shpory_po_astronomii

•группа Ананке (16 спутников);

•группа Пасифе (17 спутников);

•S/2003 J 2 (не образует семейства).

Галилеевы спутники: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто

Галилеевы спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто) открыты Галилео Галилеем (в честь которого и получили название) 8 января 1610 года. Галилеевы спутники вращаются синхронно и всегда обращены к Юпитеру одной и той же стороной (т. е. находятся в спин-орбитальном резонансе

1:1) вследствие влияния мощных приливных сил планеты-гиганта. Кроме этого, Ио, Европа и Ганимед находятся в орбитальном резонансе – их орбитальные периоды относятся как 1:2:4.

Стабильность орбитальных резонансов галилеевых спутников наблюдается с момента открытия, т. е.

на протяжении 400 земных лет и более 20 тысяч «спутниковых» (Ганимеда) лет (период обращения Ганимеда равен 7,155 земных суток).

Ио (средний диаметр – 3640 км, масса – 8,93 × 1022 кг или 0,015 массы Земли, средняя плотность –

3,528 г/см3) находится ближе других галилеевых спутников к Юпитеру (в среднем на расстоянии

4.9RJ от его поверхности), чем, видимо, и обусловлена её вулканическая активность – самая высокая в Солнечной системе. Одновременно на поверхности Ио могут извергаться более 10 вулканов. В

результате этого рельеф Ио полностью изменяется в течение нескольких сотен лет. Крупнейшие извержения ионических вулканов выбрасывают вещество со скоростью 1 км/с на высоту до 300 км.

Подобно земным вулканам, вулканы на Ио выбрасывают серу и диоксид серы.Ударные кратеры на Ио практически отсутствуют, так как уничтожаются постоянными извержениями и потоками лавы. В

дополнение к вулканам на Ио имеются невулканические горы, озёра расплавленной серы, вязкие лавовые потоки длиной в сотни километров. В отличие от других галилеевых спутников, на Ио нет воды или льда.

Европа (диаметр – 3122 км, масса – 4,80 × 1022 кг или 0,008 массы Земли, средняя плотность – 3,01

г/см3) в среднем находится на расстоянии 8.4RJ от поверхности Юпитера. Европа полностью покрыта слоем воды толщиной предположительно около 100 км (частью – в виде ледяной поверхностной коры толщиной 10–30 км; частью, как полагают, – в виде подповерхностного жидкого океана). Далее залегают горные породы, а в центре предположительно находится небольшое металлическое ядро. Глубина океана – до 90 км, а его объём превышает объём мирового океана Земли. Тепло, необходимое для поддержания его в жидком состоянии, предположительно вырабатывается за счёт приливных взаимодействий (в частности, приливы поднимают поверхность спутника на высоту до 30 метров). Поверхность Европы очень ровная, лишь немногие образования,

напоминающие холмы, имеют высоту несколько сот метров. Высокое альбедо (0,67) спутника свидетельствует о том, что поверхностный лёд довольно чистый. Количество кратеров невелико,

имеется только три кратера диаметром больше 5 км.

Сильное магнитное поле Юпитера вызывает электротоки в солёном океане Европы, которые и формируют её необычное магнитное поле. Магнитные полюса расположены вблизи экватора

спутника и постоянно смещаются. Изменения мощности и ориентации поля коррелируют с прохождением Европы через магнитное поле Юпитера. Предполагается, что в океане Европы может существовать жизнь.

Ганимед (диаметр – 5262 км, масса – 1,48 × 1023 кг или 0,025 массы Земли, средняя плотность – 1,94

г/см3) в среднем находится на расстоянии 14.0RJ от поверхности Юпитера. Ганимед состоит, в

основном, из горных пород и водяного льда. Предположительно, во внутреннем строении Ганимеда можно выделить три слоя: расплавленное металлическое или металло-сернистое ядро, мантия,

состоящая из горных пород, и слой льда толщиной 900–950 км.

На поверхности Ганимеда имеется, в основном, два типа регионов: очень старые, сильно кратерированные тёмные области и более «молодые» (но тоже древние) светлые области,

отмеченные протяжёнными рядами гряд и выемок. Происхождение светлых регионов связано,

очевидно, с тектоническими процессами. Многочисленные ударные кратеры имеются на обоих типах поверхности Ганимеда, что говорит об их древности – до 3–3,5 млрд. лет (подобно лунной поверхности).

Каллисто (диаметр – 4821 км, масса – 1,08 × 1023 кг или 0,018 массы Земли, средняя плотность –

1,83 г/см3) в среднем находится на расстоянии 25.3RJ от поверхности Юпитера. Каллисто – одно из самых кратерированных тел в Солнечной системе. Следовательно, поверхность спутника очень старая (около 4 млрд. лет), а его геологическая активность крайне низкая. Каллисто имеет наименьшую плотность из всех галилеевых спутников (наблюдается тенденция: чем дальше спутник от Юпитера – тем ниже его плотность) и состоит, вероятно, на 60% изо льда и воды и на 40% из горных пород и железа. Предполагается, что Каллисто покрыт ледяной корой толщиной 200 км, под которой находится слой воды толщиной около 10 км. Более глубокие слои состоят, по-видимому, из спрессованных горных пород и льда с постепенным возрастанием горных пород и железа к центру.

35. Сатурн. Физические характеристики. Структура атмосферы. Внутреннее

строение. Магнитосфера. Элементы орбиты и особенности движения.

Физические характеристики

•Сатурн (газовый гигант) – шестая планета Солнечной системы.

•Экваториальный радиус: 60268 ± 4 км, полярный радиус: 54364 ± 10 км (из всех планет Солнечной системы Сатурн обладает наибольшим сжатием).

•Масса: 5.6846 × 1026 кг или 95.152 массы Земли.

•Средняя плотность: 0.687 г/см³.

Элементы орбиты и особенности движения

Среднее расстояние Сатурна от Солнца равно 1433,44 млн. км (9.582 а.е.), эксцентриситет e = 0,056.

Период обращения вокруг Солнца равен 29.66 года. Наклон орбиты к плоскости эклиптики – 2.48°,

наклон оси вращения – 26.73°, период вращения – 10h32m – 10h47m. Сферическое альбедо – 0,54.

Состав и структура атмосферы

По химическому составу и структуре атмосферы Сатурн в целом похож на Юпитер. Верхние слои атмосферы Сатурна на 96,3% состоят из водорода и на 3,25% – из гелия. Имеются примеси метана,

аммиака, фосфина, этана и некоторых других газов. Аммиачные облака в верхней части атмосферы более мощные, чем на Юпитере.

В атмосфере Сатурна дуют сильные ветры; скорости воздушных потоков достигают 500 м/с. Ветры в южном и северном полушариях симметричны относительно экватора и дуют по направлению осевого вращения.

Между продольными полосами атмосферы Сатурна хорошо наблюдается эффект неустойчивости Кельвина – Гельмгольца, возникающей в случае разных скоростей двух контактирующих сред.

В атмосфере Сатурна иногда появляются устойчивые образования – сверхмощные ураганы,

аналогичные Большому Красному Пятну на Юпитере (см. раздел 4.14.3) или Большому Тёмному Пятну на Нептуне (см. раздел 4.17.3). Гигантское Большое Белое Пятно (ББП) появляется на Сатурне с периодичностью в 28,5 лет, когда северное полушарие Сатурна сильнее всего наклоняется к Солнцу. Протяжённость ББП может достигать нескольких тысяч км.

Среди особенностей атмосферы Сатурна следует также выделить устойчивый гигантский облачный гексагон (шестиугольник) окружающий северный полюс Сатурна. Поперечник гексагона, который наблюдается в ИК-диапазоне, составляет около 25 тыс. км.

Внутреннее строение

Внутреннее строение Сатурна, как газового гиганта, также подобно строению Юпитера.

Предполагается, что в центре Сатурна находится твёрдое ядро, масса которого на основании измерений гравитационных моментов в поле Сатурна, а также требований сценария формирования

газовых гигантов на ранних стадиях, оценивается в 9–22 масс Земли, а радиус – 25 тыс. км.

Температура в центре ядра, предположительно, достигает 12000 К.

Ядро окружено слоем жидкого металлического водорода. Затем следует слой газожидкой смеси молекулярного водорода и гелия. Толщина верхнего слоя – атмосферы – оценивается в 1000 км.

Магнитное поле и магнитосфера

Магнитное поле Сатурна, так же как и Юпитера, создается за счёт динамо-эффекта при циркуляции металлического водорода во внешнем ядре. Магнитное поле можно представить дипольным,

квадрупольным и октупольным слагаемыми, причём последнее значительно меньше, чем для Земли и Юпитера. Напряжённость магнитного поля на экваторе Сатурна равна 0.2 Э, что меньше, чем у Земли. Тем не менее, дипольный магнитный момент Сатурна примерно в 580 раз больше, чем у Земли. Ось магнитного момента совпадает с осью вращения планеты.

Магнитосфера Сатурна по размерам уступает только магнитосфере Юпитера. С подсолнечной стороны магнитопауза расположена на расстоянии около 20 радиусов Сатурна от его центра, а хвост магнитосферы протягивается на несколько сотен радиусов Сатурна. Во многом магнитосфера пополняется плазмой за счёт спутников, и в первую очередь – Энцелада, который находится на расстоянии всего 2.95RS от «поверхности» Сатурна. Гейзеры Энцелада выбрасывают водяной пар,

часть которого ионизируется магнитным полем Сатурна.

Быстрое вращение Сатурна и наличие магнитосферной плазмы приводит к образованию относительно сильного кольцевого тока – уменьшенного аналога магнитодиска Юпитера. Полный кольцевой ток магнитосферы Сатурна оценивается в 10 млн. ампер.

Взаимодействие между магнитосферой Сатурна и солнечным ветром генерирует яркие овалы полярного сияния вокруг полюсов планеты в УФ, видимом и ИК диапазонах.

36. Общая характеристика спутников и колец Сатурна. Спутники Сатурна:

Прометей, Эпиметей и Янус, Мимас, Энцелад, Тефия и троянские спутники,

Титан. Кольца Сатурна.

Спутники Сатурна

По современным данным Сатурн обладает 62 спутниками и развитой системой колец. Только 13

спутников имеют диаметр больше 50 км: Титан (5150 км), Рея (1528 км), Япет (1436 км), Диона (1118

км), Тефия (1060 км), Энцелад (499 км), Мимас (397 км), Гиперион (266 км), Феба (240 км), Янус

(178 км), Эпиметей (119 км), Прометей (100 км) и Пандора (84 км). Большая часть спутников состоит из горных пород и льда.

Спутники Сатурна (так же, как и Юпитера) принято подразделять на регулярные и нерегулярные,

спутники-пастухи и т.д. 24 спутника Сатурна – регулярные, остальные 38 – нерегулярные. Луны-

пастухи колец Сатурна: Пан, Дафнис, Атлас, Прометей и Пандора. Нерегулярные спутники поделены по характеристикам своих орбит на три группы: инуитскую (5 спутников), норвежскую (29

спутников) и галльскую (4 спутника).

Спутники, кольца и пространство около Сатурна с 2004 года исследуются миссией «Кассини – Гюйгенс» (Cassini – Huygens) – совместным проектом NASA, ESA и ASI. КА «Кассини» находится на орбите около Сатурна, зонд «Гюйгенс» 14 января 2005 года совершил посадку на поверхность Титана. Сведения о наиболее интересных спутниках Сатурна приведены далее.

Титан – крупнейший спутник Сатурна и второй по величине в Солнечной системе. Средний радиус

– 2576 ± 2 км, масса – 0.0225 массы Земли. Титан – единственный спутник в Солнечной системе,

обладающий плотной атмосферой, и единственный спутник, поверхность которого невозможно наблюдать в видимом диапазоне из-за облачного покрова. Давление у поверхности примерно в 1,6

раза превышает давление земной атмосферы. На Титане имеются моря, озёра и реки из метана и этана, а также горы, состоящие изо льда и действующие криовулканы. Атмосфера на 98,6% состоит из азота. В атмосфере также обнаружена синильная кислота HCN – одно из важнейших соединений

(вероятно) предбиологического синтеза, однако жизнь на поверхности Титана невозможна, т.к.

средняя температура поверхности около 92 К.

Спутник Япет интересен кольцевым горным хребтом (стена Япета), опоясывающим спутник по экватору. Стена Япета имеет высоту до 13 км, ширину – до 20 км и длину – 1,3 тыс. км.

Предполагается, что этот горный хребет мог образоваться в результате выпадения на поверхность спутника частиц его кольца, либо в результате сжатия пород или прорыва материала из глубины спутника.

Энцелад – одно из трёх небесных тел в Солнечной системе (наряду с другим спутником Сатурна Титаном и спутником Нептуна Тритоном), на которых наблюдается криовулканизм (см. раздел

4.15.5).

Особенностью Мимаса является огромный ударный кратер Гершель диаметром 130 км,

составляющий почти треть диаметра самого Мимаса. Высота стен кратера достигает почти 5 км,

наибольшая глубина – 10 км. Вероятно, в далёком прошлом с Мимасом столкнулся большой астероид. Удар, от которого образовался кратер Гершель, едва не расколол Мимас. Трещины,

заметные на противоположной стороне спутника, вероятно, образованы ударными волнами,

прошедшими сквозь его тело. Средний радиус Мимаса равен 198 км, и этот спутник является самым маленьким известным астрономическим телом, которое имеет округлую форму из-за собственной гравитации. Предполагается, что щель Кассини (промежуток между двумя самыми широкими кольцами Сатурна) образовалась из-за гравитационного воздействия Мимаса.

Спутники Эпиметей и Янус представляют собой уникальный пример со-орбитальных небесных тел.

Средний радиус орбиты Януса по данным на 2006 год был всего на 50 км меньше, чем Эпиметея.

Линейные размеры Эпиметея – 130×114×106 км, а Януса – 203×185×153 км. Период обращения по орбите меньшего радиуса меньше, а в данном случае всего на 30 секунд. Ежедневно внутренний спутник оборачивается вокруг Сатурна на 0.25º больше, чем внешний. В результате этого внутренний спутник догоняет внешний. Когда внутренний спутник догонит внешний, взаимное гравитационное взаимодействие увеличит момент импульса внутреннего спутника и уменьшит внешнего. В результате этого орбитальный период внутреннего спутника увеличивается, и он переходит на более высокую орбиту, а внешнего – уменьшается, и он переходит на внутреннюю.

При «обмене» спутники никогда не сближаются на расстояние, меньшее 10000 км. Такой «обмен» происходит каждые 4 года (земных), последний раз – в 2010 году.

Спутники Телесто и Калипсо, а также Елена и Полидевк являются троянскими спутниками в системах Сатурн – Тефия и Сатурн – Диона соответственно.

Кольца Сатурна

Сатурн обладает развитой системой колец. Принято выделять три основных кольца и четвёртое – более тонкое. Все вместе они отражают больше света, чем диск самого Сатурна.

Кольца принято обозначать первыми буквами латинского алфавита. Кольцо В – центральное, самое широкое и яркое, оно отделяется от большего внешнего кольца А щелью Кассини шириной почти

4000 км, в которой находятся тончайшие, почти прозрачные кольца. Внутри кольца А есть тонкая щель, которая называется разделительной полосой Энке. Кольцо С, находящееся ещё ближе к планете, чем В, почти прозрачно.

Кольца Сатурна очень тонкие. При диаметре около 250000 км их толщина составляет менее километра. Количество вещества, составляющего кольца, крайне незначительно. Если его собрать в один монолит, его диаметр не превысил бы 100 км. Частицы, из которых состоят кольца, в

большинстве своем имеют размер в несколько сантиметров, но изредка попадаются тела в несколько метров, и совсем редко – до 1–2 км. По всей видимости, частицы колец почти полностью состоят изо льда или каменистого вещества, покрытого льдом.

37. Уран. Физические характеристики. Атмосфера, внутреннее строение,

магнитосфера. Элементы орбиты и особенности движения. Спутники и кольца.

Физические характеристики.

•Уран (ледяной гигант) – седьмая планета Солнечной системы.

•Экваториальный радиус: 25559 ± 4 км, полярный радиус: 24973 ± 20 км.

•Масса: 8.68 × 1025 кг или 14.536 массы Земли.

•Средняя плотность: 1.27 г/см³.

•Сферическое альбедо равно 0,60.

Элементы орбиты и особенности движения

Уран открыт 13 марта 1781 года Уильямом Гершелем.

Среднее расстояние Урана от Солнца равно 19.23 а.е. Период обращения вокруг Солнца равен 84.323

года. Наклон орбиты к плоскости эклиптики 0.772°. Наклон оси вращения: 97.77°. Период вращения:

17h14m24s.

Поскольку плоскость экватора Урана наклонена к плоскости его орбиты под углом 97,77°, то планета вращается, «лёжа на боку». Это даёт полностью отличный от других планет Солнечной системы процесс смены времён года. Если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. В качестве причины такого аномального вращения обычно называется столкновение Урана с другой планетезималью на раннем этапе его формирования.

В моменты солнцестояний один из полюсов планеты оказывается направленным на Солнце. В это время только узкая полоска около экватора испытывает быструю смену дня и ночи; при этом Солнце расположено очень низко над горизонтом – как в земных полярных широтах. Через полгода ситуация меняется на противоположную: «полярный день» наступает в другом полушарии. Каждый полюс Урана в течение 42 земных лет находится в темноте, и 42 года освещён Солнцем.

Состав и структура атмосферы

Поскольку Уран не имеет твёрдой поверхности, его «атмосферой» принято считать наиболее удалённую от ядра часть газообразной оболочки. Предполагается, что атмосфера Урана начинается на расстоянии 300 км от внешнего слоя при давлении в 100 бар и температуре 320 K. Атмосфера Урана содержит молекулярный водород (85%), гелий (12%), метан (2,3%). Такое высокое содержание метана, поглощающего в красной области спектра, обусловливает синевато-зелёный цвет планеты. Также обнаружены следы других углеводородов (этана, метилацетилена и диацетилена), которые, как предполагается, являются продуктом фотолиза метана под воздействием солнечного излучения УФ диапазона.

В нижних слоях атмосферы наблюдаются сезонные изменения, облака и сильные ветры.

Внутреннее строение

Предположительно, Уран состоит из трёх слоёв. В центре находится твёрдое ядро из металлов,

силикатов, льдов аммиака и метана. Ядро занимает около трети радиуса планеты, его масса

составляет примерно 0,6–3,7 земных масс. В центре Урана плотность должна повышаться до 9 г/см³,

давление может достигать 800 ГПа при температуре в 5000 К.

Над ядром расположена мантия, состоящая из смеси водяного и аммиачно-метанового льдов. Мантия составляет большую часть планеты (60% от общего радиуса, и до 13,5 земных масс).

Над мантией находится газовая оболочка, занимающая от 10 до 20% радиуса планеты и составляющая 0,5–1,5 массы Земли.

Магнитное поле и магнитосфера

Магнитное поле Урана было измерено с помощью КА «Вояджер-2» в 1986 году. По данным этих измерений величина магнитного диполя Урана примерно в 50 раз больше дипольного момента Земли. Вклад квадрупольного момента на поверхности планеты сравним с вкладом диполя. В

отличие от других планет, дипольный магнитный момент Урана наклонён под большим углом (59°) к

оси вращения планеты и смещён к северному полюсу на 8000 км (фактически треть радиуса). В

результате этого магнитосфера Урана обладает значительной асимметрией: напряжённость магнитного поля на поверхности в южном полушарии может составлять 0,1 Э, а в северном полушарии – 1,1 Э.

Головная ударная волна магнитосферы расположена на расстоянии от Урана в 23 его радиуса;

магнитопауза – на расстоянии 18 радиусов Урана. Магнитный «хвост» Урана тянется за планетой на миллионы километров и вращением планеты закручен в виде штопора.

На Уране наблюдаются полярные сияния, видные как яркие дуги вокруг магнитных (но не географических) полюсов.

Спутники и кольца

В настоящее время у Урана достоверно обнаружено 27 спутников и система колец. Традиционно спутники Урана называются по именам персонажей произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Спутники Урана разделяются на три группы: 13 внутренних, 5 крупных и 9 нерегулярных.

Внутренние спутники Урана представляют собой слабо отражающие объекты, тесно связанные с кольцами Урана, которые, возможно, возникли вследствие распада одной или нескольких маленьких внутренних лун. Орбиты внутренних спутников лежат внутри орбиты Миранды. Некоторые из них

(Корделия и Офелия) являются лунами-пастухами колец.

Крупные спутники Урана – Титания (диаметр равен 1577 км), Оберон (1523 км), Умбриэль (1169 км),

Ариэль (1158 км) и Миранда (472 км ) – достаточно массивны, чтобы иметь шарообразную форму.

Крупные спутники Урана состоят из смеси примерно равных количеств льда и силикатов, за исключением Миранды, которая состоит преимущественно изо льда.

Нерегулярные спутники Урана имеют сильно вытянутые орбиты, имеющие, кроме этого,

значительные наклоны к экваториальной плоскости. Эти спутники обращаются вокруг Урана на расстояниях, значительно превышающих радиус орбиты Оберона – наиболее удалённого из крупных спутников. Предполагается, что все нерегулярные спутники захвачены Ураном уже после его формирования.

Система колец Урана состоит из 13 отчётливо различимых колец. Они разделяются на 3 группы: 9

узких главных колец, 2 пылевых кольца и 2 внешних кольца. Радиусы колец заключены в пределах от 38 тыс. до 98 тыс. км. Кольца состоят из частиц диаметром 0,2–20 м и небольшого количества пыли. Образующие кольца частицы слабо отражают солнечное излучение (их альбедо составляет единицы процентов) и состоят из смеси льда и тёмного вещества.

38. Нептун. Физические характеристики. Атмосфера, внутреннее строение,

магнитосфера. Элементы орбиты и особенности движения. Спутники и кольца.

Спутник Нептуна Тритон.

Физические характеристики

•Нептун (ледяной гигант) – восьмая (и последняя) планета Солнечной системы.

•Экваториальный радиус: 24764 ± 15 км, полярный радиус: 24341 ± 30 км.

•Масса: 1,0243 × 1026 кг или 17.147 массы Земли.

•Средняя плотность: 1.638 г/см³.

•Сферическое альбедо равно 0,50.

Элементы орбиты и особенности движения Нептун открыт 23 сентября 1846 года Иоганном Галле и Гейнрихом д’Арре по данным расчётов

Урбена Леверье (ещё до Леверье, в 1843 году орбиту Нептуна вычислил Джон Адамс).

Среднее расстояние Нептуна от Солнца 30.1 а.е. Период обращения вокруг Солнца равен 164.79

года. Наклон орбиты к плоскости эклиптики 1.768°. Наклон оси вращения: 28.32°. Период вращения:

16h6m36s.

Состав и структура атмосферы Атмосфера Нептуна, как и у других планет-гигантов, в основном состоит из молекулярного

водорода. На долю гелия приходится 15% и 1% – на долю метана. Благодаря наличию метана в атмосфере Нептун, как и Уран, имеет голубой цвет, поскольку длинноволновой участок спектра солнечного излучения метан поглощает, а голубой и зелёный – рассеивает.

Атмосфера Нептуна характеризуется динамической системой штормов: скорости ветров достигают почти сверхзвуковых значений (около 600 м/с). В большинстве случаев ветры на Нептуне дуют в направлении, обратном вращению планеты вокруг своей оси.

В 1989 году КА «Вояджер-2» в атмосфере Нептуна был открыт устойчивый шторм-антициклон размерами 13000×6600 км – Большое Тёмное Пятно (БТП), похожее на Большое Красное Пятно

(БКП) Юпитера. В отличие от БКП, существующее уже более 300 лет, БТП к 1994 году исчезло.

Кроме БТП, в атмосфере Нептуна наблюдаются и другие устойчивые светлые и тёмные вихревые структуры.

Внутреннее строение Внутреннее строение Нептуна напоминает внутреннее строение Урана. Внешняя газовая оболочка

составляет 10–20% от общей массы планеты. Протяжённость этой оболочки от поверхности составляет около 15% радиуса Нептуна.

Следующая оболочка – мантия – состоит из воды, аммиака и метана и называется «ледяной»,

несмотря на то, что она представляет собой горячую (2000–5000 К) и плотную (вблизи ядра давление может достигать 10 ГПа) жидкость. Масса мантии Нептуна превышает массу Земли в 10–15 раз.

Ядро Нептуна состоит из железа, никеля и силикатов. Его масса оценивается в 1,2 масс Земли.

Давление в центре ядра достигает 700 ГПа, температура – 7000 К.