Феликс Зигель - Путешествие по недрам планет

 Легче воды

В популярных книгах по астрономии иногда приводится забавный рисунок: в колоссальном воображаемом водном бассейне с легкостью пробки плавает Сатурн. Эта фантастическая ситуация отражает реальный факт — из всех главных планет Солнечной системы только Сатурн имеет среднюю плотность меньше единицы. Это, впрочем, не мешает ему, благодаря своему знаменитому кольцу, быть самой эффектной из планет.

По размерам Сатурн уступает только Юпитеру. Его масса в 95 раз, а поперечник в 9,4 раза превосходит земные, а сжатие (1/10) даже больше, чем у Юпитера. Сутки на Сатурне близки к 10,5 ч, а вращение атмосферы имеет такой же зональный характер, как у Юпитера. Вокруг Сатурна обращается 17 спутников.

Долгое время считалось, что кольцо, или, точнее, кольца[5] Сатурна, — его уникальная особенность (рис. 3). За последние десятилетия выяснилось, что и другие планеты-гиганты обладают кольцами, правда, гораздо менее яркими, чем кольца Сатурна. Например, в 1979 г. с пролетных автоматических космических станций «Вояджер» вокруг Юпитера были обнаружены два кольца, состоящие из мелких камней и пыли. Оба они лежат в экваториальной плоскости Юпитера, причем внешний край большего кольца имеет радиус 126 000 км, внутренний — 113 000 км. Кольцо очень тонкое — его толщина не превышает 1 км. Второе — внутреннее кольцо имеет аналогичную природу и почти примыкает к внешним слоям атмосферы Юпитера. Замечательно, что существование этого кольца было предсказано еще в 1960 г. киевским астрономом С.К. Всехсвятским. Оправдались и его предсказания о существовании колец Урана и Нептуна.

Что касается ярких колец Сатурна, то они были открыты еще в XVII веке, но лишь в последнее время средствами космонавтики было доказано, что кажущиеся с Земли сплошными кольца Сатурна на самом деле распадаются на великое множество узких и тонких «колечек». Как и у Юпитера, кольца Сатурна состоят из покрытых льдом камней, поперечник которых не превышает 10 м. Толщина всех колец Сатурна не превышает 2 км.

Спектральный анализ показал, что в атмосфере Сатурна присутствуют водород, метан, ацетилен и этан. Что касается содержания химических элементов, то возможно Сатурн на 90 % состоит из водорода и гелия. Спектр гелия таков, что его линии находятся за пределами видимой нам части спектра.

Рис. 3. Схема расположения колец и спутников Сатурна (R — расстояние в радиусах Сатурна)

Вокруг Сатурна существует магнитное поле, но гораздо слабее, чем у Юпитера. Его напряженность на экваторе планеты не превосходит 15,9 А/м. Магнитосфера Сатурна простирается на 35 его радиусов и по структуре схожа с магнитосферой Земли. Хотя и слабо, но Сатурн излучает радиоволны, что свидетельствует о наличии вокруг него радиационного пояса. Для Сатурна безразмерный момент инерции k= 0,26, что почти совпадает с его значением для Юпитера. Неудивительно, что сходны и модели обеих планет.

По одной из наиболее достоверных моделей толщина газовой атмосферы Сатурна близка к 1000 км. Ниже расположен глобальный океан из смеси водорода с гелием. На глубине примерно в половину радиуса планеты (60 000 км) температура повышается до 10 000 °C, а давление до 3 тыс. МПа. Как и у Юпитера, еще ниже идет слой металлического водорода. Именно здесь при вращении планеты возбуждаются электрические токи, которые и порождают магнитосферу Сатурна. В центре Сатурна под огромным давлением и при температуре 20 000 °C находится расплавленное силикатно-металлическое ядро. Его масса в 9 раз превосходит массу Земли, а поперечник близок к 0,5 радиуса планеты. В модели, рассчитанной группой В.Н. Жаркова, металлический водород образуется с уровня 0,46 радиуса Сатурна и простирается до его ядра, радиус которого составляет 0,27 радиуса планеты. Это ядро подогревает всю планету и, в частности, ее атмосферу, где, как и на Юпитере, наблюдаются, правда, менее заметные, полосы и пятна.

Небольшие различия в моделях при большом общем сходстве доказывают, что по своей природе Сатурн — несколько уменьшенное подобие Юпитера.

На окраине планетной системы медленно обращаются вокруг Солнца еще две гигантские планеты — Уран и Нептун. Их размеры и свойства настолько схожи, что не будет большим преувеличением считать обе планеты близнецами. Радиус Урана составляет 26 200 км, что более чем в 4 раза превышает радиус Земли. Нептун чуть поменьше — его радиус 24 300 км (3,18 радиуса Земли). Близки и массы этих планет — Уран «тяжелее» Земли в 14,6 раз, Нептун — в 17,2 раз. Любопытно, что при этом различии средние плотности планет почти одинаковы — 1,71 г/см3 для Урана и 1,72 г/см3 для Нептуна.

Обе планеты сравнительно быстро вращаются вокруг своих осей. На Уране сутки близки к 10 ч, на Нептуне они немного длиннее. Зато продолжительность года, т. е. период обращения вокруг Солнца, весьма различна: Уран завершает облет Солнца за 84 земных года, Нептун — за 165 лет. Таким образом, с момента открытия Нептуна (1846 г.) не прошел еще и один нептунианский год.

Ось вращения Урана почти лежит в плоскости его орбиты и потому он обходит Солнце «лежа на боку». Причина этой уникальной особенности неизвестна, но из-за нее земной наблюдатель может хорошо рассмотреть всю поверхность Урана, включая его полярные области. Несмотря на это обстоятельство, Уран, не говоря уже о гораздо более далеком Нептуне, сложный объект для наблюдений. На Уране с трудом просматриваются слабые сероватые полосы, параллельные экватору, и темно-серые круглые пятна на полюсах. На поверхности Нептуна полосы гораздо слабее и видны далеко не везде, да и то лишь в очень крупные телескопы. Уран заметно сжат (величина сжатия 1/17), чего нельзя сказать о Нептуне. Их безразмерные моменты инерции строго одинаковы (0,305).

Если бы только Солнце было источником нагрева Урана и Нептуна, то их поверхности имели бы соответственно температуры —220 и —230 °C. Однако, судя по радиоизлучению этих планет, они несколько теплее (—150 и — 170 °C). Несомненно, что источником нагрева служат горячие недра этих планет. По теоретическим подсчетам в центре Урана при давлении около 600 тыс. МПа температура достигает 10–12 тыс. градусов. Недра Нептуна несколько горячее — при давлении 700–800 тыс. МПа они имеют температуру 12–14 тыс. градусов.

Судя по данным спектрального анализа, атмосферы Урана и Нептуна наполовину состоят из молекулярного водорода Н2. Там же присутствуют метан (20 %) и аммиак (не менее 5 %). Остальное приходится на долю гелия, этана, ацетилена и, возможно, водяных паров.

Массы Урана и Нептуна примерно в 20 раз меньше массы Юпитера, но этого различия вполне достаточно для изменения внутренней структуры планеты. В отличие от Юпитера и Сатурна недра Урана и Нептуна лишь на 20 % состоят из водорода и гелия, а остальное приходится на более тяжелые элементы, входящие главным образом в железосиликаты.

Сведения об этих далеких планетах далеко не полны и потому модели их внутреннего строения носят сугубо предварительный характер. Так, по одной из них, Уран (см. рис. 2,б) и Нептун имеют твердые железосиликатные ядра, составляющие примерно 80 % массы этих планет. Поперечники этих недр близки к 16 000 км, что значительно больше диаметра Земли. Каждое из ядер окружено сферическим слоем льда толщиной 8 000 км. Наружные газовые оболочки Урана и Нептуна имеют толщину около 9 000 км и кроме молекулярного водорода включают в себя метан, аммиак и другие перечисленные выше элементы.

По некоторым моделям, атмосфера Урана и Нептуна в нижних своих слоях под большим давлением переходит в жидкое состояние. Этот глобально водородно-гелиевый океан имеет своеобразное дно — очень толстый слой ледяной мантии, содержащий, кроме обычного льда, также твердые «льды» метана и аммиака. Не вполне ясно и состояние ядер Урана и Нептуна — некоторые астрофизики считают их жидкими.

Совсем недавно стало известно, что вокруг Урана и Нептуна есть кольца такой же природы, как у Юпитера и Сатурна. Эти открытия сделаны с помощью наземных фотоэлектрических средств при наблюдении видимых покрытий звезд этими планетами. Оказалось, что Уран окружен девятью очень узкими и тонкими темными кольцами. Их частицы чернее сажи, а ширина в среднем близка всего к 10 км. Расположены они в плоскости экватора, и край самого далекого кольца отстоит от Урана на 51 000 км (почти два радиуса планеты). Никаких подробностей о кольце Нептуна пока нет — наблюдения лишь доказали его существование.

Уран и Нептун представляют собой промежуточные тела между «полузвездами», именуемыми нами Юпитером и Сатурном, и планетами земного типа.