Космический лед. Часть первая: кольца Сатурна.
Доброго времени суток, уважаемые читатели блога вольных ледорубов !
В повседневной жизни люди уже привыкли сталкиваться со льдом, заглядывая в морозильную камеру холодильника, кушая мороженое, зимой играя в снежки или катаясь на ледяной горке. Всем нам знакомы картины бескрайних полярных льдов, айсбергов и снежных шапок горных вершин. Ни для кого не секрет, что вода в твердом агрегатном состоянии существует и вне нашей планеты, и входит в состав крупных и мелких космических образований. Вот об этом мы и решили выложить небольшую серию кратких статей под общим названием «Космический лед», а открывать ее будет заметка об одном из самых интересных явлений природы — ледяных кольцах Сатурна (илл.1).
Сатурн является шестой по счету от Солнца планетой нашей Солнечной системы (расстояние от Солнца – 1 430 млн км, полный оборот вокруг Солнца Сатурн совершает почти за 30 лет) и второй по размеру после Юпитера (экваториальный диаметр около 120 000 км). Планета Сатурн, как Юпитер, Уран и Нептун, представляет собой газовое образование (газовый гигант) из водорода, гелия, аммиака, метана и прочих элементов. Ядро планеты составляют железо, никель, кремний и лед , а покрывает ядро слой металлического водорода, наподобие жидкого металла (илл.2).
Структура планеты Сатурн
Такое строение планеты означает ее малую плотность и небольшой период суточного вращения (чуть более 10 часов). Атмосфера Сатурна внешне кажется спокойной, но на самом деле это не так – благодаря сильному вращению планеты вокруг своей оси и теплу, исходящему от внутренней части, на Сатурне в течение нескольких лет дуют сильнейшие ветра со скоростью более 1500 км/ч, что и придает внешнему виду газовой планеты полосатость.
Вследствие удаленности от Солнца на Сатурне не меняется погода и отсутствует смена времен года в нашем земном понимании – здесь извечный холод с температурой –170 °С.
Отличительной особенностью Сатурна от других планет Солнечной системы, конечно же, стали его кольца. Вернее, надо сказать, что кольца имеет не только Сатурн (у Урана и Нептуна они тоже есть), но у Сатурна они ярче выражены и более заметны. Саму планету Сатурн мы можем видеть невооруженным глазом, но для рассмотрения колец уже необходим телескоп.
Кольца впервые открыл известный ученый Галилео Галилей в 1610 году. Наблюдая за Сатурном в телескоп, он обнаружил, что возле планеты имеются дополнительные образования, которые изначально были приняты астрономом за спутники, однако, через два года, при повторном наблюдении он их уже не видел. Спустя полстолетия Христиан Гюйгенс, имея в распоряжении более мощную оптику, уточнил, что образования рядом с Сатурном по форме напоминают плоское кольцо, которое расположено по экватору планеты, а так как полярная ось Сатурна имеет угол наклона по отношению к эклиптике 27°, положение Сатурна по ходу движения вокруг Солнца меняется относительно Земли, и само кольцо в определенное время разглядеть крайне трудно (илл.3).
Процесс изменения угла оси Сатурна
В дальнейшем астрономы-физики, занимавшиеся изучением Сатурна, такие как Джованни Доминико Кассини, Уильям Гершель, Джеймс Максвелл, Уильям Пикеринг и многие другие, постепенно выяснили, что вокруг Сатурна находится не одно, а несколько колец, а кроме того ими были открыты настоящие спутники планеты: Титан, Япет, Тефия, Рея и т.д.
С конца 70-х гг XX столетия и в наше время Сатурн и другие дальние планеты Солнечной системы активно исследуются, благодаря космическим аппаратам «Вояджер», «Пионер», «Хаббл», «Кассини» (илл.4).
Исследования планеты Сатурн
Техника позволила обнаружить новые спутники Сатурна и более детально изучить природу самих колец.
В результате огромного научного опыта и современных космических исследований ученые определили, что кольца Сатурна образованы частицами, вращающимися вокруг планеты, состоящими на 9/10 из водяного льда, а также углерода, пыли и тяжелых элементов. Размеры частиц варьируются от нескольких миллиметров до нескольких метров (илл.5). Плотные группирования частиц, чередующиеся с просветами, и создают для наблюдателя издалека эффект монолитных колец в виде пластин.
На сегодняшний день астрономы открыли семь колец, которые в хронологическом порядке обозначаются латинскими литерами, начиная с «А». Три из них – «A», «B» и «C», можно видеть с Земли. Большие и малые просветы между кольцами и внутри колец принято называть делениями или щелями с присвоенными им именами ученых, как например, деление Кассини, шириной свыше 4000 км (илл.6).
Структура колец Сатурна
Яркость колец определяется их плотностью; большое скопление льда создает своего рода зеркало, отражающее солнечный свет. Самое яркое – кольцо «B».
Интерес представляет соотношение ширины и толщины колец. Ближайшее к Сатурну кольцо «D» находится на расстоянии 70 000 км от центра планеты, самое отдаленное «E» – 300 000 км от центра, ширина колец различается на несколько тысяч км, а вот максимальная толщина группирований ледово-пылевых массивов не превышает 1 км (по другим данным толщина колец достигает всего лишь несколько десятков метров).
По приблизительным оценкам масса всех частиц, образующих кольца Сатурна составляет 3×10 19 кг или 30 трлн тонн.
Большие и малые просветы между кольцами
Глядя на ледяные кольца Сатурна, мы невольно задаемся вопросом, за счет чего сохраняется плоскостная концентрическая форма этих образований, их постоянное положение относительно планеты и друг друга, и как, собственно, они появились?
Относительно появления колец вокруг планеты существует несколько гипотез. По одной версии, частицы, образующие кольца, это остатки строительного материала, из которого формировалась сама планета; небольшая гравитационная сила Сатурна была неспособна использовать весь материал, но ее оказалось достаточно для удержания обломков и пыли на орбите. Вторая версия предполагает столкновение Сатурна или его спутника с другим небесным телом, в результате чего космический пришелец или спутник раскололся на мелкие фрагменты и они под действием гравитации сгруппировались в кольца. Согласно другой версии, на заре формирования Солнечной системы вокруг молодой планеты вращались крупные по размерам спутники. Гравитационная сила притягивала спутники к планете, из-за чего они друг за другом сходили со своих орбит и разрушались. Тяжелые частицы шли на дальнейшее строительство планеты, а легкие частицы в виде льда и пыли «зависали» в космическом пространстве.
Плоскостная форма колец определяется центробежной силой и, как уже было отмечено выше, гравитационной связью с планетой. Гравитация оказывает воздействие на кольца со всех сторон, но вращение частиц, позволяя им находиться на определенном расстоянии от планеты, сдерживает силу притяжения в поперечном направлении относительно оси вращения, что и придает огромному «облаку» изо льда и пыли плоский вид.
На упорядоченное строение колец и движение частиц оказывают влияние спутники, именуемые «пастухами» (илл.7).
К примеру, стабильное состояние деления Кассини, зависит от спутника Мимас, благодаря гравитационной силе которого данный просвет остается свободным от заполнения частицами. Стоит также отметить, что области колец, находящиеся ближе к планете, совершают вращение быстрее внешних областей. Средняя скорость вращения частиц в кольцах –
около 10 км/с, но относительно друг друга они движутся со скростью 1-2 мм/с, и, тем не менее, этого вполне достаточно, чтобы при столкновении они могли разрушиться, а затем из более мелких фрагментов вновь сформировались крупные.
Вид поверхности спутника Энцелад
Разрушение частиц происходит из-за их непрочной структуры – дело в том, что лед, из которого состоят частицы, представлен здесь в виде рыхлого снега.
Лед, в основной массе своей образующий кольца Сатурна, присутствует также в составе спутников этой планеты, таких как Мимас, Тефия, Феба, Елена и прочие. На Энцеладе, например, действуют гейзеры, выбрасывающие воду, которая оседает на поверхности спутника в виде инея (илл.8).
Часть поверхности Реи исполосована от ударов мелких космических тел, вследствие которых с нее выбивались ледяные массы. На Дионе также видны полосы – здесь лед заполнил внешние разломы спутника.
Космические зонды дали возможность увидеть красоту суровой планеты, строить компьютерные модели устройства планетарной системы, и в частности, колец, а художники даже создают на основе изображений фантастические картины (илл.9). Глядя на иллюстрации, нам остается восхищаться гением Творца и его величественным ледяным произведением.
Компьютерная модель гейзеров на Энцеладе
О Сатурне, его кольцах и многочисленных спутниках можно рассказать еще много интересных вещей, но дабы не утомлять читателя подробностями, мы решили ограничиться основными сведениями об этой планете.
На этом наш короткий рассказ заканчивается, и в заключение мы предлагаем вашему вниманию видеоролик об удивительной системе Сатурна, таящей в себе немало загадок, ответы на которые мы, возможно, получим в будущем при тщательном ее изучении с применением более совершенного технического оборудования.
Приятного вам просмотра!
Ждем встречи с вами в следующем выпуске рубрики «Космический лед».
Источник
Как выглядит экзотический космический лед. Его создали в лаборатории
Поскольку межзвездное пространство очень холодное и в основном представляет собой вакуум, вода в нем имеет форму аморфного льда. Ее атомная структура не организована в кристаллическую решетку, в отличие от льда на Земле. Как происх одит переход между кристаллической и аморфной фазами льда на космических телах, таких как Европа — спутник Юпитера, — или на объектах пояса Койпера за пределами Плутона, трудно изучить, если только вы не можете сымитировать холодный темный вакуум ко смического пространства в лаборатории.
Это именно то, над чем работают ученые из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США и их коллеги. Они снизили температуру монокристаллической сапфировой пластины до 25 К (примерно − 248 ºC ), поместили ее в вакуумную камеру, а после стали добавлять к ней по несколько молекул тяжелой воды.
«В результате эксперимента образовался слой аморфного льда, похожий на лед, который составляет большую часть воды во Вселенной, — говорит участвующий в исследовании ученый Крис Тулк. — Это тот же тип льда, который мог бы образоваться в чрезвычайно холодных и постоянно затененных областях Луны, в полярных регионах спутника Юпитера и в структуре между звездами, известной как плотные молекулярные облака » .
В будущем ученые планируют смоделировать в лаборатории различные условия, которые встречаются на ледяных телах Солнечной системы. Они будут «бомбардировать» образец электронным излучением, чтобы определить, как это влияет на структуру льда.
На Земле лед тоже может выглядеть необычно. Посмотрите на чудо природы — «ледяные медузы» в канадском озере:
Источник
Космический лед. Часть третья. Тайна Красной планеты.
Здравствуйте, уважаемые читатели блога вольных ледорубов ! Космический лед продолжает свое движение в просторах Вселенной и интернета, а мы продолжаем следовать за ним, и в очередной статье нашей рубрики постараемся приоткрыть красную завесу белых тайн, которые скрывает сосед нашей Земли – Марс.
Общие факты
Вначале ознакомимся с некоторыми фактами, дабы иметь общее представление о характере Красной планеты.
Марс – четвертая планета Солнечной системы, считая от Солнца; средняя орбита Марса находится на расстоянии 228 млн км или 1,5 астрономических единиц от Солнца (в предыдущей статье « Космический лед. Часть вторая: кометы » мы упомянули об измерении космических расстояний в а.е.), а от орбиты Земли – 56 млн км (при современных технических возможностях космическим исследовательским аппаратам требуется от полугода до года, чтобы долететь до Марса). Период обращения Красной планеты вокруг нашего светила составляет 669 марсианских суток.
Полный оборот вокруг своей оси Марс совершает за 24 часа 39 минут. Наклон оси Марса – 25 градусов (у Земли – 23 градуса). Диаметр планеты по экватору около 6794 км (почти в 2 раза меньше диаметра Земли), а масса равна 6,4х1023 кг (около 11% от массы Земли). На Марсе есть своя сильно разреженная атмосфера, которая состоит в большей степени из углекислого газа, а давление в 160 раз меньше, чем на Земле. Невелика и сила тяжести – около 40% от земной. Средняя температура на планете минус 50°С; летом на дневной стороне она может достигать плюс 25°С, а в зимнее время на ночной стороне – до минус 125°С и ниже.
Илл.1 — Планета Марс
Марс относится к планетам земной группы, в которую помимо нашего космического дома входят еще Венера и Меркурий, что определяется схожестью внутреннего строения планет – наличием ядра, мантии и коры. В настоящее время глобальная геологическая активность на Марсе не наблюдается, но, тем не менее, ученые не исключают небольшую вулканическую деятельность, а давно потухшие вулканы поражают своей величиной – они во много раз превосходит земные аналоги вследствие их длительного месторасположения и низкого атмосферного давления, позволяющего породам не осыпаться под собственной тяжестью. Внешний вид, давший Марсу название Красной планеты, обусловлен наличием на поверхности слоя пыли, в которой содержатся окислы железа (ржавчина). Сама поверхность состоит базальта, андезита и силикатов. Как можно видеть на снимках из космоса, на поверхности Марса имеются образования в виде высохших русел рек, каньонов, кратеров, возвышенностей и углублений, говорящих о том, что Марс в свое время переживал ряд существенных геологических изменений и катаклизмов.
Марс имеет два спутника астероидного происхождения – Фобос и Деймос.
Илл.2 — Марсианский вулкан
Как вы, наверное, успели обратить свое внимание, уважаемые читатели, характеризуя Марс, мы сравниваем его с параметрами нашей планеты. Впрочем, здесь нет ничего удивительного, ведь как говорится, все познается в сравнении, и это относится не только к герою данной статьи – говоря о других планетах, мы, так или иначе, сопоставляем их Землей. И, как нам кажется, дело здесь не только в сухом вычислении физических параметров. Схожесть размеров, масс, химического состава, геологической структуры, наличия атмосферы дает повод изучать иные миры подробнее, в надежде найти родственную в экологическом отношении планету, где могли бы существовать биологические формы в далеком прошлом, настоящем или будущем, ведь человеку так хочется узнать, является ли наша Голубая планета единственным пристанищем жизни во Вселенной или же в глубинах космоса есть похожие планетарные системы.
Марсианский лед
Вспоминается знаменитая фраза из советского кинофильма: «Есть ли жизнь на Марсе? Нет ли жизни на Марсе? Науке это неизвестно». Но, тем не менее, науке стало известно другое, что возможно когда-нибудь даст ответ и на вопрос о жизни. На Марсе есть лед, причем водяной!
Еще в XIX столетии астрономы, наблюдая за Марсом в телескоп, пришли к выводу, что белые области на планете, есть не что иное, как полярные снежно-ледяные покровы, что дало им право утвердиться во мнении о наличии на Марсе водных запасов. Позднее, ученые выяснили, что обозреваемый полярный лед не является замороженной водой в чистом виде – снежные и ледяные образования в атмосфере и на поверхности планеты имеют в большей степени углекислую природу.
Илл.3 — Северная полярная шапка Марса
Температура замерзания углекислого газа (CO2) равна минус 78°С. Замерзая, углекислый газ сразу переходит в твердое агрегатное состояние, минуя жидкое. Такой процесс называется десублимацией. Точно также происходит и обратное действие – сублимация, когда кристаллическая решетка льда деформируется с повышением температуры, и лед моментально превращается в газ (процесс сублимации льда наглядно представлен в образовании хвоста комет). Таким образом, углекислый газ, находясь в атмосфере, выпадает на поверхность Марса в виде сухого снега (сухого льда).
Исследователи отметили, что полярные ледяные шапки периодически меняются в размерах. Эти изменения связаны с летним и зимним сезонами; летом сухой лед испаряется, а зимой площадь и толщина ледяного покрова увеличивается вновь. Наступление теплого времени года на Марсе обуславливает повышение температуры до минус 80°С и сублимацию полярного льда. Это в свою очередь приводит к увеличению атмосферного давления и образованию ветров, дующих в направлении экватора. Ветры поднимают марсианскую пыль, и создается мощнейшая песчаная буря. Одно из таких явлений запечатлено на фотографии, сделанной с марсианского орбитального спутника «Mars Global Surveyor» (илл.4). В зимний же период температура опускается, давление в полярных областях снижается, и ветры начинают дуть обратно к полюсу, снова поднимая и перенося собой тонны пыли и песка.
Илл.4 — Огромная пылевая буря на Марсе
Водяной же лед в полярных покровах находится ниже, под слоем углекислого льда, и он, собственно, и составляет основу полярной шапки. Диаметр северной шапки порядка 1000 км, южной – 300 км, а толщина варьируется от нескольких сотен до 3000 м. На снимке со спутника показана северная полярная шапка Марса в весенне-летний период (илл.5).
Илл.5 — Лето на северном полюсе Марса
Испарение углекислого льда в теплое время года еще больше повышает температуру за счет парникового эффекта, из-за чего начинает подтаивать водяной лед, который впитывается грунтом. Темные пятна на фото – грунт, предположительно, пропитанный водой. Присутствие воды на поверхности в жидком состоянии если и возможно, то только в дневное время, ближе к ночи вода замерзнет.
Илл.6 — Фрагмент Северной шапки Марса
На иллюстрации 6 показан фрагмент северной полярной шапки, где синие оттенки, вероятно, означают залежи водяного льда, а светлые места – это углекислый лед.
Илл.7 — Край южной ледяной шапки Марса
Илл. 8 — Лавина, сошедшая с края обрыва. Слева – снежно-ледяной покров
Сублимация льда (иначе говоря, возгонка) приводит к образованию интересных и причудливых форм снежно-ледяного покрова. В больших масштабах – это ступенчатые террасы, наподобие наплывов, формирующиеся в течение длительного времени (илл.9). В меньших – фактура поверхности марсианских ледников напоминает морские волны, острые зазубрины, витиеватое кружево (илл.10-11). Такие явления можно наблюдать и на Земле. Например, в высокогорьях Андийских Кордильер (Чили), где низкое атмосферное давление, а воздух сухой и разреженный, в результате сухой возгонки фирнового снежника получаются остроконечные изваяния в форме пик, о которых вы можете прочесть в статье « Кальгаспоры – кающиеся снега ». А на иллюстрации 12 представлено марсианское ледяное образование; скорее всего углекислый лед испарился, твердые включения осыпались в процессе сублимации, а эта оставшаяся решетка – замороженная вода, распределенная в слое углекислого льда.
Ледяная тайна Красной планеты
Наличие льда на поверхности Марса позволило ученым копнуть глубже в вопросе экологии планеты, и они копнули… В 2008 году американский марсоход «Phoenix» снял ковшом несколько проб грунта. На первых фотографиях в образовавшихся траншеях были различимы фрагменты материала белого цвета, а следующие снимки, сделанные через несколько дней, показали, что белые пятна исчезли. Ученые сделали предположение, что под тонким слоем поверхностного грунта находился лед, который затем испарился.
Илл.13 — Испарение льда, открытого под слоем поверхностного грунта
В пользу того, что близко к поверхности находится водяной лед, говорит тот факт, что при других раскопках с помощью все того же марсохода «Phoenix», его ковш, снимая мягкий поверхностный слой, упирался в твердый грунт, находившийся почти на равной глубине в каждом месте раскопок.
На эту же мысль ученых, в свою очередь, наталкивает ряд снимков, сделанных со спутника «Mars Reconnaissance Orbiter». На них запечатлены свежие кратеры – следы падения небольших космических тел. Ударная волна при столкновении рассеяла часть поверхностного слоя и обнажила, по всей видимости, залежи льда, которые отличаются большей яркостью на контрасте с тусклым фоном.
Илл.14 — Залежи льда под поверхностным слоем
Помимо ударных кратеров на поверхности Марса имеются и кратеры, возникшие в результате провалов грунта в зоне мерзлоты (или по-научному – криолитозоне). Фотокамеры спутников зафиксировали ледяные образования на дне таких кратеров. На фотографии, сделанной аппаратом HiRise со спутника «Mars Reconnaissance Orbiter», представлен кратер Виктория с имеющимся на дне ледником, к образованию которого привели скапливающиеся и наскоро замерзающие в атмосферных условиях планеты грунтовые воды. Отмеченная нами выше сублимация сформировала соответствующую структуру поверхности ледника (илл.15).
Илл.15 — Ледник на дне кратера Виктория
Благодаря орбитальным фотоснимкам данных углублений, ученые определили уровень залегания грунтовых вод – от 150 до 500 м ниже поверхности планеты. При этом марсианские овраги, образуемые стекающей водой, в отличие от земных, постепенно сходят на «нет», вследствие все тех же суровых марсианских условий – быстрого замерзания жидкости и сухой возгонки льда.
Илл.16 — Волнообразная поверхность ледника на дне марсианского кратера
На иллюстрации 17 показан другой кратер-провал в криолитозоне Марса. Здесь, как можно видеть, ледник имеет форму наплыва. Хорошо заметно, что выброс воды на поверхность был не один раз. Синевато-белый материал на склоне кратера – это, вероятно, испарившаяся при выходе на поверхность вода, осевшая затем в виде снега.
Илл.17 — Ледяной наплыв на дне кратера
Такие кратеры на Марсе обусловлены внутренней энергией планеты и эндогенными процессами, способствующими таянию льда в толще криосферы, образованию полостей и усадке грунта. Тем самым осуществляется теплообмен. Возможно, что на Марсе действуют гейзеры, как на некоторых спутниках дальних планет Солнечной системы (подробнее в статье: Космический лед. Часть первая. Кольца Сатурна ).
Илл. 19 — Иней, выпавший на песчаной поверхности Марса
Исследователи Марса не исключают также наличие в его глубинах запаса воды в жидком состоянии в виде озер, наподобие того, что было обнаружено российскими полярниками в 1996 году под ледяным панцирем Антарктиды.
Марс полон загадок, а споры вокруг них в научном мире не утихают. Много еще можно было сказать о природе и, в частности, гидросфере Марса, однако, дабы не утомлять наших читателей, мы решили ограничиться в этой статье наиболее интересной и емкой, на наш взгляд, информацией.
Спасибо за внимание. Надеемся, вам с нами не скучно. До встречи!
Источник
