Страница 80 из 107
Сатурна, спектральным анализом установлено, что кольца — ледяные, открыто загадочное явление азимутальной переменности яркости колец Сатурна. Размеренный темп научной деятельности сменился бурным подъемом всеобщего интереса к планетным кольцам в конце семидесятых годов, когда 10 марта 1977 г. несколькими исследовательскими группами независимо были открыты узкие и далеко отстоящие друг от друга угольно-черные кольца Урана. Открытие было сделано совершенно случайно, когда, готовя аппаратуру для исследования параметров атмосферы Урана методом покрытия звезды и заранее настроив приборы, исследователи обнаружили короткие затмения при подходе звезды к планете и при ее удалении. Наилучшие снимки получились с помощью телескопа летающей Койперовской обсерватории.
Через два года — 4 марта 1979 г. американский межпланетный аппарат «Вояджер-1» обнаружил прозрачные каменные кольца и вокруг Юпитера. В начале 80-х годов кольца Сатурна исследовались наиболее интенсивно. В их окрестности работала серия американских космических аппаратов: «Пионер-11» (октябрь 1979 г.), «Вояджер-1» (ноябрь 1980 г.), «Вояджер-2» (август 1981 г.). В январе 1986 г. «Вояджер-2» исследовал кольца Урана. В августе 1989 г. этот аппарат встретился с Нептуном, вокруг которого несколько лет назад методом покрытия звезды были обнаружены незамкнутые кольца (или «дуги»). «Вояджер-2» уточнил земные наблюдения: «дуги» оказались более плотными частями замкнутых колец.
На сегодняшний день из удаленных планет только у Плутона не обнаружены кольца. Как ни странно, эпоха «великих географических открытий» в Солнечной системе еще далека от завершения: совсем недавно были открыты новые спутники Урана, а с помощью «Телескопа Хаббла» удалось получить четкую фотографию Плутона.
Фактически, за последние годы был открыт и изучен новый класс объектов Солнечной системы. Планетные кольца оказались обязательным элементом и закономерным явлением в спутниковых системах планет-гигантов, естественно, что обилие экспериментального материала не могло не вызвать интенсивного развития теоретических моделей. Это не просто интерес к новым астрономическим объектам. Все большее распространение получает мнение, что планетные кольца — ключ к пониманию космогонии всей Солнечной системы. Ведь кольца на сегодняшний день являются единственными, доступными для детального изучения, представителями дифференциально-вращающихся дисков неупругих частиц. Исследование таких дисковых систем имеет принципиальную важность для космогонии, так как на протостадии это самый распространенный тип динамической системы (протопланетное облако, протоспутниковые диски, протокольца планет). К этому же классу объектов нужно отнести и протопланетные облака вокруг других звезд, аккреционные диски в системах двойных звезд, галактические и протогалактические диски. Таким образом, планетные кольца предоставляют уникальную возможность получить важнейшую информацию о коллективных и других процессах, протекавших на стадии образования планет и Солнечной системы.
Перечислим основные проблемы физики планетных колец:
1. Почему существуют планетные кольца? Классические модели формирования колец предполагали, что кольца — это область приливного разрушения крупных тел. Но после полетов «Вояджеров» стало ясно, что для разрушения частиц наблюдаемых размеров (<10 м) приливные силы слишком слабы. Вопрос о причинах существования колец оказался прямо связан с механическими характеристиками типичной частицы.
2. Что вызвало расслоение колец Сатурна? Наблюдаемая иерархическая структура колец Сатурна составлена по принципу «матрешки»: широкие ~ 1000 км кольца состоят из системы более узких -100 км колец и т. д.
Распространенное мнение, что расслоение колец Сатурна связано только с неустойчивостью отрицательной диффузии, противоречит наблюдениям — данная неустойчивость может вызывать образование только самых узких (в сотни метров) колечек в достаточно плотных частях диска.
3. Как образовались и почему не разрушаются кольца Урана? Наиболее популярна гипотеза о том, что узкие, эллиптические кольца Урана сформировались и сохраняют стабильность, благодаря двум спутникам-«пастухам» по краям каждого кольца. Однако «Вояджер-2» в 1986 г. не обнаружил между кольцами Урана столь необходимых для этой гипотезы спутников-«пастухов». При этом данные «Вояджера-2» подтвердили альтернативную гипотезу о резонансной природе колец Урана. В настоящее время в физике планетных колец существует большое число моделей и гипотез, часто взаимоисключающих друг друга. Поэтому представить единую картину происхождения и динамики планетных колец довольно трудно. Например, ряд исследователей устойчивости планетных колец исходит из модели гладкой и весьма упругой ледяной частицы, не затрагивая при этом проблемы существования колец. Космогонисты, в свою очередь, рассматривают в качестве типичной частицы колец чрезвычайно эфемерное образование (в 10 тысяч раз менее прочное, чем скопление самого пушистого земного снега), не задумываясь о том, как будет «работать» такая непрочная частица в других теоретических моделях.
Для того, чтобы дать физически цельную картину планетных колец, критически исследуя и альтернативные решения ряда проблем, приходится обращаться к самым различным методам и областям науки: к небесной механике, к физике льда и снега, к теории удара, к кинетической теории газов, к теории неустойчивостей и физике плазмы.
Источник: Н.Н.Горьковатый, А.М.Фридман «Самоорганизация в кольцах планет», журнал «Природа», 1991, № 1, стр.56–68.
Подробнее в обзорах:
Д.Н.Кузи, Л.У.Эспозито «Кольца Урана», журнал «В мире науки», 1987, № 9, стр.26–33.
Н.Н.Горьковатый, А.М.Фридман «Физика планетных колец», журнал «Успехи физических наук», 1990, № 2, стр.169–238.
• ВОПРОС № 43: Как образуются сосульки на крышах, и с чем это связано?
ОТВЕТ: Сосульки, свисающие с карнизов и проводов, могут показаться достаточно простыми «конструкциями», однако на самом деле их форма и процесс образования в течение долгого времени озадачивали исследователей. Почему сосулька имеет вид усеченного конуса с диаметром у вершины не более нескольких миллиметров? Почему по оси сосульки проходит узкая заполненная жидкой водой полость длиной несколько сантиметров, берущая начало у кончика сосульки (в этом вы можете убедиться с помощью зубочистки)? Что эта за белая линия, отмечающая центральную ось сосульки? Почему на поверхности сосульки образуются поперечные ребра с интервалом несколько сантиметров? Почему местами в сосульке лед сплошной, а местами — пористый? Какая причина заставляет некоторые сосульки изгибаться и скручиваться?
Физические процессы, идущие при замерзании воды, весьма сложны. В рамках простой модели граница замерзания, разделяющая жидкость и лед, состоит из разветвленных «пальцев», которые проникают в жидкость. На поверхности этих пальцев молекулы жидкости постепенно присоединяются к кристаллической решетке льда, отдавая часть своей энергии и теряя подвижность. Потерянная ими энергия, называемая теплотой, переносится в другую область, более холодную, чем поверхность замерзания, — часто в прилегающий слой воздуха.
Этот процесс и ведет к росту сосульки. Один из путей их образования был изучен Н.Маено и Т.Такохаси из Университета Хоккайдо. Вообразите медленно тающий слой снега на крыше. Каждая свисающая с края капля талой воды окружена холодным воздухом. Когда по краям капля начинает замерзать и образуется тонкая оболочка льда, теплота, выделяющаяся в результате замерзания воды, уходит в окружающий воздух.
По мере того как вода продолжает стекать вниз по ледяной оболочке, часть ее замерзает, и народившаяся сосулька начинает расширяться. Остальная вода присоединяется к свисающей капле. Постепенное замерзание воды по краям капли приводит к расширению сосульки. Если капля становится слишком большой — более 5 мм в диаметре — она падает, однако вскоре талая вода образует новую каплю. Пока существует приток талой воды, сосулька расширяется и удлиняется. Кончик же сосульки, диаметр которого определяется размером свисающей капли, остается узким.