Спутники и кольца планет

К- А. Порцевский
Спутники и кольца планет
Учебно-школьная серия диапозитивов по астрономии для X класса
К сведению учителя
Серия диапозитивов предназначена для использования на уроках и на
факультативных занятиях по астрономии, в кружках юных астрономов, космонавтов и др.
Согласно Программе по астрономии средней общеобразовательной школы (п. 4 «Природа тел Солнечной системы», 5 ч.) серия соответствует подразделу «Спутники и кольца планет».
В серию в основном включены изображения небесных тел, полученные
космическими аппаратами «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Только диапозитивы
16, 19, 20 выполнены на основе фотографий, сделанных с помощью телескопов,
а диапозитив 1 состоит из монтажа рисунка и фотографии.
В Солнечной системе сейчас зарегистрировано 54 естественных спутника
планет. Из них Юпитер имеет 16, Сатурн – 17 (открыто 23), Уран – 15 спутников. Всех их в серии отобразить не удалось (представлены наиболее характерные спутники, изучение которых существенно раздвинуло границы знаний о
Солнечной системе).
При использовании серии диапозитивов на уроках следует остановить
внимание учащихся на следующих вопросах:
Почему основные сведения о спутниках и кольцах планет получены не с
помощью телескопов, а с помощью космических аппаратов?
В чем сходство спутников, принадлежащих разным планетам?
Чем объяснить значительные различия физической природы спутников,
принадлежащих одной и той же планете?
Почему на некоторых спутниках много кратеров, а на других мало?
Как было определено, что спутники покрыты льдом?
Почему планеты-гиганты имеют кольца, а планеты земной группы их не
имеют?
Описание диапозитивов
Диапозитив 1. Вид марса с Фобоса
На диапозитиве показано, как может выглядеть Марс с поверхности Фобоса. Поверхность Фобоса – фотография.
Диапозитив представляет интерес в связи с проектом «Фобос», по которому в 1988 г. в СССР намечается запуск двух космических аппаратов с целью
исследования спутника Марса – Фобоса. Изучение спутников и колец планет
имеет важное значение для понимания процессов происхождения и эволюции
планетной системы, а также вещества, составляющего планеты и спутники.
Диапозитив 2. Юпитер и его спутники Ио и Европа.
На диапозитиве – одно из наиболее интересных изображений Юпитера,
переданных в 1979 г. космическим аппаратом «Вояджер-1». Расстояние до об-
лачного покрова Юпитера составляет около 20 млн. км. Хорошо видно знаменитое Большое Красное пятно – гигантский вихрь, который вращается с периодом
6 часов.
Между облачными полосами и внутри их видны и другие вихри, светлые
и темные.
На снимке запечатлены два спутника Юпитера –Ио и Европа. Красноватый Ио находится над Большим Красным пятном. Жемчужного цвета Европа –
справа.
Диапозитив 3. Юпитер и галилеевы спутники
Фотомонтаж без соблюдения масштаба выполнен из снимков, сделанных
космическими аппаратами «Вояджер-1» и «Вояджер-2» в 1979 г. Слева от Юпитера – Ио, внизу – Европа, левее и ниже – Ганимед, внизу справа – Каллисто.
Наибольшая контрастность поверхности – у Ио, наименьшая – у Европы. Их поверхности обладают наивысшей отражательной способностью. Самый темный
спутник – Каллисто.
Эти четыре, наиболее значительных, спутника Юпитера были открыты
еще Галилеем.
Диапозитив 4. Ио
Ио – самый удивительный из галилеевых спутников. На нем найдено
много действующих вулканов.
«Вояджер-1» зафиксировал 7 вулканов. Спустя четыре месяца «Вояджер2», пролетая мимо Ио, обнаружил, что 6 вулканов продолжали действовать. Всего открыто 9 вулканов. Крупнейшее извержение со следами изливающихся потоков лавы, по форме напоминающее сердце, видно правее и ниже центра диска
Ио. Многочисленные черные пятна отмечают вулканические кальдеры.
Большое количество серы находится в слое поверх силикатной коры. Пары серы, вырываясь наружу, охлаждаются, и этим объясняется красноватожелтый цвет Ио. Поверхность Ио очень молодая, ее возраст не превышает миллиона лет. В геологическом отношении Ио является самым активным и интересным спутником. Средняя плотность Ио равна 3.53 г/см3 (у Луны – 3.33 г/см3).
По размерам Ио чуть превышает Луну.
Диапозитив 5. Вулканы на Ио.
Ио – пока единственное небесное тело (кроме Земли), где идет активная
вулканическая деятельность. Ио имеет свыше 100 вулканических кальдер, поперечником до 200 и более километров. Сами вулканы невысоки. Только в полярных районах встречаются отдельные горы высотой до 10 км.
Вещество, выбрасываемое вулканом, поднимаясь почти до 200 км, образует своеобразный султан и захватывает поверхность на 200-300 км. Эти вулканы, возможно, связаны с мощными приливами, вызванными гравитационным
полем Юпитере или электрическими токами, возникающими при движении Ио в
магнитном поле Юпитера.
Диапозитив 6. Европа.
На светлой поверхности Европы отчетливо видна сеть гигантских трещин, заполненных темным веществом. Протяженность разломов превышает
1000 км. Ширина наиболее крупных трещин достигает 200-300 км. Поверхность
Европы удивительно гладкая и светлая. Верхнюю оболочку Европы толщиной
100 км образуют ледяной покров и шуга (смесь рыхлого «губчатого» льда с водой). Нитевидные полосы на поверхности – это трещины в верхнем слое льда,
возникающие под действием внутренних напряжений, создаваемых расширением и сжатием шуги. Когда трещины заполняются свежим льдом, на грязноватой
поверхности образуются белые полосы. Если со льдом на поверхность выходит
темное вещество с большой глубины, образуются коричневатые полосы. На поверхности Европы очень мало кратеров. Это указывает на молодость ее рельефа,
так как подвижки льда должны приводить к стиранию кратеров ударного происхождения. Оценка возраста рельефа – до нескольких десятков миллионов лет.
Средняя плотность Европы равна 3 г/см3 (чуть меньше лунной).
Диапозитив 7. Ганимед.
Ганимед больше Меркурия почти на 500 км, но его масса в 2.2 раза
меньше, а плотность – 1.9 г/см3. Кора Ганимеда ледяная и очень древняя. Имеются перепады высот. В некоторых светлых районах расположены чередующиеся субпараллельные гряды и долины. Ширина их достигает нескольких сотен, а
длина – нескольких тысяч километров, глубина – нескольких сотен метров.
Особенно выделяется круглая темная область. Она называется Галилео Регио.
Ее диаметр – 3200 км. Это, наверное, наиболее древняя кора, не закрытая поздними светлыми отложениями.
Доказательством ледяной поверхности Ганимеда, кроме спектральных
исследований, является наличие лучевых структур – светлых «звезд» вокруг
кратеров, образовавшихся при ударе метеоритов.
Диапозитив 8. Каллисто
Каллисто по размерам почтя такой же, как Меркурий, но его плотность
только 1.8 г/см3, а Меркурия – 5.4 г/см3. Среди известных нам небесных тел на
Каллисто находится самое большое количество ударных кратеров. Их плотность
в некоторых областях достигла величины, близкой к предельной. Два наиболее
светлых участка Каллисто – это громадные котловины (наибольшая превышает
600 км) с концентрическими кольцами. Число колец – 15, а диаметр внешнего
кольца – около 2600 км. Котловины образовались при ударе крупных метеоритов и представляют собой отложения льда. Верхний слой Каллисто – это в основном лед с примесями силикатного вещества. Отсутствие значительных внутренних процессов сохранило поверхность Каллисто такой, какой она сформировалась около 4 млрд. лет назад после завершения интенсивной бомбардировки
ее метеоритами.
Диапозитив 9. Кольцо Юпитера
Кольцо Юпитера было обнаружено в 1979 г. во время полета космиче-
ских аппаратов «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Ширина кольца – 6000 км, толщина – около 1 км. Расстояние от его края до верхней границы облачного слоя –
55000 км. Кольцо образовано очень темными частицами, поэтому его трудно
наблюдать с Земли. По-видимому, оно представляет собой несформировавшийся спутник.
Диапозитив 10. Сатурн
Изображение Сатурна с расстояния 21 млн. км передано «Вояджером-1».
Видны слабоконтрастная полосчатая структура облачной атмосферы планеты и
строение основных колец С, В и А (в направлении от Сатурна), а также тень от
колец на диске планеты шириной 10 тыс. км.
На кольцах просматриваются «спицы», идущие в радиальном направлении. Их длина достигает 10000 км, ширина – 1000 км, время существования не
превышает нескольких часов. Они, вероятно, образованы облаками очень мелких частиц, летающих над основными кольцами на высоте всего в несколько
метров.
Диапозитив 11. Кольца Сатурна
Просматриваются сотни индивидуальных колечек. Широкие светлые полосы (в центре) – это очень тонкое кольцо С. Темным «делением» Максвелла
оно отделено от красновато-коричневого кольца В, далее идет рыжеватое кольцо А – между ними «деление» Кассини. Узкое кольцо F (ширина менее 200 км)
видно внизу.
Сложная динамическая структура колец является следствием резонансов,
обусловленных гравитационным воздействием колец с планетой и ее многочисленными спутниками.
Диапозитив 12. Структура Сатурна
Различимы отдельные «колечки» шириной в несколько километров. Цвет
и контраст колец искусственно усилен. Например, кольцо С, обычно серого цвета грязного льда, здесь показано голубоватым. Кольцо В – золотистого оттенка.
Остальные основные кольца здесь не видны.
Диапозитив 13. Сатурн и его спутники
Система Сатурна в пределах орбиты Титана представлена в виде искусственно наложенных изображений планеты и спутников (монтаж – без соблюдения масштаба – из снимков, которые были переданы «Вояджером-1» в ноябре
1980 г.). На переднем плане перед Сатурном видна Диона, справа от нее – Тефея, чуть выше – Мимас, слева – Энцелад и Рея, вверху справа – Титан. Диапозитив дает представление о соотношении отражательных свойств спутников,
находящихся внутри орбиты Титана. Самый яркий не только в семействе Сатурна, но, возможно, вообще в Солнечной системе – Энцелад. Его отражательная
способность, как у только что выпавшего снега.
Диапозитив 14. Мимас
Изображение передано «Вояджером-1» с расстояния 425 тыс. км. Много-
численные ударные кратеры свидетельствуют о древности рельефа спутника.
Самым большим на Мимасе является кратер Артур диаметром 130 км, что равно
трети размера самого спутника. Глубина кратера – почти 10 км, высота центральной горки – 6 км, а гребень вала выходит за контуры сферической формы
спутника. Кратер образован, видимо, метеоритом размером около 10 км. Если
бы метеорит был крупнее, Мимас развалился бы на части. Кратер образовался в
период, когда Мимас уже потерял свою первоначальную пластичность. Диаметр
Мимаса – 392 км, а плотность – 1.4 г/см3.
Диапозитив 15. Диона
Четвертый по размерам (диаметр – 1150 км) спутник Сатурна – Диона.
Изображение передано «Вояджером-1» с расстояния 162 тыс. км. На сравнительно светлой поверхности спутника хорошо просматриваются многочисленные кратеры. Размер крупнейшего из них – около 100 км. Внизу, у терминатора,
виден извилистый желоб. Он образовался, видимо, в результате разлома ледяной
коры, когда в недрах спутника проходили активные процессы. Желоб не заполнен свежим льдом. Средняя плотность Дионы – 1.4 г/см3.
Диапозитив 16. Уран и его спутники
Снимок сделан с Земли с помощью телескопа. На фотографии, выполненной в инфракрасных лучах, запечатлены Уран и пять его крупных спутников: Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон.
Схема показывает расположение орбит спутников. Угол наклона экватора планеты к плоскости орбиты составляет 98°, поэтому у него обратное направление вращения. В настоящее время к Солнцу повернут Южный полюс Урана и
его южное полушарие освещается солнечными лучами.
В январе 1986 г. мимо Урана прошел космический аппарат «Вояджер-2»,
с помощью которого было обнаружено еще 10 спутников.
Диапозитив 17. Уран и его кольца
Отражательная способность колец Урана очень мала (менее 5%), и в телескоп они не наблюдаются. Кольца были открыты в 1977 г. по изменению
блеска слабой звезды при ее покрытии Ураном. Сначала обнаружили 5 колец, а
в 1978 г. – еще четыре более слабых кольца. «Вояджер-2» позволил найти еще 2
кольца. Ширина колец, возможно, переменна, у них наблюдается едва заметный
эксцентриситет. Кольца очень узкие, шириной всего от сотен метров до десятков километров. Они почти не содержат пылевых частиц. Черно-угольный цвет
вещества колец объясняется, видимо, тем, что его покрывает метан, подвергшийся долгому облучению.
В настоящее время известно 11 более четких и ряд диффузных колец
Урана.
Диапозитив 18. Миранда
Изображение Миранды было передано в январе 1986 г. «Вояджером-2» с
расстояния 31 тыс. км и с разрешением 600 м. Глубина впадин на этом ближайшем к Урану спутнике составляет несколько километров. Белое вещество пред-
ставляет собой водяной лед. Заметны необычные канавы. В центре спутника
находится V-образный узор из канав, названный Шевроном. Видны еще две
впадины почти овальной формы и скала высотой 20 км.
С геологической точки зрения Миранда – сложное небесное тело в Солнечной системе. Миранда состоит, примерно в одинаковом соотношении из водяного льда и из скальных пород. Средний радиус Миранды – 120км.
Диапозитив 19. Нептун и его спутники
Снимок выполнен Кейпером в мае 1949 г. Вследствие длительной экспозиции при фотографировании Нептун представлен крупным светлым пятном.
Заостренные лучи, идущие от него, – результат дифракции в телескопе. Нептун
имеет два спутника: Тритон (радиус – 1600км) и Нереида (радиус – 100 км).
Тритон виден между нижней парой дифракционных лучей Нептуна (сливается с
ним). Нереида показана стрелкой. Она движется по очень вытянутой орбите.
Диапозитив 20. Плутон и Харон
Плутон – самая маленькая планета Солнечной системы, его радиус составляет около 1500 км. Возможно, Плутон состоит в основном из льда (вода и
метан) и имеет очень разреженную метановую атмосферу.
На фотографии, полученной в июле 1978 г., Плутон выглядит несимметричным. Выпуклость вверху справа образована Хароном, спутником Плутона.
Харон почти в 2.5 раза меньше Плутона (R≈560 км). Период обращения Харона
– 6.4 суток, расстояние до Плутона – 17000 км, угол наклона орбиты – 55.