Исследования Сатурна с помощью космических зондов

Сатурн исследовался четырьмя космическими аппаратами. «Пионер-11» (США), переименованный после запуска в «Пионер-Сатурн»), с пролетной траектории в 1979 г. выполнил цикл исследований планеты. Зонд «Вояджер-1» в 1980 г., а затем «Вояджер-2» (США) в 1981 г. прошли вблизи Сатурна и передали множество снимков планеты, его колец и его спутников.

В 1997 г. был запущен тяжелый межпланетный зонд «Кассини», созданный NASA (США), Европейским космическим агентством (ЕКА) и Итальянским космическим агентством (ИКА). В 2004 г. он стал первым в истории искусственным спутником Сатурна. Исследования Сатурна с помощью «Кассини» успешно продолжались вплоть до 2017 года, когда зонд был сведен с орбиты и упал в Сатурн.

В начале 2005 г. от «Кассини» был отделен посадочный зонд «Гюйгенс» (ЕКА), который совершил парашютный спуск в атмосфере крупнейшего спутника Сатурна — Титана, и передал данные о свойствах атмосферы и поверхности спутника. На сегодняшний день рассматривается вопрос о реализации нового проекта «Титан-Сатурн» NASA и ЕКА, но сроки пока не определены.

Внутреннее строение и магнитное поле Сатурна.

Экваториальный диаметр, определенный по верхней кромке облаков, равен 120 540 км, что в 9,4 раза превышает диаметр Земли. Соответственно, по объему Сатурн примерно в 800 раз превышает Землю. Масса Сатурна равна 5,685 • 1026 кг (95,159 масс Земли), или в 3,3 раза меньше массы Юпитера. Средняя плотность планеты оказалась самой низкой среди всех планет Солнечной системы — всего 0,69 г/см3, что заметно ниже плотности воды. Безразмерный момент инерции планеты равен 0,22, что указывает на существование сравнительно небольшого плотного ядра и протяженной флюидной оболочки переменной (нарастающей к центру) плотности.

Внутреннее строение Сатурна в общих чертах сходно с внутренним строением Юпитера. Атмосфера планеты состоит из водорода (96,3% по объему) и гелия (3,25%) — в атмосфере Юпитера, к примеру, объемное содержание гелия — 11%. Это различие может указывать на повышенную по сравнению с Юпитером концентрацию водорода во внутренних слоях Сатурна. Есть небольшие примеси метана, аммиака, этана, фосфорсодержащих веществ (фосфина). На верхней кромке облаков планеты температура не поднимается выше -180 °С (93 К). Эффективная температура планеты составляет всего 95 К. Это связано с очень небольшим потоком солнечной энергии, падающим на единицу площади Сатурна (в 91 раз меньше, чем на Земле).

По мере погружения в газовую оболочку Сатурна температура и давление быстро растут. С их увеличением, как и на Юпитере, с глубины в несколько тысяч километров начинается протяженный газожидкий слой, который оказался значительно толще, чем на Юпитере. Свойство дифференциальности вращения атмосферы, как и на Юпитере, постепенно падает с глубиной, но уровень, начиная с которого планета вращается твердотельно, находится втрое глубже, чем на Юпитере — примерно в 9000 км от верхнего слоя облаков.

Если газожидкая атмосфера Юпитера, согласно существующим моделям, заканчивается на глубине 0,77 радиуса от центра планеты (здесь начинается слой жидкого металлического водорода), то на Сатурне жидкий металлический водород начинается гораздо глубже — от 0,49 радиуса. Существует металлосиликатное ядро (от центра до 0,15 радиуса планеты). Согласно расчетам, температура в центре Сатурна достигает 17 000 К, давление — 23 Мбар.

Об особенностях внутреннего строения Сатурна говорит его тепловой баланс. Несмотря на большие размеры планеты, Сатурн получает в 2,7 раз меньше тепла от Солнца, чем, например, Земля. Это связано с огромным удалением (почти в 10 раз дальше от Солнца) и более высоким альбедо (0,47 для Сатурна при 0,37 для Земли). Измерения показали, что тепловой поток из глубин планеты в 1,9—2,2 раза превышает поток тепла, поступающий от Солнца. Причина этого феномена окончательно не выяснена. Основная гипотеза заключается в том, что здесь, как и на Юпитере, работает гравитационная дифференциация. Более тяжелый гелий погружается в недра планеты, более легкий водород вытесняется в наружные слои, в результате происходит выделение тепловой энергии. Поскольку подробности таких процессов неясны, возможны сложные варианты типа изменений концентрации раствора гелия в металлическом водороде.

Существует еще одна гипотеза, учитывающие свойства так называемого «темного водорода». Эксперименты, результаты которых опубликованы в 2016 г., говорят о существовании ранее неизвестного состояния водорода при высокой температуре и высоком давлении, характерных для недр Юпитера и Сатурна. Водород в таком состоянии не пропускает видимый свет, но хорошо пропускает инфракрасное (тепловое) излучение. Обладая высокой теплопроводностью, «темный водород» должен ускорять потери тепла газовыми гигантами, увеличивая поток тепла из их глубин.

Окончательная теория теплового баланса планет-гигантов не построена. Не исключено, что часть внутреннего тепла носит реликтовый характер (сохранилась со времен формирования планеты при аккреции потоков газа и пыли на молодые планеты и последующих столкновениях крупных небесных тел). Кроме того, как уже неоднократно упоминалось выше, трудно оценить вклад радиоактивных элементов в недрах планет.

Как и на Юпитере, высокие температура и давление в недрах Сатурна приводят к ионизации водорода и гелия (отрыву электронов от ядер атомов), в результате чего все недра планеты оказываются электропроводящими. Движения в недрах планеты порождают электрические токи, которые в свою очередь становятся источником магнитного поля. В отличие от Юпитера, Меркурия и Земли, ось магнитного диполя Сатурна с высокой точностью совпадает с осью вращения планеты. Благодаря этому не очень понятному обстоятельству, магнитосфера Сатурна имеет правильную симметричную форму. Есть основания полагать, что магнитное поле планеты формируется на глубинах, которые существенно больше, чем соответствующие глубины на Юпитере.

В целом магнитосфера Сатурна устроена проще, чем у Юпитера, но все-таки имеет достаточно сложную структуру. Здесь есть несколько радиационных поясов, где магнитное поле планеты образует замкнутые «резервуары» для заряженных частиц. Между радиационными поясами есть тороидальные зоны, где концентрация заряженных частиц крайне низка. Заряженные частицы здесь перехватываются веществом колец (о кольцах будет сказано ниже) и спутниками. Радиус радиационных поясов составляет 20—22 радиусов Сатурна.

Индукция магнитного поля на уровне наблюдаемых снаружи облаков на экваторе составляет 0,2 Гс (на Земле около 0,35 Гс).

Рис. 12.1. Полярные сияния на Сатурне (космический телескоп «Хаббл», NASA)