Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.astronaut.ru/bookcase/books/klv/text/07.htm
Дата изменения: Sun Jun 2 12:50:48 2013
Дата индексирования: Fri Feb 28 05:50:32 2014
Кодировка: Windows-1251
Поисковые слова: clouds
Первая встреча с Ураном

НОВОСТИ АСТРОНОМИИ

ПЕРВАЯ ВСТРЕЧА С УРАНОМ
24 января 1986 г. 'Вояджер-2' сблизился с седьмой планетой Солнечной системы - Ураном - и провел запланированную программу исследований планеты, ее спутников и колец, включающую10 научных экспериментов.
Открытый Гершелем в 1781 г., Уран относится к наиболее далеким планетам. Он удален от нас в среднем в 19,2 раза дальше, чем Солнце. Эксцентриситет его орбиты 0,0472 - почти такой же, как у Юпитера. Несмотря на огромный диаметр, более 50 тысяч км: (экваториальный радиус 25,6 тыс. км), его диск никогда не бывает виден под углом более 3,9") (в среднем 3,7"). Из-за сильного поглощения в красной части спектра планета имеет сине-зеленый цвет. Поглощение вызывают полосы метана, который в небольшом количестве присутствует в атмосфере. Различить на маленьком диске какие-либо детали очень сложно.
Были попытки связать видимость деталей с очень длительными сезонными изменениями на Уране. Плоскость экватора наклонена к плоскости орбиты планеты на 97њ55'. Такое положение полярной оси приводит к многим особенностям планеты. Уран вращается, как говорят, 'лежа на боку'. Наклон считается большим 90њ. чтобы направление вращения было таким же, как у других планет (кроме Венеры), - против часовой стрелки. Но тогда соответствующий полюс, который обращен в северную полусферу эклиптики, следует считать южным. Сейчас он обращен к Солнцу (и Земле). Как следствие, в проекции на плоскость эклиптики планета имеет обратное вращение. Плоскость орбиты наклонена к эклиптике всего на 46'.
Положение оси вращения приводит к практически максимально возможным сезонным изменениям освещенности. При орбитальном периоде 84 года полярные день и ночь длятся 14 лет на широте 30њ, по 28 лет - на 60њ и по 42 года - на полюсах. Однако из сезонных эффектов пока установлена только одна зависимость: радиояркостная температура планеты в целом за 20 лет, с 1965 по 1985 г., возросла со 140 до примерно 290 К. За это время центр видимого с Земли диска Урана сместился от экватора к полюсу.
До сближения 'Вояджера' с Ураном оставалось неизвестным, как влияет необычное положение полярной оси на циркуляцию его атмосферы. Телевизионные камеры аппарата задолго до сближения стали передавать на Землю одно изображение южной полусферы за другим, но никаких деталей на них не обнаружилось. Ученые из группы изображений тщательно рассматривали снимки ровного голубого шара, более темного к краям. Иногда им казалось, что они видят очень слабые облака, а острословы из группы 'Вояджера' предложили переименовать группу изображении в группу воображений.
В январе 1986 г. все же удалось обнаружить 4 небольших голубых облачка на широтах от 30 до 70њ. Как оказалось, они перемещаются в долготном направлении (восток - запад) и описывают концентрические окружности вокруг полюса. Отсюда сразу же был сделан вывод, что циркуляция атмосферы на Уране определяется силами Кориолиса (инерционной природы), а не притоком солнечной радиации. Так же организована циркуляция и в атмосферах других планет. Найденный по движению облачных образований период вращения атмосферы зависит от широты и составил 16,2 ч у 33њ ю.ш. и примерно 14 ч у 70њ ю.ш.
Атмосфера планеты очень эффективно выравнивает (за счет циркуляции) температуры на всех широтах, в том числе и в темном полушарии. Измерения приходящих от планеты тепловых потоков показали, что на уровне давления 0,6 бар температуры на: экваторе у светлого и темного полюсов одинаковы и составляют 64 К, а в средних широтах градуса на 2 ниже. Минимальные температуры, 5,1 К, наблюдались на уровне 0,1 бар (выше видимой поверхности облаков). Выше температуры снова возрастают, достигая 750 К на высоте до 6000 км над облаками. Указывается, что такие высокие температуры экзосферы, состоящей в основном из водорода, нельзя объяснить только излучением Солнца, которого на весь огромный диск планета получает в 140 раз меньше, чем маленькая Земля.
Равенство температур у полюсов и экватора заставляет ученых искать какие-то особые причины, определяющие метеорологию атмосферы Урана. Высказано предположение, что ими могут быть процессы конденсации воды в атмосфере. О составе ее будет сказано ниже; здесь же существенно, что в ней содержится, по-видимому, много паров воды. На Земле конденсация влаги и выпадение осадков мало влияют на среднюю плотность атмосферы, изменяя ее не более чем на 2%. Но для Урана такие изменения могут достигать 50%. Тогда движения в очень плотной атмосфере планеты становятся больше похожи на течения в земных океанах, которые вызываются изменениями солености воды. В средних и высоких широтах атмосфера Урана вращается быстрее, чем глубокие слои планеты. Такое явление хорошо известно по атмосфере Венеры и носит название суперротация. Но относительно чего отсчитывать скорость вращения планеты, где сама атмосфера занимает почти 1/2 ее радиуса? Здесь придется обратиться к сведениям о внутреннем строении Урана, где получено много нового.
Масса Урана была найдена методами наземной астрономии (по движению спутников планеты): 8,67х1028 г - в 14,5 раза больше массы Земли. Средняя плотность планеты составляет 1,27 гсм3. Сведения о внутреннем строении Урана долгое время опирались только на теоретические расчеты и аналогии с Юпитером и Сатурном. Последние, как теперь выяснилось, вели к переоценке содержания гелия.
К ревизии этих представлений привело открытие в 1977 г. (методами наземной астрономии!) темных колец Урана, что имело важные последствия. С тех пор наблюдалось уже 13 покрытий звезд кольцами Урана, благодаря чему удалось установить величину эксцентриситета некоторых колец, а через нее найти постоянную прецессии их обращения вокруг Урана. Прецессия позволила определить сферические гармоники J2 и J4 гравитационного поля планеты. Еще один важный параметр - динамическое сжатие планеты а - был найден по снимкам Урана, сделанным со стратосферного аэростата в 1970 г. Коэффициенты J2=0,0035 и α=0,23 позволяют определить как распределение масс в недрах планеты, так и скорость. ее вращения. Полученный таким образом период вращения составил 16+1 ч. Прежде для его определения использовалось движение редко наблюдаемых протяженных светлых деталей. Найденный по ним период заметно изменялся в разные годы. До 1975 г. наиболее надежной считалась величина 10,8 ч. Начиная с 1976 г. разные исследователи получали от 15 до 24 ч, в среднем около 16,3 ч. В 1981 г. были получены значения 16,2-16,4 ч.
Наиболее надежный метод определения периода вращения дают .измерения радиоизлучения магнитосферы планеты, выполняемые с .космического аппарата. Так удалось найти периоды вращения Юпитера (9 ч 55,5 мин) и Сатурна (10 ч 39,4 мин). Метод, по существу, дает период вращения магнитосферы. Но так как магнитное поле (если оно имеется у планеты) возбуждается глубоко в ее недрах, оно должно вращаться с тем же периодом, что и глубокие слои. Пропустим пока некоторые интересные подробности и приведем окончательный результат: период вращения Урана составил 17 ч 14,4 мин, что довольно близко к приведенным выше цифрам.
По-видимому, Уран имеет довольно большое ядро (около 0,3 радиуса планеты), построенное из тяжелых элементов - металлов и силикатов, а также так называемых льдов. 'Льдами' принято называть метан, аммиак и воду - соединения четырех активных элементов, широко распространенных в космосе. Имеется в виду, что да уровне видимого облачного слоя все они превращаются в льды. Ядро окружено толстой оболочкой из водорода и гелия с условной внешней границей около 0,7 радиуса планеты.
Атмосфера Урана содержит 12% гелия (как у Юпитера), остальное - главным образом водород. Судя по спектрам, заметной составляющей атмосферы Урана должен быть метан, до 3%. Но проблема метана довольно сложна. Прежде всего отражательные свойства Урана даже в наиболее глубоких полосах поглощения метана, например у 890 нм (где планета должна быть совсем черной), остаются на уровне .нескольких процентов. Это указывает, скорее всего, на присутствие тумана - аэрозолей, что, с одной стороны, увеличивает путь светового луча и увеличивает кажущееся содержание метана, с другой - усиливает отражение света в полосах поглощения метана. Сама дымка, вероятно, состоит из мелких кристалликов замерзшего метана. С учетом всех этих сложностей содержание метана в газообразной фазе может быть значительно меньшим, на уровне десятых долей процента. В атмосфере обнаружены также некоторые малые составляющие, в том числе ацетилен, образующийся при фотолизе метана. Вместе с тем в спектрах Урана не наблюдаются полосы аммиака, которым богата атмосфера Юпитера, И снова причина этого в низкой температуре видимых слоев атмосферы, где аммиак выморожен. Но он может находиться в глубине атмосферы. Интересно, однако, что в спектрах теплового радиоизлучения, исходящего именно из глубоких слоев атмосферы, полоса поглощения молекул NH3 вблизи длины волны 2 см довольно слабая. Не исключено, что аммиака в атмосфере Урана действительно намного меньше, чем на Юпитере и Сатурне. Среди Других углеводородов предполагалось присутствие этана, имеющего .характерную полосу 12,2 мкм. Пока в излучении Урана она не найдена, хотя наблюдается в тепловом излучении Нептуна.
Тепловое излучение Урана выделяет его из ряда других планет-гигантов. Тепло из их горячих недр постепенно проникает сквозь атмосферу и излучается в космос. Измерения показывают, что тепловой поток от планет-гигантов в 2-2,5 раза больше получаемого от Солнца за одним исключением: Уран отдает лишь чуть больше, чем получает. Еще недавно предполагалось, что тепло излучается .за счет небольшого, на миллиметры в год, сжатия гигантов. Но причина оказалась сложнее. Наиболее вероятно, что в результате фазовых переходов водорода, находящегося в условиях колоссальных давлений, гелий становится нерастворимым в водороде и, как более тяжелый элемент, выпадает к центру планеты, что освобождает значительную энергию. Для Урана и Нептуна возможны и другие механизмы выделения тепла. Оказалось, однако, что при. близком сходстве Урана и Нептуна существует какая-то причина, по которой на Нептуне этот механизм действует, а на Уране - нет.
Магнитное поле Урана, его напряженность и структура относились к главным исследованиям 'Вояджера'. Но прежде чем это поле было обнаружено, ученым пришлось немало поволноваться. Некоторые наземные наблюдения можно было истолковать как косвенные указания на существование поля. Но 'Вояджер' подходил. все ближе к Урану, а никаких признаков поля не было. Лишь за. 5 дней до сближения удалось принять характерные всплески радиоизлучения, вызываемые взаимодействием магнитного поля с потоком заряженных частиц. По периодичности этих всплесков и был найден период вращения планеты.
Магнитное поле обладает определенным давлением. Там, где оно уравновешивается газодинамическим давлением солнечного ветра, возникает так называемая ударная волна. 'Вояджер' безрезультатно прошел все предсказанные положения ударной волны а только за 10 ч до наибольшего сближения, 24 января 1986 г., пересек ее. Дальнейшие двое суток аппарат провел внутри магнитосферы Урана, которая оказалась необычайно сложной. Она простирается на 0,6 млн. км и заполнена плазмой, образующей радиационные пояса, похожие на земные. На уровне видимой облачной поверхности (где давление около 0,5 бар) напряженность дипольного поля близка к земной: 0,23 Э. Ось магнитного диполя на 60њ наклонена к оси вращения и на 8000 км смещена от оси вращения. к ночному (северному) полюсу. Положение полюсов диполя обратно земному, как у Юпитера и Сатурна. Комбинация сильного наклона диполя к оси вращения и наклона последней к орбите приводит к тому, что магнитосферный хвост Урана вращается в пространстве, подобно штопору.
Наглядную модель поля Урана можно представить, если вставить в мячик под углом 60њ к горизонтали стержневой магнит и. вращать мячик вокруг горизонтальной оси. С каждым оборотом. направление поля в 'магнитосфере' будет меняться дважды. При прочих равных условиях трехслойная модель ('каменное' ядро из металлов, окислов металлов и силикатов, глубочайший жидкий) океан и газовая атмосфера). Такая модель была разработана на основе уже упоминавшихся коэффициентов Jn, а и периода вращения дает большее отношение экваториального диаметра к полярному, чем модель без океана. Данные 'Вояджера' показали, что строение планеты, где над 'каменным' ядром простирается плотная атмосфера из перемешанных легких газов и 'льдов', дает более близкие к наблюдениям результаты. В верхней, подоблачной, части такой атмосферы может содержаться очень значительное количество воды и пара без всяких океанов.
Многочисленные новости о спутниках Урана изложены в основной части брошюры. Здесь отметим лишь, что наблюдения спутников представляли нелегкую задачу еще и потому, что солнечная освещенность вблизи Урана в 370 раз слабее, чем вблизи Земли.
'Особенно это ощущалось при телевизионной съемке темных объектов, таких, как кольца Урана.
Кольца были открыты недавно, в 1977 г., с самолетной астрономической обсерватории при наблюдении покрытия Ураном звезды. Кольца находятся близко к планете, в пределах 25,5 тыс. км над облачным слоем. У планеты оказалось 9 чрезвычайно узких, сравнительно плотных колец и ряд диффузных образований той же природы. Кольца темнее, чем сажа; наблюдать их с Земли можно только при использовании специальной методики и весьма чувствительных новых физических приборов. Вся группа занимает интервал высот всего 9,3 тыс. км. Самое широкое - внешнее асимметричное кольцо ε шириной 32 км, самое узкое - третье снаружи кольцо γ шириной 600 м. Порядок колец следующий: ε, δ, γ, η, β, α, 4, 5, 6. В отличие от колец Сатурна и особенно Юпитера кольца Урана почти не содержат пылевых частиц. Это глыбовые кольца с размерами отдельных элементов в несколько метров. Когда 'Вояджер' скрывался за планетой, радиолуч обоих передатчиков последовательно просветил все кольца. Крупные размеры элементов были подтверждены, куски в 10 см встречаются редко. Темный цвет их поверхности, по-видимому, определяется их положением в поясах заряженных частиц и постоянной бомбардировкой последними.
Кольца Урана вызывают у астрономов-планетчиков большой интерес. Как сказал один французский астроном, кольца подобны запаху духов: малые количества вещества создают сильные эмоции. Если же говорить всерьез, кольца действительно ставят много проблем. Например, установлено, что частицы колец, даже обращающиеся на одинаковом среднем расстоянии от планеты, из-за возмущений приобретают небольшую относительную скорость и иногда сталкиваются между собой, что рано или поздно приводит к их разрушению. Косвенно это подтверждает слабое, вероятно, остаточное кольцо Юпитера. Но есть, кажется, даже историческое свидетельство разрушения колец. У. Гершель вел дневник наблюдений. 16 марта 1789 г., спустя ровно 8 лет после открытия Урана, Гершель изобразил Уран с кольцами и приписал: 'Кольцо короткое, не такое, как у Сатурна'. Специалисты считают эту запись ошибкой: увидеть кольцо в его нынешнем виде Гершель не мог. Но вот что удивляет: кольцо у него показано в том ракурсе и на том месте, где оно и находилось в 1789 г. Не значит ли это, что кольцо обветшало всего за 200 лет?