Почему у Сатурна есть кольца?
Сатурн, как известно, является шестой планетой от солнца и второй по величине планетой в Солнечной системе. Эта планета расположена на более дальнем градусе от Земли, и ее можно обнаружить невооруженным глазом, но самая великолепная особенность Сатурна-это его кольца. Кольца этой планеты лучше воспринимаются в телескоп. Хотя и другие газовые гиганты Солнечной системы, такие как Юпитер, Уран и Нептун. Они также владеют кольцами, однако кольца Сатурна особенно выдающиеся, что дает ему прозвище «окольцованная планета».
Сатурн — газовый гигант, состоящий в основном из водорода и гелия. Она не имеет определенной поверхности, хотя может иметь твердое ядро. Объем Сатурна превышает 760 земных масс, и он считается второй по величине планетой в Солнечной системе, а его масса примерно в 95 раз превышает массу Земли. Окольцованная планета является наименее плотной из всех планет и является единственной менее плотной, чем вода (примерно на 30 процентов меньше). Если бы там была хоть одна ванна, достаточно массивная, чтобы вместить его, Сатурн поплыл бы. Хотя ядро Сатурна значительно плотнее воды, но средняя удельная плотность планеты составляет 0,69 г/см3 за счет атмосферы.
В атмосфере Сатурна можно увидеть желтые и золотые полосы, которые возникают из-за движения сверхбыстрых ветров в верхних слоях атмосферы, которые могут подниматься до 1100 миль в час (1800 км/ч) вокруг его экватора, а также тепла, поднимающегося из внутренней части планеты. Вращение Сатурна происходит примерно раз в 10,5 часа. Причина, по которой Сатурн выпячивается на экваторе и сплющивается на полюсах, заключается в его быстром вращении. Планета имеет около 75 000 миль (120 000 км) в поперечнике на экваторе и 68 000 миль (109 000 км) от полюса до полюса.
Вращение Сатурна меняет его форму на сплюснутый сфероид. Она сплющена на полюсах и выпирает на экваторе. Его экваториальный и полярный радиусы отличаются почти на 10%: 60 268 км против 54 364 км. Юпитер, Уран и Нептун, другие гигантские планеты Солнечной системы, также сплющены, но в меньшей степени. Сочетание выпуклости и скорости вращения означает, что эффективная поверхностная гравитация вдоль экватора, 8,96 м/с2, составляет 74% от силы тяжести на полюсах и ниже, чем поверхностная гравитация Земли. Однако Экваториальная скорость передвижения, составляющая почти 36 км/с, намного выше, чем у Земли.
Внутренняя структура
За исключением водорода и гелия, большая часть массы Сатурна не находится в газообразном состоянии, поскольку водород становится неабсолютной жидкостью, когда плотность особенно превышает 0,01 г/см3, что повышается до радиуса, состоящего из 99,9% массы Сатурна. Температура, давление и плотность внутри Сатурна равномерно возрастают по направлению к ядру, что в дальнейшем приводит к превращению водорода в металл в более глубоких слоях.
Стандартные планетарные модели утверждают, что внутренняя часть Сатурна идентична Юпитеру, имея небольшое каменистое ядро, окруженное водородом и гелием, со следами различных летучих веществ. Это ядро все равно по составу похоже на Землю, только плотнее. Оценка гравитационного момента Сатурна в сочетании с физическими моделями внутреннего пространства позволила установить ограничения на массу ядра Сатурна. В 2004 году ученые приблизились к тому, что ядро должно быть в 9-22 раза больше массы Земли, что соответствует диаметру около 25 000 км. Он окружен более толстым слоем жидкого металлического водорода, за которым следует жидкий слой насыщенного молекулярного водорода гелия, который медленно превращается в газ с ускоряющейся высотой. Самый внешний слой простирается на 1000 км и состоит из газа.
Температура внутри Сатурна достигает 11 700 °C в его ядре, и он излучает в космос в 2,5 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Тепловая энергия Юпитера генерируется механизмом Кельвина–Гельмгольца медленного гравитационного сжатия, но одного этого процесса может быть недостаточно для выработки тепла Сатурном из-за его меньшей массивности. Альтернативным или дополнительным механизмом может быть генерация тепла через «дождь» капель гелия глубоко внутри Сатурна. По мере того, как капли проходят через водород с более низкой плотностью, процесс высвобождает тепло с помощью трения и оставляет внешние слои Сатурна, истощенные гелием. Эти оседающие капли могли быть собраны в гелиевую оболочку, окружающую ядро. Предполагалось, что ромбовидные осадки также происходят внутри Сатурна, и то же самое происходит с Юпитером и ледяными гигантами, Ураном и Нептуном.
Атмосфера Сатурна
Внешняя атмосфера Сатурна состоит примерно из 96,3% молекулярного водорода и 3,25% гелия по объему. Доля гелия явно недостаточна по сравнению с огромным количеством этого элемента на Солнце. Количество элементов, более плотных, чем гелий, точно не известно. Однако пропорции, как предполагается, соответствуют изначальному количеству от образования Солнечной системы. Общая масса этих более тяжелых элементов оценивается в 19-31 раз больше массы Земли, причем значительная ее часть находится в ядре Сатурна.
В атмосфере Сатурна обнаружены следы аммиака, ацетилена, этана, пропана, фосфина и метана. Вышележащие облака состоят из кристаллов аммиака, в то время как облака нижнего уровня, по-видимому, состоят либо из гидросульфида аммония (NH4SH), либо из воды. Ультрафиолетовое излучение Солнца подвергается фотолизу метана в верхних слоях атмосферы, что приводит к ряду химических реакций углеводородов, вызывающих перенос продуктов вниз вихрями и диффузией. Этот фотохимический цикл регулируется годовым сезонным циклом Сатурна.
Магнитосфера
Сатурн имеет укоренившееся магнитное поле, которое имеет плоскую и симметричную форму с магнитным диполем. Его сила на экваторе составляет 0,2 Гаусса (20 мкТл), что оценивается как одна двадцатая от напряженности поля вокруг Юпитера, а также несколько слабее, чем магнитное поле Земли. И в результате этого магнитосфера Сатурна становится намного меньше, чем у Юпитера. Когда «Вояджер-2» вошел в магнитосферу, давление солнечного ветра было высоким, и магнитосфера расширилась только на 19 радиусов Сатурна, или 1,1 миллиона километров (712 000 миль), хотя она становилась больше в течение нескольких часов и оставалась такой около трех дней. Эта магнитосфера является целостной при отвлечении частиц солнечного ветра от Солнца. Спутник Титан совершает круговые движения в пределах внешней части магнитосферы Сатурна и вносит плазму из ионизированных частиц во внешнюю атмосферу Титана.
Кольца Сатурна
Первым, кто заметил кольца Сатурна, был Галилео Галилей в 1610 году, хотя, глядя в его телескоп, кольца выглядели как ручки или руки. Сорок пять лет спустя, в 1655 году, очень известный голландский астроном Христиан Гюйгенс, имевший более мощный телескоп, позже выдвинул предположение, что Сатурн имел тонкое плоское кольцо.
По мере того как ученые совершенствовали и создавали более совершенные инструменты, они продолжали все больше узнавать о структуре и составе колец. Сатурн имеет различные кольца, которые, кроме того, состоят из миллиардов частиц льда и камня, размером от зерна сахара до размера дома. Считается, что эти частицы представляют собой обломки комет, астероидов или разбитых спутников. Исследование 2016 года также предположило, что кольца могут быть каркасами карликовых планет.
Самое большое кольцо имеет длину, примерно в 7000 раз превышающую диаметр планеты. Основные кольца обычно имеют толщину всего около 30 футов, но космический аппарат Кассини-Гюйгенса обнаружил вертикальные образования в некоторых кольцах, причем частицы скапливались в бугорках и гребнях высотой более 2 миль. Кольца названы в алфавитном порядке в том порядке, в котором они были обнаружены. Главные кольца, работающие от планеты, известны как С, В и А. Самое внутреннее-это чрезвычайно слабое кольцо D, в то время как самое внешнее на сегодняшний день, открытое в 2009 году, настолько велико, что в нем может поместиться миллиард земель.
Таинственные спицы были замечены в кольцах Сатурна, которые, по-видимому, формируются и рассеиваются всего за несколько часов. Ученые предположили, что эти спицы могут состоять из электрически заряженных слоев частиц размером с пыль, созданных маленькими метеоритами, ударяющимися о кольца, или электронными лучами от молнии планеты.
Вывод
Таким образом, Притяжение Сатурна, самой колоссальной планеты в Солнечной системе после Юпитера, помогло сформировать судьбу нашей Солнечной системы. Возможно, это помогло яростно выбросить Нептун и Уран наружу. Наряду с Юпитером, он мог также приостановить шквал обломков к внутренним планетам в начале истории системы.
Ученые все еще изучают, как формируются газовые гиганты, и запускают модели раннего формирования Солнечной системы, чтобы понять роль, которую Юпитер, Сатурн и другие планеты играют в нашей Солнечной системе.
