САТУРН

САТУРН

- шестая по удалению от Солнца и вторая по размерам имассе планета Солнечной системы. Ср. гелиоцентрич. расстояние (большаяполуось орбиты) составляет 9,539 а. е. (1,427 млрд. км). Вследствие заметногоэксцентриситета орбиты (0,056) гелиоцентрич. расстояние изменяется прибл. <от 9 до 10,1 а. е. Наклон плоскости орбиты к эклиптике 2°29,4', ср. скоростьдвижения по орбите 9,64 км/с, а период обращения вокруг Солнца (сидерич. <период, или сатурнианский год) 29,458 земных года. Мин. расстояние междуС. и Землёй составляет 1,2 млрд. км, максимальное- 1,6 млрд. км; соответственновидимые угл. размеры диска изменяются от 20" до 15". Синодич. период обращенияравен 378,09 сут. Видимая звёздная величина С. в ср. противостоянии 0,67,абс. планетная величина 8,88. Интегральное сферич. альбедо0,34г.

Ср. экваториальный радиус С. (по уровню в атмосфере с давлением 1 бар), масса (М _с) 5,68*10²⁶ кг. Из-за быстрого вращениявокруг оси (период на экваторе 10,2 ч) С. обладает большим сжатием (0,1),вследствие чего его полярный радиус почти на 6500 км меньше экваториального. <Существенно при этом, что период вращения меняется с широтой (скоростьвращения экваториальной зоны прибл. на 5% выше полярной). Ср. плотностьС.- самая низкая из всех планет, всего 0,69 г/см ³, что прибл. <вдвое меньше плотности Солнца. Ускорение силы тяжести на экваторе 10,45м/с ², параболич. скорость (скорость убегания) ок. 36 км/с.

Твёрдой поверхности С. не имеет и является газожидким телом, находящимсяв состоянии гидростатич. равновесия. Структура его недр в целом подобнаструктуре Юпитера. Согласно моделям внутр. строения планет (см. Планетыи спутники), основанным на представлениях об адиабатич. изменении темп-рыпо глубине и многослойной дифференциации вещества недр, внеш. газовая оболочкаС. является водородно-гелиевой (при отношении Не/Н, меньшем солнечного, <т. е. 0,130,04 по массе), за ней следует оболочка, состоящая в осн. из жидкого водорода, <а с расстояния 0,5R _с- оболочка из металлического водорода. Металлич. водородзаполняет слой до уровня 0,3 R _с, где начинается ядро. Давлениездесь достигает 10 Мбар. Ядро составляет 25%по массе, что в неск. раз больше ядра Юпитера. Причина состоит в том, чтонаряду с веществом скальных пород в его состав, вероятно, входит значит. <примесь ледяной компоненты (вода, аммиак, метан). В этом находит отражениетот факт, что С. занимает промежуточное положение между Юпитером, состоящимв осн. из водорода, и Ураном и Нептуном, в составе к-рых преобладает ледянаякомпонента, а водород составляет относительно небольшую фракцию.

Наличие у С. магн. поля, вероятно, связано с действием гидромагнитногодинамо. Магн. поле на экваторе 0,21 Гс. Замечат. особенностью собств. магн. поля планеты является егопочти точная аксиальная симметрия, что, видимо, обусловлено сильным дифференц. <вращением наружных слоев С. Отклонение оси магн. диполя от оси собств. <вращения не превышает 1°.

С. получает от Солнца прибл. в 100 раз меньше тепла, чем Земля. Его эффективнаятемпература составляет 95 К, что заметно выше равновесной (74 К). Этоозначает, что излучаемая С. в окружающее пространство энергия прибл. втроебольше энергии, получаемой от Солнца, и свидетельствует о высокой эффективностивнутр. источника тепла. Наиб. вероятной природой этого источника можетбыть преобразование в тепло гравитац. энергии, высвобождающейся за счётвыпадения капель жидкого гелия (к-рые образуются при низкой темп-ре в жидкомводороде) из внеш. оболочек к центру планеты.

Под атмосферой С. понимают верх. часть его внеш. газовой оболочки. Хим. <состав атмосферы С. существенно отличается от среднесолнечного. Кроме водородаи гелия, в состав атмосферы входят метан (СН ₄), аммиак (NH₃),фосфин (РН ₃), в небольших кол-вах присутствуют углеводороды(С ₂ Н ₆ и С ₂ Н ₂). Относит. содержанияСН ₄, NH₃, PH₃, С ₂ Н ₆ и С ₂ Н ₂ составляют соответственно 2*10^-3;2*10^-4; 3*10^-8; 8*10^-6 и 10^-7.Заметна обогащённость углеродом (входящим в состав соединений): отношениеС/Н больше солнечного в 2,3 раза.

Структура атмосферы, профили темп-ры и давления похожи на юпитерианские. <Темп-pa в тропосфере на уровне с давлением 1 атм составляет ок. 145 К имедленно понижается с высотой (с адиабатич. градиентом 0,85 К км ^-1).В тропопаузе при давлении ок. 0,1 атм темп-pa прибл. 80 К. Ниже неё расположеныоблака, к-рые, вероятно, состоят из неск. слоев; считается, что верхнийвидимый слой образован в осн. кристаллами аммиака, хотя этот факт нельзясчитать окончательно установленным. Для атмосферы С. характерно наличиеряда динамич. образований (полос типа зон и поясов, пятен), роднящих егос Юпитером. Вместе с тем упорядоченная структура зон и поясов (отражающихсистему планетарной циркуляции), а также наблюдаемых крупных пятен - овалов(ассоциируемых с крупными атм. вихрями) на С. выражена менее чётко из-запротяжённого слоя надоблачной мелкодисперсной дымки. Размеры динамич. образований(вихрей и струй) велики по сравнению со шкалой высот (60км), но малы по сравнению с R _с и меньше аналогичных образованийна Юпитере. В то же время скорости ветра на экваторе С. в неск. раз превышаютскорости атм. движений в приэкваториальной зоне Юпитера, достигая почти500 м/с. Возможно, это связано с тем, что в систему циркуляции на С. вовлекаютсяболее глубокие области атмосферы, где интенсивность передачи момента кол-вадвижения в область экваториальных широт выше. Заметные различия динамикиатмосфер С. и Юпитера определяются различием интенсивностей источниковтепла в недрах этих планет, меньшим значением ускорения силы тяжести ибольшей толщиной наружной непроводящей молекулярной оболочки С. По этойже причине для атмосферы С. характерна меньшая по сравнению с Юпитеромроль в передаче кинетич. энергии вихревых движений упорядоченным зональнымтечениям.

В ср. и верх. областях атмосферы С. важную роль играют фотохим. превращения;особенно это касается процессов с участием NH₃, PH₃ и гидрокарбонатов. Помимо солнечной радиации онергетич. источниками, обусловливающимирост темп-ры выше тропопаузы, могут быть джоулев разогрев и диссипацияэнергии внуттренних волн. Макс. электронная концентрация в ионосфереС. 2*10⁴ см ^-3 на высоте ~ 2500 км (считая от уровня с давлением 1 атм).Магнитосфера С. по своей топологии и характеру процессов занимает промежуточноеположение между магнитосферами Юпитера и Земли (см. Магнитосферы планет). Близостьмагн. поля С. к дипольному проявляется в симметрии распределения заряж. <частиц во внутр. зоне его магнитосферы - как относительно оси вращения, <так и относительно экваториальной плоскости, с к-рой практически совпадаетположение нейтрального плазменного слоя. До радиальных расстояний (7 -15)R _с плазма вращается практически синхронно с планетой. Плазмасостоит из лёгких и тяжёлых ионов, вероятно, водорода, гелия, углерода, <азота и кислорода. Их источником, помимо солнечного ветра, могутслужить ледяные поверхности спутников С. и атмосфера Титана, орбита к-роголежит внутри магнитосферы планеты. Наиб. устойчивые зоны захваченной радиациирасположены в пределах на дневной и на ночной сторонах. Ударный фронт находится примерно на 25 R _с.Между магнитопаузой и устойчивой зоной радиационного пояса(17-23R_c) располагается область (зона псевдозахвата), где энергетич. <спектр частиц становится очень мягким и наблюдаются конвективные потокиплазмы. На ночной стороне образуется протяжённый плазменный шлейф, на к-рый, <вероятно, сильно влияют процессы, происходящие в межпланетной среде.

В систему С. входят окружающие его знаменитые кольца и 18 спутников. <Кольца представляют собой единую плоскую систему небольшой толщины (менеекилометра), расположенную в экваториальной плоскости планеты. Выделяют7 колец, основные из к-рых А, В и С занимают область пространствамежду 1,2 и 2,3 R _с. Кольца обладают чрезвычайно сложнойвнутр. структурой: каждое из них состоит ещё из сотен индивидуальных колечек. <Эта динамич. структура, так же, как и более крупные промежутки внутри колец(деления), являются следствием резонансов, обусловленных гравитац. взаимодействиемколец с неравновесной фигурой планеты и её многочисл. спутниками. Наиб. <заметны деления Кассини, Максвелла, Гюйгенса, Энке, Килера. В радиальномнаправлении периодически наблюдаются тёмные и светлые образования («спицы»),существование к-рых связывают с электростатич. эффектами, обусловленныминаличием пылевых частиц внутри колец, погружённых в магнитосферу С. (спроцессами в «пылевой плазме»). Внутри кольца С расположено ближайшеек планете слабое кольцо D, у внеш. края кольца А находится очень тонкое кольцо F, а за ним, вплоть до , последовательно очень слабые кольца G и Е. Общая массаколец 5*10^-8 М _с. Размеры частиц, образующихкольца, прибл. от долей см до 5 м, состоят они в осн. из льда (гл. обр. <водяного). Проблема их происхождения не решена - это либо реликты раннейстадии эволюции Солнечной системы, либо результат гравитац. взаимодействияС. с ядрами комет.

Все крупные спутники С., исключая Титан и Фебу, имеют ледяные поверхности. <Низкие ср. плотности (1,2-1,4 г/см ³) свидетельствуют о том, <что эти тела почти целиком водно-ледяные; несколько больше относит. содержаниескальных пород у Мимаса, Дионы, Реи (размеры от 400-500 до 1500 км). Темне менее на поверхности большинства спутников С. присутствуют характерныеследы эндогенной активности, особенно сильно выраженные на Энцеладе. Этотфакт пока не нашёл убедит. объяснения (наиб. вероятной причиной являетсядиссипация приливной энергии вследствие наличия резонансов при орбитальномдвижении спутника в гравитац. поле С.). Размеры открытых «Вояджером» маленькихспутников неправильной формы, находящихся в динамич. взаимодействии с болеекрупными спутниками и кольцами, прибл. от 30 до 190 км.

Наиб. интерес представляет самый крупный спутник С.- Титан, превышающийпо размерам Меркурий (радиус Титана 2575 км, ср. плотность 1,9 г/см ³).Замечат. особенность этого спутника - наличие у него мощной атмосферы (состоящейв осн. из азота) с давлением у поверхности 1,5атм и темп-рой 92 К. По-видимому, Титан состоит наполовину из льдов и наполовину из скальныхпород (силикатов, металлов). Собств. магн. поля Титан не имеет. На егоповерхности с большой вероятностью присутствуют моря и озёра из метанаи, возможно, океаны из этана. Из метана состоят и довольно плотные облака, <из к-рых метан в виде дождя может выпадать на поверхность; предполагают, <что круговорот метана на Титане аналогичен круговороту воды на Земле. Ватмосфере Титана обнаружен богатый спектр простых органич. соединений, <а сама атмосфера теряет атомарный и молекулярный водород и азот, что приводитк сложным процессам взаимодействия Титана с магнитосферой С. По характеруглобальной дымки и проявлению заметного парникового эффекта у поверхностиТитан в чём-то напоминает Венеру, хотя определяющие эти свойства хим. состави процессы иной природы. Лаб. моделирование и расчёты предсказывают, чтопри совр. скорости образования органич. веществ за время жизни Солнечнойсистемы на Титане должен был образоваться слой такого материала толщинойне менее 100 м. Поэтому с Титаном связывают надежды обнаружить аналог первичногоорганич. вещества, к-рое могло существовать на ранней Земле.

Лит.: Маров М. Я., Планеты Солнечной системы, 2 над., М., 1986;Saturn, ed. by Т. Gehrels, M. Matthews, Tucson, 1984; Система Сатурна, <пер. с англ., М., 1990. М. Я. Маров.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.