Сатурн - властелин колец

АДМИНИСТРАЦИЯ  ГОРОДА  НИЖНЕГО  НОВГОРОДА

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ
ЦЕНТР  ОБРАЗОВАНИЯ  МОСКОВСКОГО  РАЙОНА

603079, Московское шоссе, 161, т. (факс) 279-03-11

Научное общество учащихся

Сатурн  - властелин колец

                                                                    Выполнила: Курникова Мария,

                                                      ученица 10 «А» класса

                                                        Научный руководитель:

                                                                       Климкова Татьяна Юрьевна                              

                                            учитель физики

Нижний Новгород

2013 год

Содержание

                                                                                                                        Стр.

Введение……………………………………………………………………….3

1. История возникновения колец Сатурна…………………………………4

2. «Исчезающие кольца»……………………………………..…………….11

3. Гипотезы образования колец…….……………………………………..14

4. «Спицы»…………………………………………………………………..16

Заключение…………………………………………………………………..17

Список использованных источников………………………………………18

Введение

Джон Рональд Руэл Толкиен  написал эпопею "Властелин колец"   в 40-х годах прошлого столетия. В Солнечной системе есть планета, которую называют «Властелин колец». Возможно Джон тоже узнав об этой плане, долго мечтал глядя в звездное небо, а потом создал свое замечательное произведение. Мы решили провести свое исследование, почему планету Сатурн назвали Властелином колец.

В своей научной работе мы решили рассмотреть такую тему, как  Сатур- властелин колец.

Цель научной работы познакомиться с историей  изучения и особенностью  колец Сатурна.

Объектом настоящего исследования являются сведения о плане и кольцах Сатурн в Солнечной системе.

 К основным задачам работы относятся:

1. Найти источники информации об истории открытия и изучения колец Сатурна.
2. Найти источники информации об особенностях колец Сатурна.
3. Изучить информацию.
4. Систематизировать информацию.
5. Создать мультимедийную презентацию.

При подготовке работы для сбора необходимого материала (данных) были использованы различные информационные источники, но в основном это - экономические и научно-технические журналы, газеты, а также ресурсы сети Интернет.

1. История возникновения колец Сатурна

        Широкую известность Сатурн получил благодаря окружающим его кольцам, без которых ему грозило стать всего-навсего бледной копией Юпитера. Бесспорно, кольца Сатурна — это жемчужина звездного неба, поэтому каждый наблюдатель, направляя телескоп на планету, в первую очередь рассматривает именно их. А там есть на что посмотреть!

В античной мифологии Сатурн был божественным отцом Юпитера. Сатурн был богом Времени и Судьбы. Как известно, Юпитер в своем мифическом обличии пошел дальше отца. В Солнечной системе Сатурну отведена также вторая роль среди планет. Сатурн второй как по массе, так и по размерам. Однако он позади многих и многих тел околосолнечного пространства по плотности.

Сатурн, не желая смиряться с отставанием от Юпитера, обзавелся большим числом спутников и, главное, великолепным кольцом, благодаря которому шестая планета серьезно оспаривает первое место в номинации Великолепие. Многие астрономические книги на обложках своих предпочитают иметь именно Сатурн, а не Юпитер.

Кольца Сатурна – концентрические образования различной яркости, как бы вложенные друг в друга и образующие единую плоскую систему небольшой толщины, располагающуюся в экваториальной плоскости.

   Обычно выделяют три главных или классических компонента колец — внешнее кольцо А, среднее B и внутреннее С, которые доступны для наблюдения в любительские телескопы. В дополнение к основным кольцам можно выделить самое внутреннее кольцо D, которое не видно в любительские телескопы (по крайней мере, не существует достоверных данных на этот счёт). Также имеются неуловимые для земного наблюдателя внешние кольца E, F и G.
Между кольцами Сатурна существуют множество промежутков (щели), из которых самые известные — Щель Кассини и Деление Энке (Комплекс Энке).

    Сквозь кольца можно увидеть звезды, хотя свет их при этом заметно ослабевает. Все кольца состоят из отдельных кусков льда разных размеров: от пылинок до нескольких метров в поперечнике. Под действием спутников кольцо немного выгибается, переставая быть плоским: видны тени от Солнца.

Кольцо С (кольцо Крепа, Креповое кольцо) — внутреннее кольцо серовато-чёрного цвета, уверенно видно в телескоп с диаметром объектива 80 мм. В периоды раскрытия колец, в той части, где кольца проходят перед диском Сатурна, Группа Крепа имеет темно-желто-серый цвет.
Кольцо B визуально можно разделить на две части — внешнюю и внутреннюю. Внешняя часть кольца B, как на диске Сатурна, так и в кольцах, является самой яркой деталью планеты. В подавляющем большинстве наблюдений внешняя часть имеет белый цвет, а внутренняя желтовато-белый. Некоторые наблюдатели сообщают о периодическом потемнении некоторых участков внутреннего кольца и появлении темных тонких радиальных полосок — «спиц».

Щель Кассини в периоды максимального раскрытия колец без труда видна в 60-мм телескоп как темно-серая полоска. При хороших атмосферных условиях Щель Кассини видна и при минимальном раскрытии колец, в виде дугообразных черточек с обеих сторон «ушек».
Кольцо A — желтовато-белого цвета, чуть менее яркое, чем кольцо B. В телескоп с диаметром объектива 200 мм и при хороших атмосферных условиях видно, что кольцо А делится на внешнюю (слегка более яркую) и внутреннюю часть Комплексом Энке. Иногда наблюдатели, имеющие в своем распоряжении 300-мм телескоп, отмечают появление на внешнем крае кольца А «деления Килера», имеющего стальной цвет.

    Внешний вид колец меняется от года к году. Это обусловлено наклоном                 плоскости колец к плоскости орбиты планеты. Плоскость колец наклонена к плоскости орбиты на 26°. Поэтому в течение года мы видим их максимально широкими, после чего их видимая ширина уменьшается, и, примерно через 15 лет, они превращаются в слабо различимую черту.

Галилео Галилей был первым человеком, наблюдавшим кольца Сатурна в 1610 году с помощью изобретённого им телескопа. Кольца он не распознал, слишком уж слаб, был его телескоп. Наверное, это спутники, решил Галилей и возвестил об открытии анаграммой, которая расшифровывалась так: «Отдаленнейшую планету троякую наблюдал».

              Галилей написал герцогу Тосканскому, что «Сатурн не является одиночным телом, а состоит из трёх тел, которые почти соприкасаются друг с другом и не изменяют положение по отношению друг к другу. Они расположены в линию, параллельную зодиаку,  и средний (собственно сам Сатурн) составляет примерно, одну третью от наибольшего (то есть, расстояние между кольцами)».

 Галилей заметил по обе стороны планеты странные выступы и охарактеризовал Сатурн, как имеющий «уши». В 1612 году плоскость колец была ориентирована ребром к Земле, поэтому они не были видны в телескоп.

В 1613 году кольца стали видны, что ещё более запутало Галилея.

            Много исследователей десятилетиями наблюдали и пытались объяснить необычную форму Сатурна, но правильное объяснения «диковинки» планеты и периодических изменений вида дал в 1659 году Христиан Гюйгенс, наблюдавший с 1655 года Сатурн сначала в 13 футовый, а затем в новый 23-футовый телескоп.

 Его монограмма, посвященная Сатурну, гласила: «Кольцом окружен, тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным».

Гюйгенс считал кольцо сплошным, но вскоре французский астроном Джованни Доменико Кассини (1625-1712) заметил чёрную полосу, делившую кольцо на два (А и В). Позже промежуток между кольцами назвали щелью Кассини.

  В 1837 году немец Иоганн Энке (1791-1865) заметил, что кольцо А тоже рассечено надвое. Так была открыта щель Энке.

            Много позже американские астрономы Уильям Бонд с сыном Джорджем Бондом первыми наблюдали и дали имя «креповое» внутреннему слабо светящемуся кольцу С, а в 1969 было обнаружено ещё более слабое и близкое к планете кольцо D. Яркость кольца D не превышает 1/20 яркости самого яркого кольца – кольца В.

           Интересно, что факт разделения колец Сатурна на отдельные узкие кольца предсказал ещё в 1755 году немецкий философ Иммануил Кант, основываясь на своих остроумных теоретических рассуждениях.

 Природа колец стала ясной после того, как английский физик Джеймс Клерк Максвелл решил задачу об устойчивости колец Сатурна. Решив её, он выиграл конкурс, объявленный Кембреджским университетом. За эту работу Максвелл в этом же году получил премию Дж. Адамса.

        Знаменитый французский математик, физик и астроном Пьер Симон Лаплас – отец небесной механики, доказал что кольца не могут быть твёрдыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они могут быть жидкими, и пришел к заключению, что подобная структура может быть устойчивой  только в одном случае, если состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец  обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов.

        Позже, русский математик Софья Васильевна Ковалевская в своей работе «Замечания и дополнения к теории кольца Сатурна, данной Лапласом» в 1885 году, отличным от максвелловского методом, доказала, что устойчивые существования  кольца вокруг планеты может быть только в том случае, если оно состоит из совокупности отдельных малых тел: сплошное твёрдое или жидкое кольцо было бы разорвано силой притяжения  планеты.  

         Лаплас в своём труде «Небесная механика», рассматривая кольцо Сатурна как совокупность нескольких тонн, не влияющих одно на другое жидких колец, определил, что поперечное сечение колец имеет форму эллипса.  Но это было лишь первое, очень упрощённое решение.

         Ковалевская задалась целью исследовать вопрос о равновесии кольца с большей точностью. Она установила, что поперечное сечение кольца Сатурна должно иметь форму овала, вычисляемую с любой  степенью точностью.

          Этот теоретический вывод в конце 19 века был эмпирически подтвержден независимо друг от друга Аристархом Аполлоновичем Белопольским (Россия), Джеймсом Килером (США) и Анри Деландром (Франция).

          400 лет люди изучают кольца Сатурна. Сначала наблюдали их в простейшие, затем в мощные наземные телескопы, а когда стали осваивать дальнее космическое пространство, продолжают исследовать с помощью автоматических межпланетных станций (АМС). И, наконец, легендарный космический телескоп им. Хаббла (КТХ) начиная, с 1990 года даёт учёным огромное количество информации о кольцах Сатурна.

        В 20 веки вблизи Сатурна побывали три американских космических аппарата: «Пионер-11» (октябрь 1979г.), «Вояджр-1» (ноябрь 1980г.) и «Вояджер-2» (август 1981г.). Эти межпланетные станции передали на Землю тысячи фотографий колец Сатурна и его спутников с разрешением до нескольких километров. А просвечивание колец радиосигналами дало возможность изучать их тонкую структуру. «Вояджеры» подтвердили существование четырёх новых колец: D, F, G b E. Расстояние, на которых находились эти АМС, указаны на иллюстрации.

           С 1 июля 2004 года глазами людей на орбите Сатурна становится АМС «Кассини». Станция стала первым искусственным спутником Сатурна. «Кассини» ориентировочно должен проработать до августа 2010 года. Двигаясь вокруг Сатурна,  КА «Кассини», повернулся к кольцам таким образом, что спицы вокруг кольца В стали яркими. Эти радиальные метки стали появляться более часто во время приближения Сатурна к  положению равноденствия в августе 2009 года.

          Точка зрения космического аппарата расположена на солнечной стороне, примерно в 31 градусе ниже плоскости колец. Изображение было получено в видимом свете широкоугольной камерой «Кассини» 2 февраля 2009 года. Снимок был сделан на расстоянии около 578 000 км Сатурна и угол (фаза) между Солнцем, Сатурном и КА «Кассини» составлял 144 градуса. Масштаб изображения равен 30 км на пиксель.

На этом снимке, полученном 17 августа 1981 от КА «Voyager – 2» с расстояния 8,9 млн. км, видны изменения в химическом составе колец Сатурна. Такие тонкие изменения цвета, могут быть зарегистрированы и обработаны специальными методами с помощью компьютера. Цвет структур на картинке меняются от чисто оранжевого  до ультрафиолетового.

         «Кассини»  предоставил учёным самую детальную картину плотной упаковки кольца В Сатурна.  «Кассини» нашёл, что эта часть колец плотно упакована сгустками вещества, образованными вследствие  взаимного притяжения и разделёнными почти пустыми промежутками. Эти глыбы  в кольце В, хотя постоянно сталкиваются, но аккуратно организованы, что удивило учёных.

         Размер таких образований в кольце В составляет 30-50 метров в поперечнике, и они слишком маленькие, что бы увидеть их непосредственно. Тем не менее, учёные могут нанести на карту распределение, форму ориентацию глыб.

Цвета в этом изображении указывают ориентацию глыб, а яркость указывает на плотность кольцевых частиц. Формирование следов является самым сильным  в более синих областях,  где частицы в кольцах слипаются и расходятся при столкновениях – это заметно по их наклоненным следам. Частицы в центральных жёлтых областях слишком плотно упакованы для любого   звёздного света, чтобы он мог пройти через кольцо.

1.  «Исчезающие кольца»

        Образования, открытые Галилеем, представляют удивительную загадку природы: планета казалась окружённой  кольцами, то появляющиеся, то вновь исчезающие....

        Почему исчезают кольца Сатурна?  

        Вернёмся к тому, с чего мы начали: к открытию Галилея. Два года подряд он наблюдал за «отдаленнейшей планетой». И вдруг оба её «спутника» исчезли. Учёный был явно растерян. В одном из писем он удивлённо вопрошал: «Может быть, обе меньшие  звёзды обратились в ничто, как солнечные пятна? Может быть, Сатурн пожрал своих собственных детей? Или же то, что я и столь многие вместе со мной многократно наблюдали, было лишь заблуждением и обманчивой иллюзией, коими нас столько времени дурачили линзы?»

          Впоследствии выяснилось, что  плоскость экватора Сатурна, его колец и спутниковой системы наклонена,  к плоскости земной орбиты более чем на 26 градусов. Это создаёт благоприятные возможности для наблюдения колец Сатурна и  каждые 14-15 лет кольца Сатурна поворачиваются к Земле ребром. Сначала они превращаются в тонкую «иглу», пронзающую планету, а затем и вовсе пропадают.

        Чтобы понять, как меняются условия видимости колец для землян, можно проделать следующий простой опыт: поставить на стол чайное блюдце, приподняв один край. Если опустить глаза на уровень стола и обойти вокруг него, то в течение одного обхода блюдце  будет видно  как с лицевой стороны, так и со стороны выпуклого дна и дважды – с ребра.

В реальности примерно так всё  и происходит.

        Сатурн почти в десять раз дальше от Солнца, чем Земля, поэтому мы всегда смотрим на него как бы со стороны Солнца. В течение одного орбитального оборота он дважды обращает к нам - то северный, то южный свой полюс. Соответственно и кольца видны то «сверху», то «снизу», и дважды исчезают совсем, когда они обращены к наблюдателю ребром. В этот период кольца почти совсем не видны, что свидетельствует  об их очень малой толщине: около 10-20 м.  По отношению ширины  к толщине листок папирусной бумаги гораздо толще планетных колец. Если уменьшить кольца Сатурна до метрового размера, то их толщина составить тысячную долю миллиметра. В кольце В частицы расположены так густо, что, залетев в середину потеряем из виду звёзды.

          Впрочем, тьмы здесь нет – кругом светятся отражённым, преломлённым и рассеянным солнечным светом тысячи снежных тел. Есть более прозрачные участки, например кольцо С или деление Кассини; суммарная площадь частиц в них не превышает нескольких процентов от площади поверхности кольца.

          Если приподняться над плоскостью колец, то можно увидеть бесконечное снежное поле. Внутри него возвышается гигантское полушарие Сатурна, освещённое Солнцем. Основная часть системы сатурнианских колец имеет ширину  60 тысяч км. Но вот равномерная гладкость колец нарушается, и они изгибаются волнами высотой в несколько сот метров результат гравитационного влияния спутника. Когда Солнце стоит низко над плоскостью колец, лучи его падают на верхушки этих колоссальных «гор», а «долины»  остаются в тени. Подобную картину запечатлели «Вояджеры» во время своего пролёта возле Сатурна. Именно так скользили солнечные лучи по поверхности колец в 1999 году и в августе 2009 года, когда кольца Сатурна земляне видели с ребра.

           В соответствии с законами Кеплера частицы на разных радиусах кольца движутся с различными скоростями ближе к планете, тем быстрее.  В наиболее плотном кольце есть область, где частицы обращаются периодами, т.е. с той же угловой скоростью, с какой вращается Сатурн. Это значит, что относительно поверхности площади они остаются неподвижными.        Подобным образом «висят» над Землёй геостационарные спутники, ретранслирующие теле – и радиосигналы наземных станций,  -  их период обращения равен 24 ч.                        

           Просвечивание колец радиосигналами дало возможность изучать их тонкую структуру.

2. Гипотезы образования колец

•  все планеты образуются из пыли и мелких осколков, возможно гравитационной силы Сатурна недостаточно для того чтобы вещество из своих колец использовать для строительства своей планеты, но вполне достаточно чтобы не отпускать их от себя.
•  по другой теории, Сатурн столкнулся с другим довольно большим телом, в результате чего оно было уничтожено и развалилось на мелкие кусочки, а потом со временем равномерно распространилось по орбите.

           Но данные «Вояджеров» опровергли эти гипотезы.

Сейчас установлено, что кольца Сатурна (и других планет тоже) представляют собой остатки огромного околопланетного облака протяжённостью во многие миллионы километров.

Из внешних областей этого облака сформировались спутники, а во внутренней образование спутников было «запрещено». Так как скорости взаимных соударений растут при приближении к планете, возле каждой планеты имеется область, где частицы, достигнув определённых размеров, начинают разваливаться от взаимных столкновений. Миллиарды лет соударений — и 10-метровые частицы дошли до такого рыхлого состояния, что рассыпаются от малейшего толчка на скорости миллиметр в секунду! Любая крупная частица за несколько дней или недель проходит полный цикл от разрушения до восстановления.

Эта взаимная конкуренция, не дающая образоваться крупным спутникам, ослабевает по мере удаления от планеты, и на некотором расстоянии часть вещества превращается в спутники, а часть всё ещё пребывает в раздробленном состоянии — в виде кольца. Кстати, кольца за время своего существования сделали уже триллион оборотов — гораздо больше, чем спутники или планеты по своим орбитам. Суммарная масса ледяных колец Сатурна сравнима с массой его спутника Мимаса, радиус которого 200 км.

Почему кольца плоские? Их сплющивание — это результат противоборства двух основных сил: гравитационной и центробежной. Гравитационное притяжение стремится сжать систему со всех сторон, а вращение препятствует сжатию поперёк оси вращения, но не может помешать её сплющиванию вдоль оси. Таково происхождение различных космических дисков, включая планетные кольца.

3.  «Спицы»

В кольцах Сатурна наблюдаются необычные образования — «спицы», представляющие собой светлые и тёмные полосы, идущие поперёк колец. Впервые спицы были обнаружены аппаратами серии «Вояджер».

Это позволило предположить, что области "спиц" содержат очень мелкие пылевидные частицы. Область, где наблюдаются "спицы", перекрывает зону кольца, обращающуюся вокруг Сатурна с такой же скоростью, как его магнитное поле. Это, по мнению некоторых ученых, может объяснить устойчивость спиц, несмотря на различную скорость движения частиц.

Поскольку кольцо Сатурна не является единым телом и внутренние слои вращаются вокруг планеты быстрее внешних, то спицы должны быстро разрушаться, однако этого не происходит.

Хотя спицы не являются долговечными образованиями, они могут существовать существенно дольше, чем можно было бы предположить, исходя из законов небесной механики. Высказаны гипотезы о влиянии электростатических либо гравитационных сил на формирование спиц.

Заключение.

В своей работе я попытался обобщить результаты, полученные "Пионером", "Вояджером" и «Кассини», о Сатурне и его кольцах.  По этим данным была построена планетоцентрическая система координат и уточнена теория колец Сатурна. В связи с этим появились новые перспективы развития космической геодезии.

С вою работу я хочу завершить стихами современного поэта Алены Сократовой написанными о Сатурне в 1992году:

Песок пересыпается - и снова
Земля грустит, и наступает вечер.
Я - мира абсолютная основа,
Я - вечен.
Как первый снег, пройду, не умирая,
Вам тяжкое не оставляя бремя.
Я судьбами всецело управляю,
Я - время.
О мудрецы, которых так немного!
Мой черный камень - мудрости награда.
Я - истина - вас приближаю к Богу,
Я - правда.
...Пересыпается песок столетий.
Земля грустит, и наступает вечер.
Я - то, что вам нужней всего на свете,
Я - вечен.

Cписок использованных источников

1. http://galspace.spb.ru /index49.html

2. http://galspace.spb.ru/index117.html

3. http://galspace.spb.ru/index173.html

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/