Книга: Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Радиоисточник у 80°с.ш. Магнитосфера Сатурна

Хотя физические процессы на планетах-гигантах подчиняются общим законам физики, но многие обнаруженные явления зачастую надолго остаются необъясненными. Среди них — особенности магнитного поля Сатурна, «споки» на кольцах и необычные источники радиоизлучения.

Одна из загадочных находок, относящихся к самой планете, — неизвестный источник радиоизлучения, наблюдавшийся с «Вояджера-1». В одном из экспериментов было обнаружено изменяющееся радиоизлучение, исходящее откуда-то из области высоких широт Сатурна. Излучение принималось в широкой полосе частот, причем максимальная мощность приходилась на 175 кГц. Так как приемное устройство имело всенаправленную антенну, указать точное направление на источник не удалось. И все-таки была намечена длинная полоса, около 25000 км., в пределах которой должен находиться источник. Вторую такую же полосу дали измерения «Вояджера-2». Их пересечение указало на положение источника: у 80-й северной параллели. Оказалось, что он излучает сравнительно короткий, весьма мощный импульс с периодом повторения, очень близким к 10ч. 39,4мин., т.е. один раз за сатурнианские сутки, причем излучение возникает именно в тот момент, когда источник проходит через полуденный меридиан, что весьма напоминает сигнал службы времени!

Не следует, конечно, понимать это так наивно. Подобно радиоисточнику на орбите спутника Юпитера Ио, излучение радиоисточника на Сатурне регистрируется с достаточно высокой, но не 100%-ной вероятностью, хотя и более высокой, чем у Ио. По характеру излучения удалось понять, что размер источника на Сатурне достаточно мал. За прошедшие 20 лет найти убедительную разгадку природы этого излучения не удалось. Теория могла бы подсказать ответ, если бы магнитное поле Сатурна имело более сложный характер. Но поле почти дипольное, гармоники высшего порядка (в отличие от Юпитера) невелики. Период вращения района источника также составляет 10ч. 39,4мин. Поверхности в земном смысле у Сатурна нет, это газо-жидкая планета. С чем связан источник радиоимпульсов, остается неизвестным. Отмечается странное совпадение: именно в этой точке ультрафиолетовый спектрометр «Вояджера-1» заметил полярное сияние в виде кольца.

Зарегистрированы и другие источники радиошумов внутри магнитосферы Сатурна, но они связаны не с самой планетой, а с плазменными торами на орбитах спутников. За спутниками Сатурна тянутся хвосты из нейтральных и ионизованных молекул и атомов газа. Вероятно, один из источников такого тора — атмосфера Титана. Этот тор занимает пространство между орбитами Титана и Реи, более полумиллиона километров. Он состоит в основном из нейтрального водорода. Плазменный тор охватывает спутники Энцелад, Тефия и Диона. Магнитосфера взаимодействует с заряженными частицами и заставляет тор вращаться вместе с нею. Центробежные силы стягивают нейтральный газ и плазму в диск, расположенный в плоскости колец, отбрасывая более тяжелые ионы на периферию.

Магнитосфера Сатурна значительно отличается от магнитосферы Юпитера. Напряженность магнитного поля планеты на уровне видимых облаков на экваторе составляет чуть больше 0,2 Гс. (на поверхности Земли 0,35 Гс.). Но магнитный момент Сатурна гораздо больше, чем у Земли, из-за объема планеты. Магнитное поле Сатурна имеет уникальный характер.

Сравнительно недавно удалось найти некоторые аналитические решения для механизма возбуждения магнитного поля планет, которые доказали свою работоспособность на примерах Земли, Меркурия и Юпитера. Для возбуждения поля необходимым условием был угол около 10—12° между осью вращения планеты и осью магнитного диполя. Именно таковы углы между этими осями у перечисленных планет. Но у Сатурна ось вращения до долей градуса совпадает с осью диполя. Поэтому сразу же возникла необходимость пересмотра теоретических представлений.

В случае Сатурна поле создается более глубокими частями планеты, чем у Юпитера. Направление поля у обеих планет одинаково и противоположно направлению поля Земли. Магнитосфера Сатурна имеет более правильный и симметричный вид, чем весьма протяженная и сложная по форме магнитосфера Юпитера. Ударная волна, где газодинамическое давление солнечного ветра уравновешивается упругостью магнитосферы, с дневной стороны находится примерно на расстоянии 35 R_с (радиусов планеты). С ночной стороны магнитосфера простирается на огромные расстояния. Радиационные пояса имеют правильную форму и состоят из нескольких характерных зон, образующих типичную тороидальную форму с внешним радиусом 20—22 R_с.

В радиационных поясах имеются пустые полости, «очищенные» от заряженных частиц спутниками и кольцами Сатурна. Особенно эффективны в этом отношении кольца, так как энергичные частицы, путешествующие вдоль магнитных силовых линий, легко захватываются огромной площадью материала колец. Вблизи колец концентрация частиц оказалась ничтожной. Вся зона вокруг колец пуста. Сами кольца, вероятно, выделяют нейтральный водород. Приборы зарегистрировали его ультрафиолетовое свечение.

В результате Сатурн создает в радиодиапазоне куда меньше шумов, чем можно было ожидать, исходя из сходства с Юпитером. Тем не менее, взаимодействие плазменных торов с магнитосферой и со спутниками создает радиоизлучение, которое принимали зонды. Всплески с максимумами на частоте в несколько килогерц принимались с орбит Дионы и Мимаса. Но особенно мощные импульсы возбуждаются неизвестным механизмом, связанным с кольцами.