"Вояджеры" обнаружили ультрафиолетовое излучение водорода в атмосфере средних широт и полярные сияния на широтах выше 65 градусов. Подобная активность может привести к образованию сложных углеводородных молекул. Полярные сияния средних широт, которые происходят только в освещенных Солнцем областях, возникают по тем же причинам, что и полярные сияния на Земле. Разница лишь в том, что на нашей планете это явление присуще исключительно более высоким широтам.
Магнитное поле Сатурна имеет уникальный характер. Ось диполя совпадает с осью вращения планеты в отличие от Земли, Меркурия и Юпитера. Магнитосфера Сатурна имеет симметричный вид. Радиационные пояса имеют правильную форму, причем в них наблюдаются пустые полости, где заряженные частицы выметаются спутниками или кольцами. Вблизи колец концентрация частиц ничтожна. За спутниками Сатурна тянутся хвосты из нейтральных и ионизированных молекул и атомов газа, образующие гигантские торы на орбитах. Одним из источников такого тора является верхняя атмосфера Титана, самого большого спутника Сатурна
Сатурн имеет, по крайней мере, 28 спутников (ранее было известно 18) и 12 из них - больше 100 км в диаметре. Все спутники, кроме Гипериона и Фебы, повернуты к Сатурну одной стороной Шама Д. Современная космология. Перевод с английского. - М.: 2001..
Система спутников Сатурна довольно сложна. Общее число их, включая открытых в 1980 году 17. Сюда не вошли несколько совсем маленьких тел, которые были обнаружены на снимках Вояджера-2, полученных в 1980 г.
3. Уран
На расстоянии 19,2 а.е. от Солнца медленно движется по своей орбите Уран. Назван так в честь древнеримского бога неба. Период обращения его вокруг Солнца составляет 84 года. Эта планета так далеко от Земли, что разглядеть что-нибудь на ее поверхности невозможно. Уран был открыт У.Гершелем в 1781 году. Его диск никогда не бывает виден более 3.9", хотя его диаметр более 50000 км (все-таки планет-гигант!)5 Дубнищева, Т. Я. Концепции современного естествознания: Учеб. для студентов высш. учеб. заведений. - Новосибирск: ЮКЭА, 2004. - 830 с..
Рис. 9.Уран
Как и у других планет-гигантов, в атмосфере Урана обнаружены вихри, струйные течения, пятна, но их гораздо меньше чем у других. Синий цвет Урана является результатом поглощения красного света метаном в верхней части атмосферы. Вероятно, существуют облака других цветов, но они прячутся от наблюдателей перекрывающим слоем метана. Атмосфера Урана (но не Уран в целом, который сформировался из первоначальных твердых тел и различных углеводородных льдов) состоит примерно из 83% водорода, 15% гелия и 2% метана. Зарегистрировано свечение атмосферы Урана в ультрафиолетовой области спектра, простирающееся на 50000 км от планеты и фотохимический смог около освещённого солнцем полюса.
Циркуляция атмосферы происходит в высоких широтах с большей скоростью, чем у экватора. Ветры в средних широтах на Уране перемещают облака в тех же направлениях, что и на Земле. Эти ветры дуют со скоростью от 40-а до 160-ти метров в секунду.
Подобно другим газовым планетам, Уран имеет кольца. Кольцевая система была обнаружена в 1977-м году во время покрытия Ураном звезды. Наблюдалось, что звезда 5 раз ослабляла на краткий промежуток времени свой блеск перед покрытием и после него, что и навело на мысль о кольцах. Последующие наблюдения c Земли показали, что действительно есть девять колец. Если перебирать их, удаляясь от планеты, они названы 6, 5, 4, Альфа, Бета, Эта, Гамма, Дельта и Эпсилон. Вояждер-2 обнаружили несколько дополнительных колец, и также показали, что девять основных колец погружены в мелкую пыль. Подобно кольцам Юпитера, они очень неярки, но, как и кольца Сатурна, кольца Урана содержат много довольно больших частиц, размеры их колеблются от 10 метров в диаметре до мелкой пыли. Приборы Вояджер-2 указывали на наличие многих узких колец (или, возможно, неполных колец или кольцевых дуг) около 50 метров шириной.
Наблюдения показали, что кольца Урана заметно отличаются от родственных им систем Юпитера и Сатурна. Неполные кольца с различным показателям прозрачности по длине каждого из колец сформировались, похоже, позже, чем сам Уран, возможно, после разрыва нескольких спутников приливными силами8 Марченко А.Г.Астрономия. - СПб.: 2004.. Отдельные частицы в кольцах обнаруживали низкую отражательную способность. Например, самое яркое кольцо, Эпсилон, серого цвета. Ключом к разгадке структуры колец Урана может быть и открытие того, что два небольших спутника - Корделия и Офелия - находятся внутри кольца Эпсилон. Это объясняет неравномерное распределение частиц в кольце: спутники удерживают вещество вокруг себя.
Так, используя эту теорию, предположено, что в этом кольце можно отыскать еще 16 спутников.
У большинства планет ось вращения почти перпендикулярна плоскости эклиптики, но ось Урана почти параллельна этой плоскости. Причины "лежачего" обращения Урана точно неизвестны. Зато в действительности существует спор: какой из полюсов Урана - северный. Разговор этот отнюдь не подобен спору о палке с двумя концами и двумя началами. То, как же на самом деле сложилась такая ситуация с вращением Урана, очень многое значит в теории возникновения всей Солнечной системы. Почти все гипотезы подразумевают вращение планет в одну сторону. Если Уран образовался, лежа на боку, то это сильно не состыкуется с догадками о происхождении нашей планетной системы. Правда, сейчас все больше полагают, что такое положение Урана - результат столкновения с большим небесным телом, возможно крупным астероидом, на ранних стадиях формирования планеты. Подобная же проблема связана и с Венерой, которая хоть и не лежит на боку, но так же вращается в обратную сторону
Уран получает в 370 раз меньше тепла от Солнца, чем Земля и в отличии от других планет-гигантов излучает тепла не больше, чем получает от Солнца, следовательно и скорее всего, он холоден внутри. Кроме того, оказывается, что Уран не имеет твердого ядра, и вещество более или менее единообразно распространено по всему объему планеты.
Уран, как многие планеты имеет магнитосферу. Она необычна тем, что ось симметрии ее наклонена почти на 60 градусов к оси вращения (у Земли этот угол составляет 12 градусов). Вероятно, магнитное поле вокруг планеты генерируется движениями в сравнительно поверхностных областях Урана, а не в его ядре. Источник поля - неизвестен; гипотетический электропроводящий океан воды и аммиака не подтвержден исследованиями. Как на Земле, так и на других планетах, источником магнитного поля считают течения в расправленных породах, расположенных недалеко от ядра. Интенсивность поля на поверхности Урана в общих чертах сравнима с Земной, хотя оно и сильнее изменяется в разных точках поверхности из-за большого смещения оси симметрии поля от центра Урана
Уран имеет 17 известных спутников (из них 5 больших.). Все они имеют почти круговые орбиты в плоскости экватора Уран1 Астрономия и современная картина мира // Под ред. В.В.Казютинского. - М.: 2004. - 247 с..
Предварительный анализ показывает, что пять больших спутников - совокупность ледяных глыб. Большие спутники Урана на 50% состоят из водяного льда, на 20% - из углеродных и азотных соединений, на 30% - из разных соединений кремния - силикатов. Их поверхности, почти монотонно темно-серые, носят следы геологической истории.
Модель Урана построена по данным распределения масс, которые отражают коэффициенты зональных гармоник и сжатие. Согласно этой модели Уран имеет довольно большое ядро (0,3 радиуса), состоящее из силикатов, металлов и льдов. Льды - это метан, аммиак и вода в твердой фазе. Ядро окружено толстой оболочкой из водорода и гелия с условной границей 0,7 радиуса планеты. Атмосфера Урана содержит 2,3% метана, 12% гелия, остальное - водород. В атмосфере обнаружен и ацетилен - производная составляющая метана. Космический аппарат радиометодами на уровне давления 1,6 бар обнаружил облачный слой, состоящий из кристаллов метанового льда. В последние годы выясняется, что по сравнению с Юпитером и Сатурном недра Урана обогащены более тяжелыми элементами, чем водород и гелий. планета магнитный юпитер сатурн
При построении модели строения Урана учитывалось не только распределение масс, но и его дипольное магнитное поле. Высказано несколько гипотез о происхождении магнитного поля. Предполагалось, что планету покрывает горячий океан глубиной 10000 км, насыщенный ионами. Таким образом, предполагалась трехслойная модель: ядро, океан, атмосфера.
4. Нептун
Четвертая планета, принадлежащая к планетам - гигантам, это планета Нептун, названная в честь римского бога морей (греческий бог- Посейдон). Эта планета была открыта "на кончике пера" французским астрономом Леверье в 1846 году. Проанализировав движение Урана он понял, что для объяснения неравенств в движении Урана необходимо допустить существование достаточно большой притягивающей массы Он указал также место, де эта масса должна быть. Так был открыт Нептун. Галилей видел Нептун, так как он отметил изменение расстояния между двумя опорными звездами. Одна из них и был Нептун. Это произошло 28 декабря 1612 года, за 234 года до его открытия. Открытие Нептуна блестяще подтвердило правильность закона всемирного тяготения, положенного в основу расчётов орбит11 Шама Д. Современная космология. Перевод с английского. - М.: 2001. Было замечено, что Уран движется не совсем так, как ему полагается двигаться под действием притяжения Солнца и известных в то время планет. Тогда заподозрили существование еще одной массивной планеты и попытались вычислить ее положение на небе. Эту чрезвычайно сложную математическую задачу независимо друг от друга успешно решили английский астроном Дж. Адамс и французский астроном У. Леверье.
Рис. 12. Нептун
Видимая поверхность Нептуна представляет собой плотный облачный слой голубого цвета с полосами и белыми и темными пятнами11 Шама Д. Современная космология. Перевод с английского. - М.: 2001.
Сильный вихревой шторм размером с нашу планету вращается против часовой стрелки. У Нептуна обнаружено магнитное поле, ось магнитных полюсов отклонена на 47 градусов от оси вращения планеты. "Вояджер-2" выявил у Нептуна 5 слабых колец.
Масса Нептуна в 17 раз больше земной, а диаметр - в 3,9 раза. Средняя плотность Нептуна равна 1,64 г/см, это больше, чем у других планет-гигантов. По-видимому, в глубоких слоях планеты большую долю составляют тяжелые элементы. Сила тяжести на уровне видимой поверхности облаков на 16%, чем на поверхности Земли. Угол наклона экватора к плоскости эклиптики составляет 29°. Год Нептуна длится 164,8 земных года.
Атмосфера Нептуна, так же, как и у других планет-гигантов состоит, главным образом, из водорода и гелия, причем гелия немного больше, чем в атмосфере Урана. Глубина атмосферы 3-5 тыс. километров, а давление на ее дне 200 кбар - это заведомо мало для перехода водорода в жидкомолекулярное состояние, как у Юпитера. Предполагают, что на дне нептунианской атмосферы находится океан из воды, насыщенный ионами. Таким образом, Нептун - планета-океан, самый большой океан в Солнечной системе.
Строение и набор составляющих Нептун элементов, вероятно, подобны Урану: различные "льды" или отвердевшие газы с одержанием около 15% водорода и небольшого количества гелия. Как и Уран, и в отличие от Юпитера с Сатурном, Нептун, возможно, не имеет четкого внутреннего расслоения. Но наиболее вероятно, у него есть небольшое твердое ядро (равное по массе Земле). Атмосфера Нептуна - это, по большей части, водород и гелий с небольшой примесью метана: синий цвет Нептуна является результатом поглощения красного света в атмосфере этим газом, как на Уране. На Нептуне самые быстрые в Солнечной системе ветры, они разгоняются до 2200 км/час. Ветры дуют на Нептуне в западном направлении, против вращения планеты.
Подобно Юпитеру и Сатурну, Нептун имеет внутренний источник тепла - он излучает более чем в два с половиной раза больше энергии, нежели получает от Солнца. По наземным исследованиям были известны лишь два спутника Нептуна: Тритон и Нереида, обращающиеся вокруг Нептуна в обратном направлении. "Вояджер-2" открыл еще 6 спутников размерами от 200 до 50 км, вращающихся в том же направлении, что и Нептун. У Тритона и Нереиды в ультрафиолетовом диапазоне обнаружены явления, напоминающие земные полярные сияния3Воронцов-Вельяминов Б.А.. Астрономия. - М.: Просвещение, 2004. .
Тритон имеет очень тонкую газовую оболочку, верхний слой которой состоит из азота. В нижних слоях обнаружены метан и твердые частицы азотных образований. Наряду с кратерами на его поверхности обнаружены действующие вулканы, каньоны и горы.
Заключение
Итак, уже давно астрономы знают, что планеты-гиганты гораздо больше и массивнее планет земной группы. Самый лёгкий гигант - Уран - в 14,5 раза массивнее Земли. Но даже самая массивная планета Солнечной системы - Юпитер - в 1 000 раз уступает в этом показателе Солнцу. Впрочем, надо сказать, что по астрономическим меркам эту разницу можно назвать значительной, но не огромной. В то же время, плотность планет-гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы. У планет-гигантов нет ни твёрдой, ни жидкой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние. Именно отсутствие резкого перехода от газообразного состояния вещества в атмосфере к твёрдому или жидкому позволяет нам говорить о планетах-гигантах как о планетах без поверхности.
Почти все естественные спутники планет в Солнечной системе вращаются вокруг планет-гигантов. Точное их число ещё не известно. Но лишь три из 102, известных на начало 2002 года спутников, имеют отношение к планетам земной группы. У Сатурна открыто 30 спутников, у Урана - 21, у Юпитера - 39, у Нептуна - 8. В наши дни эти данные меняются каждые несколько месяцев. Кроме спутников, все планеты-гиганты обладают кольцами - скоплениями мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Однако только Сатурн обладает внушительными по размерам кольцами. Остальные планеты-гиганты обладают лишь невнятными и еле различимыми колечками. Впрочем, планеты первой четвёрки не обладают и такими.