Сатурн — шостая планета ад Сонца і другая па памерах планета ў Сонечнай сістэме пасля Юпітэра. Сатурн, а таксама Юпітэр, Уран і Нептун, класіфікуюцца як газавыя гіганты. Сатурн названы ў гонар рымскага бога земляробства. Сімвал Сатурна — .
У асноўным Сатурн складаецца з вадароду, з прымесямі гелію і слядамі вады, метану, аміяку і цяжкіх элементаў. Унутраная вобласць уяўляе сабой невялікае ядро з жалеза, нікелю і лёду, пакрытае тонкім слоем металічнага вадароду і газападобным вонкавым слоем. Знешняя атмасфера планеты здаецца з космасу спакойнай і аднастайнай, хоць часам на ёй з’яўляюцца доўгачасовыя ўтварэнні. Хуткасць ветру на Сатурне можа дасягаць месцамі 1800 км/г, што значна больш, чым на Юпітэры. У Сатурна ёсць планетарнае магнітнае поле, якое займае прамежкавае становішча па напружанасці паміж магнітным полем Зямлі і магутным полем Юпітэра. Магнітнае поле Сатурна распасціраецца на кіламетраў у кірунку Сонца. Ударная хваля была зафіксавана «Вояджэрам-1» на адлегласці ў 26,2 радыуса Сатурна ад самой планеты, магнітапаўза размешчана на адлегласці ў 22,9 радыуса.
Сатурн валодае сістэмай кольцаў, якая складаецца галоўным чынам з часцінак лёду, меншай колькасці цяжкіх элементаў і пылу. Вакол планеты абарачаюцца 82 вядомыя на дадзены момант спадарожнікі. Тытан — самы буйны з іх, а таксама другі па памерах спадарожнік у Сонечнай сістэме (пасля спадарожніка Юпітэра, Ганімеда), які пераўзыходзіць па сваіх памерах Меркурый і валодае адзінай сярод спадарожнікаў Сонечнай сістэмы шчыльнай атмасферай.
У цяперашні час на арбіце Сатурна знаходзіцца аўтаматычная міжпланетная станцыя «Касіні», якая была запушчана ў 1997 годзе і даляцела да сістэмы Сатурна ў 2004. У задачы станцыі ўваходзіць вывучэнне структуры кольцаў, а таксама дынамікі атмасферы і магнітасферы Сатурна.
Сатурн сярод планет Сонечнай сістэмы
Сатурн адносіцца да тыпу газавых планет: ён складаецца ў асноўным з газаў і не мае цвёрдай паверхні. Экватарыяльны радыус планеты роўны , палярны радыус — ; з усіх планет Сонечнай сістэмы Сатурн найбольш сплюшчаны. Маса планеты ў 95,2 разы перавышае масу Зямлі, аднак сярэдняя шчыльнасць Сатурна складае ўсяго 0,687 г/см³, што робіць яго адзінай планетай Сонечнай сістэмы, чыя сярэдняя шчыльнасць меншая за шчыльнасць вады. Таму, хоць масы Юпітэра і Сатурна адрозніваюцца больш, чым у 3 разы, іх экватарыяльны дыяметр адрозніваецца толькі на 19 %. Шчыльнасць астатніх газавых гігантаў значна большая (1,27-1,64 г/см³). Паскарэнне свабоднага падзення на экватары складае 10,44 м/с², што супастаўна са значэннямі Зямлі і Нептуна, але нашмат менш, чым у Юпітэра.
Арбітальныя характарыстыкі і кручэнне
Сярэдняя адлегласць паміж Сатурнам і Сонцам складае 1430 млн км (9,58 а. а.). Рухаючыся з сярэдняй хуткасцю 9,69 км/с, Сатурн абарочваецца вакол Сонца за 10759 дзён (прыкладна 29,5 гадоў). Адлегласць ад Сатурна да Зямлі змяняецца ў межах ад 1195 (8,0 а. а.) да 1660 (11,1 а. а.) млн км, сярэдняя адлегласць падчас іх супрацьстаяння каля 1280 млн км. Сатурн і Юпітэр знаходзяцца амаль у дакладным рэзанансе 2:5. Паколькі эксцэнтрысітэт арбіты Сатурна 0,056, то рознасць адлегласці да Сонца ў перыгеліі і афеліі складае 162 млн км.
Бачныя пры назіраннях характэрныя аб’екты атмасферы Сатурна круцяцца з рознай хуткасцю ў залежнасці ад шыраты. Як і ў выпадку Юпітэра, ёсць некалькі груп такіх аб’ектаў. Так званая «Зона 1» мае перыяд кручэння 10 гадзін 14 хвілін 00 секунд (гэта значыць хуткасць складае 844,3°/дзень). Яна распасціраецца ад паўночнага краю паўднёвага экватарыяльнага пояса да паўднёвага краю паўночнага экватарыяльнага пояса. На ўсіх астатніх шыротах Сатурна, якія складаюць «Зону 2», перыяд кручэння першапачаткова быў ацэнены ў 10 гадзін 39 хвілін 24 секунд (хуткасць 810,76°/дзень). Пасля даныя былі перагледжаны: была дадзена новая ацэнка — 10 г, 34 хв і 13 с. «Зона 3», наяўнасць якой мяркуецца на аснове назіранняў радыёвыпраменьвання планеты ў перыяд палёту «Вояджэра-1», мае перыяд кручэння 10 гадзін 39 мін 22,5 с (хуткасць 810,8°/дзень).
У якасці працягласці абароту Сатурна вакол восі прынята велічыня 10 гадзін, 34 хвіліны і 13 секунд. Сатурн — адзіная планета, у якой восевая хуткасць кручэння на экватары большая за арбітальную хуткасць кручэння (9,87 км/сек і 9,69 км/сек адпаведна). Дакладная велічыня перыяду кручэння ўнутраных частак планеты застаецца цяжкавымернай. Калі апарат «Касіні» дасягнуў Сатурна ў 2004 годзе, было выяўлена, што згодна з назіраннямі радыёвыпраменьвання працягласць абароту ўнутраных частак прыкметна перавышае перыяд кручэння ў «Зоне 1» і «Зоне 2» і складае прыблізна 10 гадзін 45 хв 45 с (± 36 с).
Дыферэнцыяльнае кручэнне атмасферы Сатурна падобна кручэнню атмасфер Юпітэра і Венеры, а таксама Сонца. Хуткасць кручэння Сатурна мяняецца не толькі па шыраце і глыбіні, але і ў часе. Упершыню гэта выявіў А. ВільямсWilliams A. S. // Monthly Notices Roy. Astron. Soc., 1894, 54, p. 297.. Аналіз пераменнасці перыяду кручэння экватарыяльнай зоны Сатурна за 200 гадоў паказаў, што асноўны ўклад у гэтую пераменнасць уносяць паўгадавы і гадавы цыклыКригель А. М. Полугодовые колебания в атмосферах планет // Астрономический журнал. — 1986. — 63, 1. — С. 166—169..
У сакавіку 2007 года было выяўлена, што кручэнне радыёвыпраменьвання Сатурна спараджаецца канвекцыйнымі патокамі ў плазменным дыску, якія залежаць не толькі ад кручэння планеты, але і ад іншых фактараў. Было таксама паведамлена, што ваганне перыяду кручэння дыяграмы накіраванасці звязана з актыўнасцю гейзераў на спадарожніку Сатурна — Энцэладзе. Зараджаныя часціцы вадзяной пары на арбіце планеты прыводзяць да скажэння магнітнага поля і, як вынік, карціны радыёвыпраменьвання. Выяўленая карціна спарадзіла меркаванне, што на сённяшні дзень наогул не існуе карэктнага метаду вызначэння хуткасці кручэння ядра планеты.
Паходжанне
Паходжанне Сатурна (як і Юпітэра) тлумачаць дзве асноўныя гіпотэзы. Паводле гіпотэзы «кантракцыі», падабенства саставу Сатурна з Сонцам у тым, што ў абодвух нябесных цел маецца вялікая доля вадароду, і, як вынік, малую шчыльнасць можна растлумачыць тым, што ў працэсе фарміравання планет на ранніх стадыях развіцця Сонечнай сістэмы ў газапылавым дыску ўтварыліся масіўныя «згушчэнні», якія далі пачатак планетам, г. зн. што Сонца і планеты фарміраваліся падобным чынам. Тым не менш, гэтая гіпотэза не можа растлумачыць адрозненні складу Сатурна і Сонца.
Гіпотэза «акрэцыі» сцвярджае, што працэс утварэння Сатурна адбываўся ў два этапы. Спачатку на працягу 200 мільёнаў гадоў ішоў працэс фарміравання цвёрдых шчыльных цел, накшталт планет зямной групы. Падчас гэтага этапу з вобласці Юпітэра і Сатурна рассеялася частка газу, што затым паўплывала на адрозненне ў хімічным саставе Сатурна і Сонца. Затым пачаўся другі этап, калі самыя буйныя целы дасягнулі падвоенай масы Зямлі. На працягу некалькіх соцень тысяч гадоў доўжыўся працэс акрэцыі газу на гэтыя целы з першаснага протапланетнага воблака. На другім этапе тэмпература вонкавых слаёў Сатурна дасягала 2000 °C.
Атмасфера і будова
Верхнія слаі атмасферы Сатурна складаюцца на 96,3 % з вадароду (па аб’ёме) і на 3,25 % — з гелію (у параўнанні з 10 % у атмасферы Юпітэра). Маюцца прымешкі метану, аміяку, , этану і некаторых іншых газаў. Аміячныя воблакі ў верхняй частцы атмасферы магутнейшыя, чым на Юпітэры. Воблакі ніжняй часткі атмасферы складаюцца з гідрасульфіду амонію (NH4SH) або вады.
Паводле даных «Вояджэраў», на Сатурне дзьмуць моцныя вятры, апараты зарэгістравалі хуткасці паветраных патокаў 500 м/с. Вятры дзьмуць у асноўным ва ўсходнім кірунку (у кірунку восевага кручэння). Іх сіла слабее пры аддаленні ад экватара; пры аддаленні ад экватара з’яўляюцца таксама і заходнія атмасферныя плыні. Рад даных паказвае, што цыркуляцыя атмасферы адбываецца не толькі ў слоі верхніх аблокаў, але і на глыбіні, па меншай меры, да 2 тыс. км. Акрамя таго, вымярэнні «Вояджэра-2» паказалі, што вятры ў паўднёвым і паўночным паўшар’ях сіметрычныя адносна экватара. Ёсць меркаванне, што сіметрычныя патокі неяк звязаныя пад слоем бачнай атмасферы.
У атмасферы Сатурна часам паяўляюцца ўстойлівыя ўтварэнні, якія ўяўляюць сабой звышмагутныя ўраганы. Аналагічныя аб’екты назіраюцца і на іншых газавых планетах Сонечнай сістэмы (гл. Вялікая чырвоная пляма на Юпітэры, Вялікая цёмная пляма на Нептуне). Гіганцкі «Вялікі белы авал» з’яўляецца на Сатурне прыкладна адзін раз у 30 гадоў, у апошні раз ён назіраўся ў 1990 годзе (менш буйныя ўраганы ўтвараюцца часцей).
12 лістапада 2008 г камеры станцыі «Касіні» атрымалі выявы паўночнага полюса Сатурна ў інфрачырвоным дыяпазоне. На іх даследчыкі выявілі палярныя ззянні, падобных якім не назіралася яшчэ ні разу ў Сонечнай сістэме. Таксама дадзеныя ззянні назіраліся ва ўльтрафіялетавым і бачным дыяпазонах. Палярныя ззянні ўяўляюць сабой яркія непарыўныя кольцы авальнай формы вакол полюса планеты. Кольцы размяшчаюцца на шыраце, як правіла, у 70-80°. Паўднёвыя кольцы размяшчаюцца на шыраце ў сярэднім , а паўночныя — бліжэй да полюса прыкладна на 1,5°, што звязана з тым, што ў паўночным паўшар’і магнітнае поле некалькі мацнейшае. Часам кольцы становяцца спіральнай формы замест авальнай.
У адрозненне ад Юпітэра палярныя ззянні Сатурна не звязаныя з нераўнамернасцю кручэння плазменнага слоя ў знешніх частках магнітасферы планеты. Як мяркуецца, яны ўзнікаюць з-за пад дзеяннем сонечнага ветру . Форма і выгляд палярных ззянняў Сатурна моцна змяняюцца з цягам часу. Іх размяшчэнне і яркасць моцна звязаныя з ціскам сонечнага ветру: чым ён большы, тым ззянне ярчэй і бліжэй да полюса. Сярэдняе значэнне магутнасці палярнага ззяння складае 50 ГВт у дыяпазоне 80-170 нм (ультрафіялет) і 150—300 ГВт у дыяпазоне 3-4 мкм (інфрачырвоны).
Падчас бур і штормаў на Сатурне назіраюцца магутныя разрады маланак. Электрамагнітная актыўнасць Сатурна, выкліканая імі, вагаецца з гадамі ад амаль поўнай адсутнасці да вельмі моцных электрычных бур.
28 снежня 2010 года «Касіні» сфатаграфаваў шторм, які нагадвае цыгарэтны дым. Яшчэ адзін, асабліва магутны шторм, быў зафіксаваны 20 мая 2011 года.
Шасцівугольнае ўтварэнне на паўночным полюсе
Воблакі на паўночным полюсе Сатурна ўтвараюць гіганцкі шасцівугольнік. Упершыню гэта выяўлена падчас пралётаў «Вояджэра» каля Сатурна ў 1980-х гадах, падобная з’ява ніколі не назіралася ні ў адным іншым месцы Сонечнай сістэмы. Шасцівугольнік размяшчаецца на шыраце 78°, і кожны яго бок складае прыблізна , гэта значыць больш чым дыяметр Зямлі. Перыяд яго кручэння — 10 гадзін 39 хвілін. Гэты перыяд супадае з перыядам змены інтэнсіўнасці радыёвыпраменьвання, які, у сваю чаргу, прыняты роўным перыяду кручэння ўнутранай часткі Сатурна.
Дзіўная структура аблокаў паказаная на інфрачырвоным здымку, атрыманым касмічным апаратам «Касіні» у кастрычніку 2006 года. Здымкі паказваюць, што шасцівугольнік заставаўся стабільным усе 20 гадоў пасля палёту «Вояджэра», прычым шасцівугольная структура аблокаў захоўваецца падчас іх кручэння. Асобныя аблокі на Зямлі могуць мець форму шасцівугольніка, але, у адрозненне ад іх, шасцівугольнік на Сатурне блізкі да правільнага. Усярэдзіне яго могуць змясціцца чатыры Зямлі. Мяркуецца, што ў раёне гексагона маецца значная нераўнамернасць воблачнасці. Вобласці, у якіх воблачнасць практычна адсутнічае, маюць вышыню да 75 км.
Поўнага тлумачэння гэтай з’явы пакуль няма, аднак навукоўцам удалося правесці эксперымент, які даволі дакладна змадэляваў гэтую атмасферную структуру. 30-літровы балон з вадой паставілі на вярчальную ўстаноўку, прычым унутры былі размешчаны маленькія кольцы, якія верцяцца хутчэй ёмістасці. Чым большая была хуткасць кальца, тым больш форма віхру, якая ўтваралася пры сукупным кручэнні элементаў устаноўкі, адрознівалася ад кругавой. У гэтым эксперыменце быў атрыманы, у тым ліку, і 6-вугольны віхорГексагон Сатурна воссоздан в лаборатории .
Унутраная будова