Учебник по Астрономии (уровень стандарта). 11 класс. Пришляк

§ 10. Спутники планет

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• какие физические условия существуют на поверхности спутников планет;

• возможна ли жизнь на некоторых спутниках планет;

• почему вокруг планет существуют кольца.

1. Спутники Марса

Фобос (греч. — страх) и Деймос (греч. — ужас) названы в честь вечных спутников бога войны Марса. Эти космические тела по форме напоминают огромные картофелины: наибольший диаметр Фобоса — 28 км, а Деймоса — 16 км. На поверхности темного цвета есть множество кратеров (рис. 10.1). Космонавты на поверхности этих спутников вынуждены будут привязываться к кораблю, потому что маленькая сила тяжести доставит много хлопот при передвижении — толчок ноги может придать телу скорость, достаточную для межпланетных полетов.

Рис. 10.1. И Деймос, и Фобос имеют твердую поверхность, которая покрыта слоем черной пыли и «засеяна» кратерами. На Фобосе видны странные борозды, похожие на пашню

Для любознательных

Существование спутников Марса предсказывал еще Кеплер, который верил в магическую силу цифр: Земля имеет 1 спутник, у Юпитера были известны в то время 4 спутника, поэтому вокруг расположенного посередине Марса должны обращаться 2 спутника. Затем эту идею развил Свифт, который в книге «Путешествие Гулливера» описал спутники Марса. Но только в 1877 г. А. Холл (США) открыл Фобос и Деймос. Периоды их обращений (7,7 ч и 30,3 ч) и расстояние до планеты оказались почти такими, как описал Свифт 150 лет назад. На самом деле никакой магии в этом странном предположении нет, потому что Свифт наверняка знал, что при помощи третьего закона Кеплера можно определить период обращения и расстояние спутника до Марса.

2. Спутники Юпитера

Юпитер имеет, по меньшей мере, 63 спутника, которые были зарегистрированы до 2011 г., и тусклые кольца. Четыре крупнейших спутника — Ио, Европа, Ганимед, Каллисто (рис. 10.2) открыл Галилей при помощи своего первого телескопа, поэтому их называют Галилеевы спутники. Ио имеет наибольшую геологическую активность среди всех тел Солнечной системы — там зарегистрировано 8 постоянно действующих вулканов, из жерл которых выбрасываются раскаленные газы и магма (рис. 10.3). Ио привлекает внимание фантастической гаммой цветов — желтых, красных и коричневых, которые придают ему соединения серы, присутствующие в продуктах извержения вулканов. Поверхность Ио совсем ровная: жидкая магма при температуре +400 °С заполняет любые впадины.

Рис. 10.2. Галилеевы спутники Юпитера: Европа, Ганимед и Каллисто — покрыты снегом и льдом. Под ледовой корой может существовать океан жидкой воды, в которой не исключена вероятность жизни

Рис. 10.3. На Ио много серы и действующих вулканов

Три других Галилеевых спутника — Европа, Ганимед и Каллисто — очень похожи между собой: на их поверхности видно много снега и льда (рис. 10.4). На этих спутниках под ледяной корой может существовать океан жидкой воды. Многочисленные кратеры свидетельствуют об интенсивной метеоритной бомбардировке в прошлом. При взрывах из кратеров вытекала вода, которая заполняла долины, поэтому на поверхности не видно участков с большими перепадами высоты. Правда, в некоторых местах замечены загадочные образования, напоминающие желобки и гребни горных хребтов, что свидетельствует о возможной тектонической деятельности в прошлом. Ганимед является самым крупным спутником в Солнечной системе, который по размерам превосходит даже Меркурий.

Рис. 10.4. Трещины в ледовом панцире Европы

Для любознательных

На поверхности Каллисто привлекает внимание серия концентрических гребней и гряды холмов, окружающих два больших участка, названные бассейнами. Гряды холмов очень похожи на рябь — волны, которые образует брошенный в воду камень. Наверное, энергия, выделившаяся при падении гигантского метеорита, растопила лед, но при сильном морозе (-150 °С) вода мгновенно замерзла.

3. «Семья» Сатурна

«Семья» Сатурна состоит из системы колец и 62 спутников, которые были открыты до 2011 г., но большинство из них имеют небольшие размеры (рис. 10.5, 10.6). Самый крупный спутник Титан окружен густой азотной атмосферой, и его поверхность спрятана под облаками из метана. Несмотря на малую силу тяготения (1/7 земного) атмосферное давление на поверхности Титана составляет 1,6 атм, потому что масса столба воздуха над единицей поверхности в 10 раз больше, чем на Земле.

Рис. 10.5. Титан имеет густую азотную атмосферу с примесями метана. Возможно, там выпадают метановые дожди, а на поверхности существуют моря из жидкого метана

Рис. 10.6. Спутники Сатурна Энцелад (слева) и Диона. Множество кратеров на ледяной поверхности свидетельствуют, что там давно не происходила никакая тектоническая деятельность

Для любознательных

На поверхности Титана даже днем полумрак — сквозь 100-километровый слой тумана пробивается очень мало света, поэтому температура на поверхности -180°С. Именно такая низкая температура и обусловливает существование довольно плотной атмосферы, в то время как на Меркурии и на спутнике Юпитера Ганимеде атмосфера практически отсутствует, хотя они имеют большую массу. Фантасты утверждают, что на Титане даже может существовать жизнь, потому что в атмосфере обнаружено много компонентов органических соединений.

4. Кольца Сатурна

Кольца Сатурна (рис. 10.7) впервые увидел Галилей в 1610 г., но с помощью небольшого телескопа он не смог распознать истинную суть наблюдения. Он обнаружил, что по бокам Сатурн имеет две шишки, которые сливаются, если смотреть на них с большого расстояния. Только в 1659 г. датский астроном X. Гюйгенс доказал, что шишки представляют собой тонкое плоское кольцо вокруг Сатурна. Во время наблюдений с поверхности Земли в большие телескопы видны три концентрических кольца, но с помощью АМС было обнаружено, что эти кольца состоят еще из тысяч отдельных узких колец (рис. 10.8).

Рис. 10.7. В зависимости от того, как сориентирован Сатурн относительно Земли, его кольца могут быть видны максимально раскрытыми или, когда Земля находится в плоскости колец и они становятся невидимыми, мы их видим с ребра

Рис. 10.8. На снимках АМС «Вояджер» видны тысячи концентрических колец Сатурна, которые удивительно переплетены между собой

Исследования показывают, что диаметр частиц в кольцах колеблется в пределах от миллиметра до десятков метров и состоят эти маленькие спутники из снега и льда. Толщина колец очень мала по сравнению с их шириной, всего несколько десятков метров.

Для любознательных

В 1848 г. французский астроном Рош доказал, что существует предел в расстоянии до планеты, и спутники планет не могут к ней приближаться, потому что гравитационные силы разорвут их на части. Если средняя плотность спутника такая же, как планеты, то этот предел Роша равен 2,4 радиуса планеты. Есть гипотеза: когда-то существовал спутник Сатурна, который вошел за предел Роша и был разорван приливными силами. Согласно другой гипотезе, кольца — это остатки того строительного материала, из которого образовалась Солнечная система 5 млрд лет назад. Эту гипотезу подтверждают небольшие тусклые кольца вокруг других планет-гигантов.

5. Спутники Урана

Уран имеет темные кольца и 27 спутников, которые были зарегистрированы до 2011 г. При помощи телескопов открыты только 5 крупных спутников: Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон и Миранда, а все остальные впервые сфотографированы в 1986 г. АМС «Вояджер-2». Спутники повернуты к Урану одним полушарием, а их орбиты лежат в плоскости экватора, вследствие чего на всех спутниках происходит такая же странная смена времен года, как и на Уране (см. § 9).

Большие спутники состоят изо льда и скалистых пород. Миранда (рис. 10.9) является наиболее интересным спутником, на котором видны территории с долинами, пропастями и грядами гор. Это все свидетельствует о периодах катастроф в его геологической истории, когда несколько раз неизвестные космические факторы меняли поверхность спутника. Титания и Оберон (рис. 10.10) имеют множество кратеров. Серый цвет поверхности свидетельствует о том, что снег на ней грязный.

Рис. 10.9. На поверхности Миранды видны странные овраги и долины, напоминающие трековые дорожки на стадионах

Рис. 10.10. Оберон (слева), Титания (справа)

6. Спутники Нептуна

В наше время (2011 г.) известно 13 спутников Нептуна и выявлены тонкие тусклые кольца. При помощи телескопов было открыто 2 спутника — Тритон и Нереида, а другие сфотографировала АМС «Вояджер-2» в 1989 г. Самый крупный спутник Нептуна Тритон (радиус — 1380 км) имеет несколько загадочных образований. Светлая поверхность Тритона поглощает мало солнечной энергии, поэтому температура там не поднимается выше -236 °С. Это самая низкая дневная температура, которую зарегистрировали на спутниках планет Солнечной системы. Поверхность Тритона твердая (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Южный полюс Тритона. Поверхность покрыта льдом и снегом, а в полярной шапке, возможно, присутствует замерзший азот

Тритон — единственный большой спутник среди тел Солнечной системы, который движется вокруг планеты в обратном направлении по сравнению с вращением Нептуна вокруг оси. Это свидетельствует о том, что Тритон, возможно, был когда-то захвачен гравитационным полем Нептуна и теперь по спирали приближается к планете. Когда расстояние между Нептуном и Тритоном уменьшится до 65000 км (предел Роша), приливные силы разрушат спутник, и вокруг Нептуна образуется огромное кольцо, подобное кольцам Сатурна.

Выводы

Спутники планет Солнечной системы имеют различные физические характеристики. Поверхность большинства спутников покрыта снегом и льдом, а на спутниках Юпитера Европе, Ганимеде и Каллисто, возможно, существуют океаны жидкой воды. Крупнейший спутник Сатурна Титан окружен плотной атмосферой, и на его поверхности могут быть океаны метана. В метановых морях при низких температурах органические соединения могли бы образовать формы жизни, которые не похожи на земные, так как там вместо воды растворителем мог бы служить жидкий метан. Спутники планет в будущем могут стать космическими базами для освоения Солнечной системы.

Тесты

1. Почему иногда кольца Сатурна исчезают?

А. Испаряются. Б. Прячутся за Сатурн. В. Закрываются другими планетами. Г. Плоскость кольца совпадает с лучом зрения наблюдателя. Д. Закрываются облаками.

2. Какой из больших спутников движется вокруг планеты в обратном направлении?

А. Европа. Б. Ио. В. Каллисто. Г. Ганимед. Д. Тритон.

3. На поверхности каких спутников может существовать жизнь?

А. На Фобосе. Б. На Ио. В. На Ганимеде. Г. На Европе. Д. На Титане.

4. Какой из спутников имеет густую азотную атмосферу с примесями метана?

А. Фобос. Б. Европа. В. Титан. Г. Оберон. Д. Тритон.

5. На каких спутниках обнаружены действующие вулканы?

А. На Луне. Б. На Деймосе. В. На Ио. Г. На Тритоне. Д. На Хароне.

6. Чем объясняется удивительная окраска Ио?

7. О чем свидетельствуют многочисленные кратеры на спутниках Юпитера?

8. Какие спутники планет имеют атмосферу?

9. Что объясняет наличие плотной атмосферы на Титане?

10. Определите свой вес на поверхности одного из спутников планет, радиусы которых приведены в этом параграфе, если его плотность 2 г/см3.

11. На поверхности какого спутника ваш вес будет самым большим?

Диспуты на предложенные темы

12. Поверхность каких спутников можно использовать для построения космических поселений?

Задания для наблюдений

13. С помощью бинокля или школьного телескопа можно наблюдать Галилеевы спутники Юпитера. Определите моменты затмения одного из этих спутников — когда он исчезает за диском Юпитера.

Ключевые понятия и термины:

Галилеевы спутники, кольца вокруг планет, предел Роша.