Динамичная Вселенная Думы о Марсе Пульсирующая Земля Ритмы и катастрофы... Происхождение человека История Экспедиции
На главную страницу Поэтическая тетрадь Новости и комментарии Об авторе Контакты
КАРТА САЙТА

Строение и жизнь Вселенной

А.В. Галанин © 2012

© Галанин А.В. Cтроение и жизнь Вселенной // Вселенная живая [Электронный ресурс] – Владивосток, 2012. Адрес доступа: http://ukhtoma.ru/universe1.htm

Предисловие || 1. Структура галактик || 2. Эволюция галактик и звезд в галактиках || 3. Галактика Млечный Путь || 4. Гравитационное взаимодействие звезд и планет в Галактиках || 5. Строение и свойства Метагалактики || 6. Солнечная система (общая характеристика) || 7. Происхождение Солнечной системы || 8. Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля || 9. Планеты земной группы: Марс, Церера – карликовая планета из Пояса Астероидов || 10. Планеты гиганты: система Юпитера || 11. Планеты гиганты: система Сатурна || 12. Планеты гиганты: система Урана || 13. Планеты гиганты: система Нептуна || 14. Облако Оорта и Пояс Койпера. Плутоноиды || 15. Экзопланеты || 16. Свободные планеты Галактики || 17. Жизнь на Земле старше Солнечной системы || 18. Чёрные дыры и круговорот материи во Вселенной

 

 

Глава 12. Планеты гиганты: система Урана

Уран – седьмая по удаленности от Солнца, третья по диаметру и четвёртая по массе планета Солнечной системы. Уран был открыт в 1781 г. и назван в честь греческого бога неба. Несмотря на то, что порой Уран различим и невооружённым глазом, древние наблюдатели никогда не признавали Уран за планету из-за его тусклости и медленного движения по орбите.

Уран имеет небольшое твердое железно-каменное ядро, над которым сразу начинается плотная атмосфера. Никаких океанов на Уране, по-видимому, нет. Такое строение планеты называют двухслойным. Температура в ядре достигает 7000° К, а давление – 6 млн. атмосфер. Эффективная температура Урана 59° К, что лишь немного превышает ту температуру, которую он должен иметь под влиянием солнечного тепла. Возможно, обедненность легкими газами – это следствие недостаточной массы зародыша планеты, и в ходе образования Уран не смог удержать возле себя большее количество водорода и гелия. А может быть, в месте, где Уран обретал свою атмосферу, было мало легких газов. Ответы на вопросы о строении системы Урана могут пролить свет на историю всей Солнечной системы. Атмосфера на Уране мощная, глубиной не менее 8000 км, имеет следующий состав: водорода 83%, гелия 15% и метана 2%. В атмосфере едва различимы быстро перемещающиеся полосы облаков. Ветры в средних широтах (ураганы) дуют со скоростью от 40 до 160 м/сек (на Земле самые быстрые потоки в атмосфере перемещаются со скоростью около 50 м/сек). Судя по составу, атмосфера Урана так же, как Сатурна и Юпитера, – первичная, т.е. максимально соответствует составу галактических облаков.

Уран – седьмая планета от Солнца и третья по величине. Уран больше по размерам, но меньше по массе, чем Нептун.

Фото с сайта: http://900igr.net/

Метан, ацетилен и другие углеводороды в атмосфере планеты содержатся в значительно больших количествах, чем на Юпитере и Сатурне. Предполагают, что зима и лето на Уране сильно различаются: одно его полушарие зимой на долгое время совсем отворачивается от Солнца, а потом на столько же времени бывает повернуто к Солнцу. При этом самые теплые места на Уране находятся на полюсах. Летом на полюсе Солнце стоит в зените. Но Уран получает солнечного тепла в 370 раз меньше, чем Земля, так что и летом там тоже не бывает жарко. Дневная освещенность на Уране соответствует земным сумеркам сразу после захода Солнца. Минимальная температура 53° К наблюдалась на уровне атмосферы, где давление составляет 0,1 бар. Выше и ниже этого уровня температура повышается. Температура атмосферы на уровне, где давление 2,3 бара, достигает 100° К.

Уран имеет почти такое же магнитное поле, как Земля. На уровне облаков напряженность магнитного поля равна 0,23 Гс. Но конфигурация этого магнитного поля очень сложная. Компас на Уране не будет показывать на географический полюс. На Уране в верхней части его атмосферы наблюдаются «полярные» сияния. Масса планеты Урана определена по его гравитационным воздействием на свои спутники. Хотя по объему Уран в 60 раз больше Земли, масса его лишь в 14,5 раз превышает земную. Средняя плотность Урана чуть больше чем у воды – 1,27 г/см3. Диаметр ядра в 1,5 раза больше диаметра Земли.

Кольца Урана были обнаружены в 1977 г. во время закрытия им яркой звезды. Система его колец состоит из девяти плотных, узких и далеко отстоящих друг от друга темных колец. Ширина их небольшая: самое широкое внешнее кольцо имеет размер 96 км. У Урана имеется магнитосфера и много спутников. Спутниковая система его лежит в экваториальной плоскости планеты, то есть почти перпендикулярна к плоскости его орбиты. Внутренние 10 спутников маленькие, скорее всего, это астероиды, относительно недавно (по космическим меркам) захваченные из пояса Койпера.

Загадкой Урана является необычное направление оси его вращения, которая наклонена на 98° к плоскости его орбиты так, что ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты. Поэтому движение Урана вокруг Солнца совершенно особенное – он буквально катится вдоль своей орбиты, и при этом вокруг него вращаются его спутники.

Синий цвет Урана является результатом поглощения красной части спектра метаном в верхней части его атмосферы. Вероятно, существуют облака и других цветов, но они спрятаны перекрывающим их слоем метана. На мой взгляд, такое предположение не очень убедительно, ведь метан тяжелее водорода, поэтому в верхнюю часть атмосферы подняться не может.

У Урана 5 больших спутников: Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон. Орбиты 12 спутников близки к круговым, но 2 небольших спутника, открытых в 1997 г., движутся по неустойчивым, сильно вытянутым орбитам, это тела явно попали в эту систему из облака Койпера не очень давно. Рис. с сайта: http://www.astrolab.ru/

Уран вращается вокруг Солнца "лежа", поэтому на одном полюсе, обращенном к Солнцу день, а на противоположном – ночь. На ночной стороне видны то ли электрические разряды, то ли полярное сияние. Эта планета, как Сатурн и Юпитер, имеет кольца, состоящие из вращающихся по орбите вокруг планеты бесчисленных глыб, по-видимому, водяного льда. Фото с сайта: http://kosmos-x.net.ru/photo/16-0-194-3

Остальные известные малые спутники Урана имеют неправильную форму: Корделия, Офелия, Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Порция, Розалинда, Купидон, Белинда, Пердита, Маб, Франциско, Калибан, Стефано, Тринкуло, Сикоракса, Маргарита, Просперо, Сетебос, Фердинанд.

Внутренние 10 спутников Урана маленькие, четыре из них образуют пары, вращающиеся вокруг Урана по одной орбите – Джульета и Порция, Дездемона и Кресида. Самый большой спутник Урана – Титания (не путать с Титаном Сатурна!). На поверхности Титании огромное количество кратеров. Стенки некоторых каньонов кажутся светлыми, так как, вероятно, покрыты льдом. Другой крупный спутник – Оберон. Оберон и Титания очень похожи друг на друга. Их радиусы приблизительно вдвое меньше радиуса Луны. Поверхность Оберона также покрыта кратерами и сеткой тектонических разломов с признаками древнего вулканизма. Через все южное полушарие Оберона проходит широкая тектоническая долина. Температура на поверхности спутников Урана очень низкая, около 60° К.

Внутреннее строение Урана. Схема с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Ширина внутренних колец Урана – от 1 до 10 км, только внешнее кольцо имеет ширину 96 км. По состоянию на 2008 год было известно 13 отдельных колец. Минимальный радиус имеет кольцо, находящееся от Урана на расстоянии 38 000 км, а максимальный – приблизительно на расстоянии 98 000 км. Между основными кольцами могут находиться слабые пылевые кольцевые скопления и незамкнутые арки. Кольца чрезвычайно тёмные, вероятно, состоят из водяного льда с включениями органики, причем из частиц не крупнее нескольких метров в поперечнике. Каждое кольцо движется практически как единое целое. Проблема устойчивости колец Урана остается пока неразрешенной. Планетные кольца – это закономерность в спутниковых системах планет-гигантов.

Структура колец Урана и орбиты его внутренних спутников. Схема с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Перечислим основные проблемы физики планетных колец. Классические модели формирования колец предполагали, что кольца – это область приливного разрушения крупных тел. Но после полетов «Вояджеров» стало ясно, что для образования частиц наблюдаемых размеров (10 м) приливные силы слишком слабы. Вопрос о причинах существования колец оказался прямо связан с механическими характеристиками типичной частицы. Иерархическая структура колец составлена по принципу «матрешки»: широкие кольца состоят из системы более узких колец. До сих пор не существует теории, объясняющей наличие такой иерархической структуры. Ясно одно – это отражает некий ритмический процесс, в результате которого тела в кольца поступали не по одному, а порциями. При этом все тела в одной порции имели определенное количество кинетической энергии. Можно предположить, что каждое элементарное колечко состоит из частиц, образовавшихся при разрушении одного астероида. Почему не разрушаются кольца? Точнее, почему они так долго не разрушаются? Данные «Вояджера-2» подтвердили гипотезу о резонансной природе колец Урана. Это придает системе колец гравитационную устойчивость. Частицы между собой в пределах кольца и кольца между собой гравитационно связаны так, что поддерживают друг друга. Этакая "круговая порука" существует у них. Также поддерживают друг друга на орбитах и спутники, особенно когда находятся в гравитационном резонансе друг с другом.

Считается, что кольца Урана относительно молоды, их возраст не превышает 600 млн. лет. Кольцевая система Урана, вероятно, произошла от столкновений спутников, ранее обращавшихся по орбите вокруг планеты. До сих пор не ясен механизм, удерживающий узкие кольца в их границах. Первоначально считалось, что у каждого узкого кольца есть пара «спутников-пастухов», которые и поддерживают его форму, но в 1986 году «Вояджер-2»обнаружил только одну пару таких спутников – Корделию и Офелию, которые вращаются по своим орбитам по обе стороны самого яркого кольца.

Планета Уран в окружении колец. Виден один из его больших спутников. Фото с сайта: ttp://www.ezo-online.ru/publ

Первооткрывателем колец Урана все же является Уильям Гершель, который впервые упомянул о кольцах в записи от 22 февраля 1789 года. Гершель предположил, что они красного цвета (что было подтверждено только в 2006 году). Записи Гершеля попали в журнал Королевского общества в 1797 году. Но на протяжении двух столетий – с 1797 по 1979 год, – ученый мир не признавал наличие кольц у Урана. Важной и пока нерешённой физической проблемой остаётся разрешение загадки механизма, удерживающего границы колец. Если бы такой механизм отсутствовал, то частицы кольца разлетелись бы в разные стороны.

Кольца Урана, вероятно, постоянно пополняются новыми фрагментами – результатами столкновений между более крупными телами, находящимися на орбитах спутников. По некоторым оценкам, время разрушения спутника размером с Пак может составлять несколько миллиардов лет, но спутник меньших размеров разрушится гораздо быстрее. Таким образом, возможно, что все внутренние и внешние кольца Урана являются продуктом разрушения его спутников размером меньше Пака в течение последних 4,5 миллиардов лет. Каждое такое разрушение давало начало целому каскаду столкновений, которые размололи все большие тела в намного меньшие частицы, включая пыль. В конечном счёте, большая часть массы была бы утеряна, а частицы сохранились только в областях, которые были стабилизированы взаимными гравитационными резонансами друг с другом и с ближайшими спутниками, так называемыми «пастухами». Конечным продуктом такой эволюции и стала система из узких колец, однако при этом некоторые маленькие спутники должны были сохраниться в пределах колец. Их поперечник может быть около 10 км.

Происхождение пылевых полос более ясное. Время существования пыли очень короткое, от ста до тысячи лет, и по-видимому, она непрерывно пополняется в результате столкновений между большими телами в кольцах, маленькими спутниками и метеороидами, попавшими в систему Урана извне.

Титания

Титания – крупнейший спутник в системе Урана и восьмой по массивности спутник в Солнечной системе. Титания была открыта Уильямом Гершелем 11 января 1787 г. (через 6 лет после открытия им Урана). Название предложил сын У. Гершеля Джон Гершель в 1852 г. Идея дать названия спутникам Урана возникла после открытия Ариэля и Умбриэля Уильямом Ласселлом, который и попросил Джона Гершеля дать названия четырем спутникам.

Все спутники Урана носят имена героев произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Титания названа в честь царицы фей из пьесы «Сон в летнюю ночь». Этот спутник также известен под обозначением «Uranus III». Титанию не следует путать со спутником Сатурна Титаном и одноимённым астероидом Титания из Пояса Астероидов.

Титания на 50% состоит из водяного льда, на 30% из горных пород и на 20% из соединений метана. Атмосфера на Титании отсутствует. На ней немного древних больших ударных кратеров, но тем не менее самый крупный среди всех спутников Урана кратер Гертруда находится именно на Титании. На Титании много мелких, вероятно, ударных кратеров. Огромный кратер и серия разломов на поверхности позволяют говорить о том, что Титания когда-то обладала высокой геологической активностью и что самая древняя ее поверхность не сохранилась.

Значительная часть поверхности этого спутника изрезана системой каньонов и пересекающихся извилистых разломов. Некоторые из них окружены светлыми отложениями. По данным поляриметрических измерений, поверхность Титании покрыта слоем пористого материала. По одной из гипотез, это водяной иней, конденсировавшийся на поверхности после излияний жидкости из разломов. Гигантский каньон почти 1000 км в длину гораздо больше земного Большого каньона и сравним с разломом «Долина Маринер» на Марсе.

В январе 1986 г. Титания была исследована космическим аппаратом «Вояджер-2», который пролетал в 365 200 км от нее. Удалось изучить только южную, освещённую Солнцем часть спутника. Северная часть была погружена в полярную ночь, которая на Титании длится 42 года.

Спутник Урана Титания. Фото с сайта: http://sevastopolfm.ru/viewtopic.php?f=33&t=84

Спутник Урана Титания. Фото с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Орбита Титании полностью находится внутри магнитосферы Урана и потому полушарие, находящееся на стороне, обратной движению системы Урана вокруг Солнца, деформируется магнитосферной плазмой, которая также вращается вокруг планеты. Данная бомбардировка приводит к затемнению данного полушария, и подобное затемнение наблюдается практически у всех спутников Урана, за исключением Оберона.

Спутник Титания движется по орбите вокруг Урана на расстоянии около 436 000 км, орбита имеет небольшой наклон относительно экватора Урана. Полный оборот Титания совершает примерно за 8,7 дней, и он совпадает с периодом ее вращения вокруг своей оси. Таким образом, Титания – это синхронный спутник Урана, находящийся в гравитационном резонансе с планетой и всегда повернутый к нему одной и той же стороной.

Так как Уран вращается вокруг Солнца на боку, а орбиты его спутников находятся в экваториальной плоскости планеты, то северный и южный полюса Титании 42 земных года находятся в полной темноте и 42 земных года – в непрерывном солнечном свете. Пролет «Вояджера-2» над Титанией в 1986 г. совпал с летним солнцестоянием над южным полюсом, тогда как северный полюс был практически в полной темноте.

Плотность Титании – 1,71 г/см3, намного выше типичной плотности спутников Урана, из чего можно сделать вывод, что спутник этот состоит предположительно на 50% из водного льда, на 30% из горных пород и на 20% из соединений метана. Водного льда больше на ведущем полушарии Титании, направленном в сторону движения спутника по орбите, чем на обратном полушарии. На Обероне же, наоборот, полушарие, направленное в противоположную движению спутника по орбите сторону, содержит большее количество водного льда. Причины этой асимметрии пока неизвестны.

Помимо воды, на Титании есть углекислый газ, который расположен главным образом на полушарии, направленном в сторону, противоположную движению спутника по орбите. Происхождение углекислого газа также остается абсолютно необъяснимым. Скорее всего, оно связано с прошлой вулканической активностью Титании.

Радиус ядра Титании составляет около 520 км, это приблизительно 66% от общего радиуса, а масса ядра равна 58% всей массы Титании. Давление в центре этого спутника примерно 0,58 ГПа (5,8 кбар). Если лёд содержит достаточное количество аммиака или любого другого антифриза, то у Титании может быть слой жидкого океана на границе ледяной мантии с ядром. Глубина океана, если он существует, может доходить до 50 км, а его температура составит около 190° К.

Поверхность Титании слабее испещрена кратерами, чем поверхности Оберона или Умбриэля, что говорит о её молодости по сравнению ними. Диаметр кратеров колеблется от нескольких километров до 326 км для Гертруды. Некоторые кратеры окружены веществом, состоящим из водного льда. У всех больших кратеров на Титании имеется плоское дно и остроконечные пики в центре. Единственное исключение – кратер Урсула, у которого в центре расположена яма. К западу от кратера Гертруда расположена область с нерегулярной топографией.

Поверхности Титании изрезана разломами и обрывами, являющимися результатом относительно поздних изменений. В некоторых местах параллельны