, A, F, G, Е.
Наиболее интересным оказалось кольцо F. Наблюдения
« Вояджера-1» показали, что кольцо F состоит из нескольких
тонких колец шириной 60 км. Два из них имеют необычную
структуру: они перевиты друг с другом. Была предложена
модель, согласно которой такая структура является результа-
том воздействия двух небольших новооткрытых спутников,
орбиты которых расположены соответственно у внутреннего
края кольца и у внешнего. Скорость обращения последнего
меньше, так как он расположен дальше от Сатурна. Гравитаци-
онное воздействие этих спутников не дает крайним частицам
удаляться от середины кольца. Спутники получили название
пастухов, так как они как бы «пасут» частицы, составляющие
кольцо, не давая им разбегаться. Расчеты показали, что воз-
действие спутников-пастухов вызывает движение частиц по
волнистой линии, что и создает наблюдаемые переплетения
компонентов кольца. Однако каково же было изумление уче-
ных, когда через девять месяцев были получены данные с
«Вояджера-2». Бортовые камеры не обнаружили в кольце F
никаких структур — ни переплетений, ни каких-либо других
искажений. Необычное образование оказалось нестабильным.
Возможны и другие причины таких значительных отличий
данных, но их обнаружение, требует тщательного изучения
снимков кольца. Непосредственное наблюдение с Земли, к
сожалению ученых, невозможно.
Ближайшим к планете является кольцо D. Оно прости-
рается до границы облачного слоя Сатурна. Наиболее удале-
но от планеты кольцо Е. Оно оказалось и самым разреженным,
и самым широким из всех — около 90 тыс. км. Оно занимает
зону поперечником от 3,5 до 5 радиусов Сатурна. Плотность
вещества в кольце Е возрастает по направлению к орбите спут-
ника Сатурна Энцелада, что говорит о возможном общем про-
исхождении вещества кольца и спутника.
На снимках видны детали, по которым можно судить,
что частицы колец Сатурна покрыты льдом и инеем, а неко-
торые из них, вероятно, полностью состоят из льда. Размеры
частиц по наблюдениям с Земли устанавливались порядка
нескольких метров. Очевидно, что на самом деле размеры
варьируются от нескольких сантиметров до нескольких мет-
ров. Исследования «Вояджсра-1» позволили уточнить раз-
меры частиц, составляющих кольцо А, кольцо С и деление
Кассини. Эти зоны последовательно пронизывались радио-
лучом на волне 3,6 см. В основном, частицы рассеивали вол-
ны в таком направлении, которое позволило оценить сред-
ний поперечник частиц кольца А в 10 м, деле \ля Кассини — в
8 м и кольца С — в 2 м.
У частиц колец F и Е было обнаружено сильное рассея-
ние вперед в видимой части спектра. Это означает наличие в
них значительного количества мелкой пыли, г ричем размеры
одной пылинки составляют порядка десятитысячных долей
миллиметра.
В кольце В обнаружили новый структурный элемент —
радиальные образования, состоящие из мелкой пыли. Они рас-
положены над плоскостью кольца и напоминают спицы в ко-
лесе. Происхождение «спиц» связывают с силами электроста-
тического отталкивния.
Исследования летательных аппаратов установили, что от
колец поступают множественные кратковременные всплески
радиоизлучения. Они являются результатом электростатичес-
ких разрядов, происходящих от электризации частиц из-за
столкновений.
Еще за несколько десятилетий до полета «Вояджеров* и
возможности непосредственных наблюдений некоторые аст-
рономы предсказывали наличие атмосферы у колец Сатурна.
И действительно, аппаратура зафиксировала наличие линии
Лайсаи-альфа (1216 А) в ультрафиолетовой части спектра,
что соответствует атомарному водороду. Кол гчество атомов
оценили примерно в 600 на см3.
СПУТНИКИ
Спутники планет-гигантов, в том числе : i Сатурна, обра-
зовались, скорее всего, из той лее планетезимали, из которой
образовалось первоначальное ядро самой планеты. Во время
образования планет внешней части Солнечной системы тем-
пература была низкой, поэтому первичный состав планетези-
малей представлял собой химически равнове- ную смесь кон-
денсатов. Состав этой смеси должен быть устойчивым при
температурах порядка 150 К и давлениях порядка миллибар.
Если такая модель верна, то спутники состоят из смеси горных
пород, железа и льдов. Состав льдов определяется порядком
конденсации в зависимости от температур. Ее 7 и расположить
их по мере понижения температуры, получится последователь-
ность: Н2О, NH3, СН4. Наиболее близкими го i составу к пер-
вичным планетезималям считаются кометы, но состав спутни-
ков может существенно отличаться от состава ядра комет, в
том числе и из-за возможного возрастания температуры акк-
реации во время образования спутника, что г риведет к испа-
рению наиболее летучих льдов.
В телескопы наблюдались 10 спутников Сатурна, но по-
леты космических аппаратов принесли открытие: уже к 1980
году было известно 7 новых спутников. Они настолько малы,
что их невозможно наблюдать с Земли, но некоторые из них
оказывают серьезное влияние на динамику системы Сатурна.
Атлас, орбита которого находится у внешнего края коль-
ца А. не дает частицам кольца выходить за его пределы.
Титан является единственным по величине спутником
Сатурна, сопоставимым с галилеевыми спутниками Юпитера.
Остальные значительно меньше.
Титан имеет радиус, равный 2575 километрам. Большая
полуось орбиты равна 1,222-Ю6 км. Масса Титана определена
в 0,0225 массы Земли. Средняя плотность 1,881 г/см. Период
орбитального обращения составляет 15,945 земных суток. По-
верхность Титана окутана облаками. Атмосфера этого спут-
ника плотная, подобно атмосфере Венеры. Титан обладает
Плутон 219
тепличным эффектом у поверхности. Основная составляющая
атмосферы Титана — N2, но имеется значительная примесь СН„
В инфракрасном спектре преобладает метан.
Температура верхней атмосферы равномерна, темпера-
тура на поверхности Титана равна 94 К. Интересно, что по-
верхность этого спутника изотермична по всей сфере. В ат-
мосфере присутствуют аэрозоли, очевидно, являющиеся про-
дуктом фотохимических превращений метана. Наблюдаются
также органические молекулы.
Япет — третий по величине спутник Сатурна. Его радиус
равен 730 км, большая полуось орбиты — 3,56-106 . Масса
Япстя составляет 3,15 десятитысячных массы Земли. Период
обращения вокруг Сатурна равен 79,331 земных суток. Полу-
шарие, обращенное к Сатурну, покрыто кратерами. На свет-
лом веществе видимой стороны Япета обнаружено множество
кратеров с темным дном, а на темном веществе отсутствуют
кратеры со светлым дном или же другими белыми пятнами.
Рея несколько превосходит Япет по размерам. Ее радиус
равен 765 км, диаметр — 1530 км, а плотность 1,24+0,05 г/см3.
Рея является примером относительно простого ледяного спут-
ника. На ней отсутствует темное вещество, характерное для
Япета.
