КАРТА САЙТА

Строение и жизнь Вселенной

А.В. Галанин © 2012

© Галанин А.В. Cтроение и жизнь Вселенной // Вселенная живая [Электронный ресурс] – Владивосток, 2012. Адрес доступа: http://ukhtoma.ru/universe1.htm Предисловие || 1. Структура галактик || 2. Эволюция галактик и звезд в галактиках || 3. Галактика Млечный Путь || 4. Гравитационное взаимодействие звезд и планет в Галактиках || 5. Строение и свойства Метагалактики || 6. Солнечная система (общая характеристика) || 7. Происхождение Солнечной системы || 8. Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля || 9. Планеты земной группы: Марс, Церера – карликовая планета из Пояса Астероидов || 10. Планеты гиганты: система Юпитера || 11. Планеты гиганты: система Сатурна || 12. Планеты гиганты: система Урана || 13. Планеты гиганты: система Нептуна || 14. Облако Оорта и Пояс Койпера. Плутоноиды || 15. Экзопланеты || 16. Свободные планеты Галактики || 17. Жизнь на Земле старше Солнечной системы|| 18. Как черные дыры порождают галактики || 19. Чёрные дыры и круговорот материи во Вселенной

 

Глава 12. Планеты гиганты: система Урана

Уран – седьмая по удаленности от Солнца, третья по диаметру и четвёртая по массе планета Солнечной системы. Уран был открыт в 1781 г. и назван в честь греческого бога неба. Несмотря на то, что порой Уран различим и невооружённым глазом, древние наблюдатели никогда не признавали Уран за планету из-за его тусклости и медленного движения по орбите.

Уран имеет небольшое твердое железно-каменное ядро, над которым сразу начинается плотная атмосфера. Никаких океанов на Уране, по-видимому, нет. Такое строение планеты называют двухслойным. Температура в ядре достигает 7000° К, а давление – 6 млн. атмосфер. Эффективная температура Урана 59° К, что лишь немного превышает ту температуру, которую он должен иметь под влиянием солнечного тепла. Возможно, обедненность легкими газами – это следствие недостаточной массы зародыша планеты, и в ходе образования Уран не смог удержать возле себя большее количество водорода и гелия. А может быть, в месте, где Уран обретал свою атмосферу, было мало легких газов. Ответы на вопросы о строении системы Урана могут пролить свет на историю всей Солнечной системы. Атмосфера на Уране мощная, глубиной не менее 8000 км, имеет следующий состав: водорода 83%, гелия 15% и метана 2%. В атмосфере едва различимы быстро перемещающиеся полосы облаков. Ветры в средних широтах (ураганы) дуют со скоростью от 40 до 160 м/сек (на Земле самые быстрые потоки в атмосфере перемещаются со скоростью около 50 м/сек). Судя по составу, атмосфера Урана так же, как Сатурна и Юпитера, – первичная, т.е. максимально соответствует составу галактических облаков.

Уран – седьмая планета от Солнца и третья по величине. Уран больше по размерам, но меньше по массе, чем Нептун. Фото с сайта: http://900igr.net/

Метан, ацетилен и другие углеводороды в атмосфере планеты содержатся в значительно больших количествах, чем на Юпитере и Сатурне. Предполагают, что зима и лето на Уране сильно различаются: одно его полушарие зимой на долгое время совсем отворачивается от Солнца, а потом на столько же времени бывает повернуто к Солнцу. При этом самые теплые места на Уране находятся на полюсах. Летом на полюсе Солнце стоит в зените. Но Уран получает солнечного тепла в 370 раз меньше, чем Земля, так что и летом там тоже не бывает жарко. Дневная освещенность на Уране соответствует земным сумеркам сразу после захода Солнца. Минимальная температура 53° К наблюдалась на уровне атмосферы, где давление составляет 0,1 бар. Выше и ниже этого уровня температура повышается. Температура атмосферы на уровне, где давление 2,3 бара, достигает 100° К. Уран имеет почти такое же магнитное поле, как Земля. На уровне облаков напряженность магнитного поля равна 0,23 Гс. Но конфигурация этого магнитного поля очень сложная. Компас на Уране не будет показывать на географический полюс. На Уране в верхней части его атмосферы наблюдаются «полярные» сияния. Масса планеты Урана определена по его гравитационным воздействием на свои спутники. Хотя по объему Уран в 60 раз больше Земли, масса его лишь в 14,5 раз превышает земную. Средняя плотность Урана чуть больше чем у воды – 1,27 г/см3. Диаметр ядра в 1,5 раза больше диаметра Земли.

Кольца Урана были обнаружены в 1977 г. во время закрытия им яркой звезды. Система его колец состоит из девяти плотных, узких и далеко отстоящих друг от друга темных колец. Ширина их небольшая: самое широкое внешнее кольцо имеет размер 96 км. У Урана имеется магнитосфера и много спутников. Спутниковая система его лежит в экваториальной плоскости планеты, то есть почти перпендикулярна к плоскости его орбиты. Внутренние 10 спутников маленькие, скорее всего, это астероиды, относительно недавно (по космическим меркам) захваченные из пояса Койпера.

Загадкой Урана является необычное направление оси его вращения, которая наклонена на 98° к плоскости его орбиты так, что ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты. Поэтому движение Урана вокруг Солнца совершенно особенное – он буквально катится вдоль своей орбиты, и при этом вокруг него вращаются его спутники.

Синий цвет Урана является результатом поглощения красной части спектра метаном в верхней части его атмосферы. Вероятно, существуют облака и других цветов, но они спрятаны перекрывающим их слоем метана. На мой взгляд, такое предположение не очень убедительно, ведь метан тяжелее водорода, поэтому в верхнюю часть атмосферы подняться не может.

У Урана 5 больших спутников: Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон. Орбиты 12 спутников близки к круговым, но 2 небольших спутника, открытых в 1997 г., движутся по неустойчивым, сильно вытянутым орбитам, это тела явно попали в эту систему из облака Койпера не очень давно. Рис. с сайта: http://www.astrolab.ru/

Уран вращается вокруг Солнца "лежа", поэтому на одном полюсе, обращенном к Солнцу день, а на противоположном – ночь. На ночной стороне видны то ли электрические разряды, то ли полярное сияние. Эта планета, как Сатурн и Юпитер, имеет кольца, состоящие из вращающихся по орбите вокруг планеты бесчисленных глыб, по-видимому, водяного льда. Фото с сайта: http://kosmos-x.net.ru/photo/16-0-194-3 Остальные известные малые спутники Урана имеют неправильную форму: Корделия, Офелия, Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Порция, Розалинда, Купидон, Белинда, Пердита, Маб, Франциско, Калибан, Стефано, Тринкуло, Сикоракса, Маргарита, Просперо, Сетебос, Фердинанд.

Внутренние 10 спутников Урана маленькие, четыре из них образуют пары, вращающиеся вокруг Урана по одной орбите – Джульета и Порция, Дездемона и Кресида. Самый большой спутник Урана – Титания (не путать с Титаном Сатурна!). На поверхности Титании огромное количество кратеров. Стенки некоторых каньонов кажутся светлыми, так как, вероятно, покрыты льдом. Другой крупный спутник – Оберон. Оберон и Титания очень похожи друг на друга. Их радиусы приблизительно вдвое меньше радиуса Луны. Поверхность Оберона также покрыта кратерами и сеткой тектонических разломов с признаками древнего вулканизма. Через все южное полушарие Оберона проходит широкая тектоническая долина. Температура на поверхности спутников Урана очень низкая, около 60° К.

Внутреннее строение Урана. Схема с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Ширина внутренних колец Урана – от 1 до 10 км, только внешнее кольцо имеет ширину 96 км. По состоянию на 2008 год было известно 13 отдельных колец. Минимальный радиус имеет кольцо, находящееся от Урана на расстоянии 38 000 км, а максимальный – приблизительно на расстоянии 98 000 км. Между основными кольцами могут находиться слабые пылевые кольцевые скопления и незамкнутые арки. Кольца чрезвычайно тёмные, вероятно, состоят из водяного льда с включениями органики, причем из частиц не крупнее нескольких метров в поперечнике. Каждое кольцо движется практически как единое целое. Проблема устойчивости колец Урана остается пока неразрешенной. Планетные кольца – это закономерность в спутниковых системах планет-гигантов.

Структура колец Урана и орбиты его внутренних спутников. Схема с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Перечислим основные проблемы физики планетных колец. Классические модели формирования колец предполагали, что кольца – это область приливного разрушения крупных тел. Но после полетов «Вояджеров» стало ясно, что для образования частиц наблюдаемых размеров (10 м) приливные силы слишком слабы. Вопрос о причинах существования колец оказался прямо связан с механическими характеристиками типичной частицы. Иерархическая структура колец составлена по принципу «матрешки»: широкие кольца состоят из системы более узких колец. До сих пор не существует теории, объясняющей наличие такой иерархической структуры. Ясно одно – это отражает некий ритмический процесс, в результате которого тела в кольца поступали не по одному, а порциями. При этом все тела в одной порции имели определенное количество кинетической энергии. Можно предположить, что каждое элементарное колечко состоит из частиц, образовавшихся при разрушении одного астероида. Почему не разрушаются кольца? Точнее, почему они так долго не разрушаются? Данные «Вояджера-2» подтвердили гипотезу о резонансной природе колец Урана. Это придает системе колец гравитационную устойчивость. Частицы между собой в пределах кольца и кольца между собой гравитационно связаны так, что поддерживают друг друга. Этакая "круговая порука" существует у них. Также поддерживают друг друга на орбитах и спутники, особенно когда находятся в гравитационном резонансе друг с другом.

Считается, что кольца Урана относительно молоды, их возраст не превышает 600 млн. лет. Кольцевая система Урана, вероятно, произошла от столкновений спутников, ранее обращавшихся по орбите вокруг планеты. До сих пор не ясен механизм, удерживающий узкие кольца в их границах. Первоначально считалось, что у каждого узкого кольца есть пара «спутников-пастухов», которые и поддерживают его форму, но в 1986 году «Вояджер-2»обнаружил только одну пару таких спутников – Корделию и Офелию, которые вращаются по своим орбитам по обе стороны самого яркого кольца.

Планета Уран в окружении колец. Виден один из его больших спутников. Фото с сайта: ttp://www.ezo-online.ru/publ

Первооткрывателем колец Урана все же является Уильям Гершель, который впервые упомянул о кольцах в записи от 22 февраля 1789 года. Гершель предположил, что они красного цвета (что было подтверждено только в 2006 году). Записи Гершеля попали в журнал Королевского общества в 1797 году. Но на протяжении двух столетий – с 1797 по 1979 год, – ученый мир не признавал наличие кольц у Урана. Важной и пока нерешённой физической проблемой остаётся разрешение загадки механизма, удерживающего границы колец. Если бы такой механизм отсутствовал, то частицы кольца разлетелись бы в разные стороны. Кольца Урана, вероятно, постоянно пополняются новыми фрагментами – результатами столкновений между более крупными телами, находящимися на орбитах спутников. По некоторым оценкам, время разрушения спутника размером с Пак может составлять несколько миллиардов лет, но спутник меньших размеров разрушится гораздо быстрее. Таким образом, возможно, что все внутренние и внешние кольца Урана являются продуктом разрушения его спутников размером меньше Пака в течение последних 4,5 миллиардов лет. Каждое такое разрушение давало начало целому каскаду столкновений, которые размололи все большие тела в намного меньшие частицы, включая пыль. В конечном счёте, большая часть массы была бы утеряна, а частицы сохранились только в областях, которые были стабилизированы взаимными гравитационными резонансами друг с другом и с ближайшими спутниками, так называемыми «пастухами». Конечным продуктом такой эволюции и стала система из узких колец, однако при этом некоторые маленькие спутники должны были сохраниться в пределах колец. Их поперечник может быть около 10 км.

Происхождение пылевых полос более ясное. Время существования пыли очень короткое, от ста до тысячи лет, и по-видимому, она непрерывно пополняется в результате столкновений между большими телами в кольцах, маленькими спутниками и метеороидами, попавшими в систему Урана извне.

Титания

Титания – крупнейший спутник в системе Урана и восьмой по массивности спутник в Солнечной системе. Титания была открыта Уильямом Гершелем 11 января 1787 г. (через 6 лет после открытия им Урана). Название предложил сын У. Гершеля Джон Гершель в 1852 г. Идея дать названия спутникам Урана возникла после открытия Ариэля и Умбриэля Уильямом Ласселлом, который и попросил Джона Гершеля дать названия четырем спутникам.

Все спутники Урана носят имена героев произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Титания названа в честь царицы фей из пьесы «Сон в летнюю ночь». Этот спутник также известен под обозначением «Uranus III». Титанию не следует путать со спутником Сатурна Титаном и одноимённым астероидом Титания из Пояса Астероидов.

Титания на 50% состоит из водяного льда, на 30% из горных пород и на 20% из соединений метана. Атмосфера на Титании отсутствует. На ней немного древних больших ударных кратеров, но тем не менее самый крупный среди всех спутников Урана кратер Гертруда находится именно на Титании. На Титании много мелких, вероятно, ударных кратеров. Огромный кратер и серия разломов на поверхности позволяют говорить о том, что Титания когда-то обладала высокой геологической активностью и что самая древняя ее поверхность не сохранилась.

Значительная часть поверхности этого спутника изрезана системой каньонов и пересекающихся извилистых разломов. Некоторые из них окружены светлыми отложениями. По данным поляриметрических измерений, поверхность Титании покрыта слоем пористого материала. По одной из гипотез, это водяной иней, конденсировавшийся на поверхности после излияний жидкости из разломов. Гигантский каньон почти 1000 км в длину гораздо больше земного Большого каньона и сравним с разломом «Долина Маринер» на Марсе.

В январе 1986 г. Титания была исследована космическим аппаратом «Вояджер-2», который пролетал в 365 200 км от нее. Удалось изучить только южную, освещённую Солнцем часть спутника. Северная часть была погружена в полярную ночь, которая на Титании длится 42 года.

Спутник Урана Титания. Фото с сайта: http://sevastopolfm.ru/viewtopic.php?f=33&t=84

Спутник Урана Титания. Фото с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Орбита Титании полностью находится внутри магнитосферы Урана и потому полушарие, находящееся на стороне, обратной движению системы Урана вокруг Солнца, деформируется магнитосферной плазмой, которая также вращается вокруг планеты. Данная бомбардировка приводит к затемнению данного полушария, и подобное затемнение наблюдается практически у всех спутников Урана, за исключением Оберона.

Спутник Титания движется по орбите вокруг Урана на расстоянии около 436 000 км, орбита имеет небольшой наклон относительно экватора Урана. Полный оборот Титания совершает примерно за 8,7 дней, и он совпадает с периодом ее вращения вокруг своей оси. Таким образом, Титания – это синхронный спутник Урана, находящийся в гравитационном резонансе с планетой и всегда повернутый к нему одной и той же стороной.

Так как Уран вращается вокруг Солнца на боку, а орбиты его спутников находятся в экваториальной плоскости планеты, то северный и южный полюса Титании 42 земных года находятся в полной темноте и 42 земных года – в непрерывном солнечном свете. Пролет «Вояджера-2» над Титанией в 1986 г. совпал с летним солнцестоянием над южным полюсом, тогда как северный полюс был практически в полной темноте.

Плотность Титании – 1,71 г/см³, намного выше типичной плотности спутников Урана, из чего можно сделать вывод, что спутник этот состоит предположительно на 50% из водного льда, на 30% из горных пород и на 20% из соединений метана. Водного льда больше на ведущем полушарии Титании, направленном в сторону движения спутника по орбите, чем на обратном полушарии. На Обероне же, наоборот, полушарие, направленное в противоположную движению спутника по орбите сторону, содержит большее количество водного льда. Причины этой асимметрии пока неизвестны.

Помимо воды, на Титании есть углекислый газ, который расположен главным образом на полушарии, направленном в сторону, противоположную движению спутника по орбите. Происхождение углекислого газа также остается абсолютно необъяснимым. Скорее всего, оно связано с прошлой вулканической активностью Титании.

Радиус ядра Титании составляет около 520 км, это приблизительно 66% от общего радиуса, а масса ядра равна 58% всей массы Титании. Давление в центре этого спутника примерно 0,58 ГПа (5,8 кбар). Если лёд содержит достаточное количество аммиака или любого другого антифриза, то у Титании может быть слой жидкого океана на границе ледяной мантии с ядром. Глубина океана, если он существует, может доходить до 50 км, а его температура составит около 190° К.

Поверхность Титании слабее испещрена кратерами, чем поверхности Оберона или Умбриэля, что говорит о её молодости по сравнению ними. Диаметр кратеров колеблется от нескольких километров до 326 км для Гертруды. Некоторые кратеры окружены веществом, состоящим из водного льда. У всех больших кратеров на Титании имеется плоское дно и остроконечные пики в центре. Единственное исключение – кратер Урсула, у которого в центре расположена яма. К западу от кратера Гертруда расположена область с нерегулярной топографией.

Поверхности Титании изрезана разломами и обрывами, являющимися результатом относительно поздних изменений. В некоторых местах параллельные обрывы (уступы) формируют грабены, которые иногда называют каньонами. Самым большим каньоном Титании является Мессинский каньон (Messina Chasma), достигающий почти 1500 км в длину и тянущийся с экватора практически до южного полюса. Поверхность вокруг каньонов покрыта слоем пористого вещества. По одной из гипотез, это водный иней, конденсировавшийся на поверхности после излияний жидкости из трещин. Обрывы, не связанные с каньонами, называют рупесами, как например, Руссильона Рупес, находящийся возле кратера Урсула.

На Титании возможны извержения жидкости из ее недр (криовулканизм). Грабены на Титании имеют 20–50 км в ширину и тянутся на 2–5 км. Это, вероятно, самые молодые тектонические образования. Растрескивание коры было вызвано глобальным расширением Титании примерно на 0,7%.

Этот спутник может обладать незначительной сезонной атмосферой, состоящей из углекислого газа. Другие газы (азот, метан) вряд ли смогут удерживаться слабой гравитацией Титании. При максимальной температуре в 89° К, достижимой летом, на Титании давление двуокиси углерода составляет около 3 нбар. На зимнем полюсе углекислота замерзает и выпадает в виде сухого снега на поверхность, при этом ветер дует в сторону холодного полюса. Когда на этом полюсе наступает лето, то углекислый снег испаряется, давление атмосферы растет, и ветер дует в другую сторону.

Миранда

Миранда – самый близкий к Урану и наименьший из пяти его больших спутников. Расстояние от Урана до Миранды 129 873 км, диаметр ее около 470 км, сидерический период обращения 1,4 земных суток. Миранда всегда повёрнута к Урану одной стороной. Температура на поверхности –187°C. Плотность 1,2 г/см³. Миранда состоит в основном из водяного льда, меньше трети приходится на горные породы и метан. Шарообразная форма Миранды говорит о том, что тяжелое ядро у нее есть, хотя и небольшое. Миранда была обнаружена в 1948 г. Джерардом Койпером и названа в честь персонажа пьесы Шекспира дочери Просперо – Миранды. Этот спутник был сфотографирован с близкого расстояния при пролёте космического аппарата «Вояджер-2» через систему Урана в январе 1986 года. Удалось изучить только южное полушарие, потому что северное было погружено во тьму.

Спутник Урана Миранда – самый красивый и загадочный спутник Урана, удаленный от него на 129 872 км. Фото с сайта: http://astrometric.sai.msu.ru/stump/html/3_047.html

Мегаструктуры на поверхности Миранды. Фотосхема из файла: Geographic Sketch Map Of Miranda-RUS.png (Александр Русский, 2011) Поверхность Миранды имеет огромные шрамы – вероятно, это следы былых столкновений с другими массивными космическими телами. Похоже, что таких столкновений было несколько, и они сопровождались расплавлением вещества на поверхности Миранды. При этом, судя по шрамам, сталкивалась она с космическими телами немалыми.

Миранда обращается вокруг Урана по практически круговой орбите, у нее орбитальный резонанс с Умбриэлем 3:1 и, вероятно, орбитальный резонанс с Ариэлем 5:3. Из-за орбитального резонанса с Умбриэлем, возможно, увеличился эксцентриситет орбиты Миранды, способствуя внутреннему нагреванию и геологической активности этого спутника. Спутники Урана могут очень легко уходить от более слабого (по сравнению с Сатурном или Юпитером) резонанса в своем движении. Миранда уклонилась от резонанса (через механизм, который, вероятно, и привёл её орбиту к аномально высокому наклону).

Ландшафт Миранды. Фото с сайта: http://www.astrolab.ru/cgi-bin/galery.cgi?id=23&no=443

Орбита Миранды полностью находится в магнитосфере Урана, при этом Миранда всегда повёрнута к Урану одной стороной. Благодаря этому, вся полусфера безвоздушного спутника, находящаяся со стороны, направленной против движения спутника по орбите, подвергается бомбардировке магнитосферной плазмой, вращающейся совместно с планетой Уран. Такая бомбардировка может привести к потемнению поверхности полусферы, что и наблюдается на всех спутниках Урана, за исключением разве что Оберона. Каждые 42 года в системе Урана наступает равноденствие, в это время можно наблюдать с Земли взаимные покрытия его спутников. Несколько таких событий наблюдалось в 2006–2007 годах, в том числе покрытие Ариэля Мирандой и покрытие Умбриэля Мирандой. Примерно половину ее поверхности занимают яркие искривленные полосы, которые при ближайшем рассмотрении оказываются параллельными пучками желобов и гряд. В центре полученного изображения – почти правильная трапеция, образованная из темных и светлых полос. Трапеция выделяется на фоне окружающей ее поверхности меньшим количеством метеоритных кратеров, в то время как окружающий трапецию район представляет собой перерезанный небольшими рифтами кратерный рельеф. Трапеция получила условное название «шеврон». Его размеры 140х200 км (на снимках видны детали размерами от 4,6 км и выше). Полосы, образующие шеврон, имеют вид множества параллельных гряд, которые сходятся с другой такой же системой, образуя почти прямой угол. Странное продолжение шеврона – это глубокий, до 20 км, разлом, крутые склоны которого уходят за пределы освещенной части спутника. Шеврон находится у южного полюса Миранды.

Не менее загадочные образования, возможно той же природы, находятся вблизи ее экватора. Первое из них окантовано такой же системой светлых и темных полос, но более широких, чем у шеврона. Похоже, что отснятая часть этого объекта образует стороны правильного пятиугольника, по площади раз в 5 больше шеврона. Для него, как и для еще одного объекта, о котором речь пойдет ниже, предложено название Цирки Максими – «большой стадион». Третье образование больше напоминает дорожки ипподрома. И на «стадионе», и на «ипподроме» почти отсутствуют метеоритные кратеры, т. е. это относительно молодые структуры поверхности. Второе образование находится с диаметрально противоположной стороны спутника. Оно напоминает очертания «стадиона» и выглядит, словно след пахоты на краю поля. Это примерно 15–20 параллельных торных гряд, разделенных такими же долинами, повторяющимися через каждые 5–7 км. Этот «ипподром» очень напоминает систему субпараллельных борозд на Ганимеде. По образному выражению одного из геологов, маленькая Миранда предоставила коллекцию всех геологических форм, какие только встречаются в Солнечной системе.

Модель рельефа Миранды по фотографии, полученной «Вояджером-2». Рис. с сайта: http://www.powerwriter.ru/cosmos030.htm Чтобы объяснить природу поверхности Миранды, выдвинуто много гипотез. Одна из них предполагает, что первичное тело было расколото в крупных столкновениях, но части не разошлись, а соединились снова, обнажив внутреннюю структуру небесного тела. Однако остается непонятным, почему сохранились ударные кратеры на остальных частях поверхности спутника. Другая гипотеза допускает, что существовал неравномерный разогрев недр Миранды. Локальное плавление коры обнажило плиты, обладавшие положительной плавучестью, которые мы теперь видим на поверхности спутника.

Вид на планету Уран с Миранды. Рисунок с сайта: http://www.powerwriter.ru/cosmos030.htm

Поверхность Миранды, вероятно, состоит из водяного льда, смешанного с соединениям силикатов, карбонатов и аммиака. У спутника есть небольшой наклон плоскости орбиты (4,338°) по отношению к экватору Урана. Удивительным является тот факт, что этот маленький спутник, который мог быть только замороженным инертным телом, обладает довольно разнообразными формами поверхности. Здесь можно наблюдать просторные холмистые равнины, испещренные кратерами и пересечённые сетью крутых разломов и каньонов. На Миранде действовали приливные силы, сработал механизм орбитальных резонансов и гравитационной дифференциации, происходила конвкция вещества недр, расширение плато и криовулканизм.

Среди спутников есть чёткое разделение по форме: 1) шарообразные или близкие к шарообразным, и 2) неправильной формы. Между массой спутника и его формой существует четкая связь. Спутники диаметром более 400 км имеют сферическую или близкую к сферической форму. При среднем радиусе 235 км Миранда находится на границе между малыми бесформенными и крупными шарообразными спутниками. Она обладает наименьшей плотностью среди основных спутников Урана. Её плотность 1,15 ± 0,15 г/см³, что довольно близко к плотности льда. Наблюдения поверхности в диапазоне инфракрасного излучения позволили обнаружить на ней наличие водяного льда, смешанного с соединением силикатов и карбонатов, а также аммиака (NH₃) в пропорции 3%. Миранда, вероятно, дифференцирована на силикатное ядро, обёрнутое мантией, состоящей из водяного льда. В этом случае толщина мантии составила бы 135 км, а радиус ядра –около 100 км.

На Миранде не найдено сложных кратеров с центральными горками или кратеров, опоясанных множеством колец. Выбросы из недр спутника редки, и на Миранде они не наблюдались в кратерах, диаметр которых более 15 км. Выбросы, окружающие иногда кратеры диаметром менее 3 км, кажутся светлее, чем материал, который их окружает. С другой стороны, выбросы кратеров, диаметры которых колеблются от 3 до 15 км, кажутся темнее, чем окружающий их материал. И, наконец, альбедо выбросов для некоторых кратеров (независимо от их диаметра) равно альбедо материала, окружающего эти кратеры.

Скорее всего, ледяная кора Миранды расплавилась от удара крупных астероидов, и на поверхности этого ледяного шара образовывались временные водоемы, которые довольно быстро замерзали. Происходило сжатие тела Миранды, и молодой лед на поверхности этих водоемов сминался в складки, отчего и образовались все эти странные элементы рельефа. Ведь вода при замерзании расширяется, вот и происходило коробленье "молодого" льда. В конце концов, без подогрева изнутри водоемы промерзли до дна, оставшись страшными шрамами на поверхности Миранды.

 

Ариэль

Ариэль – спутник Урана, удаленный от планеты в среднем на 190,9 тыс. км. Ариэль была открыта в 1851 г. Уильямом Ласселом и названа в честь героини в произведении Шекспира «Буря». Период обращения спутника вокруг планеты – 2 земных суток 12 ч 29 мин. К Урану он обращен одной своей стороной. «Вояджер-2» в 1986 г. пролетел в 127 000 км от этого спутника. Как и у Титании, у Ариэли исследовать удалось только одну, освещённую Солнцем сторону.

Ариэль – самый светлый из крупных спутников Урана: он отражает 40% падающего на него света. Предположительно на 50% Ариэль состоит из водяного льда, на 30% из каменных пород и на 20% из метанового льда.

Спутник Урана Ариэль. «Вояджер-2» в 1986 году смог заснять только 35% поверхности Ариэли. Фото с сайта: http://vselenayaglrt.narod.ru/Ariel.html

Поверхность Ариэли более крупным планом. Объяснить эти каньоны иначе, чем тектоникой растрескавшейся коры, невозможно. На поверхности просматриваются новообразования, которые могли быть вызваны периодическим нагреванием глубин и расширением поверхности спутника.

Орбита Ариэли имеет малый эксцентриситет и небольшой наклон относительно экватора Урана. Орбитальный период составляет приблизительно 2,5 земных дня и совпадает с периодом вращения спутника вокруг своей оси, поэтому Ариэль всегда повернут к Урану одной и той же стороной. Орбита Ариэля целиком проходит внутри магнитосферы Урана. Благодаря бомбардировке магнитосферной плазмой, вращающейся совместно с планетой, полушарие Ариэли, повернутое в сторону противоположную орбитальному движению, имеет более темный цвет. Данная особенность характерна для всех спутников Урана, за исключением Оберона. Полюса Ариэли 42 года находятся в космической тьме и 42 года в солнечном свете, и Солнце над полюсами восходит близко к зениту при каждом солнцестоянии.

В настоящее время у Ариэли нет орбитального резонанса ни с одним из спутников Урана. В прошлом, вероятно, был резонанс 5:3 с Мирандой, который и мог быть причиной нагревания последней (хотя максимальное нагревание поверхности Миранды из-за её резонанса 1:3 с Умбриэлем было приблизительно в три раза больше). Ариэль, вероятно, когда-то находилась в резонансе 4:1 с Титанией, от которого позже ушла. Спутникам Урана гораздо проще уйти от орбитального резонанса, чем аналогичным по массе спутникам Сатурна и Юпитера. Это могло привести к разогреву поверхности Ариэли на 20° К.

Плотность Ариэли составляет 1,66 г/см³, спутник состоит примерно из равных частей водного льда и горных пород. Последние могут состоять из камня и углеродистого материала, в том числе из тяжёлых органических соединений, называемых толинами. На поверхности обнаружены кристаллы водяного льда. Полосы водяного льда на переднем полушарии выражены сильнее, чем на заднем полушарии. Причины такой асимметрии неизвестны, но предполагается, что это может быть вызвано бомбардировкой поверхности заряженными частицами из магнитосферы Урана, которая более выражена на заднем полушарии. Эти ионы, как правило, распыляют водный лёд, разлагая содержащийся в нем метан и оставляя после себя тёмный остаток, богатый углеродом.

На поверхности Ариэли помимо воды был обнаружен углекислый газ, который сконцентрирован в основном на заднем полушарии спутника. Происхождение углекислого газа не вполне ясно. Возможно, он образовался на спутнике из карбонатов или органических веществ под влиянием ионов, попадающих на поверхность из магнитосферы Урана или под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения. Другая возможная причина появления углекислоты на поверхности – дегазация недр с выделением первичного CO₂, смешанного с водяным льдом. Таков состав недр Ариэли. Выделение CO₂ из недр спутника также может быть результатом его геологической активности.

Тело Ариэли может быть дифференцировано на каменное ядро и ледяную мантию. Радиус ядра около 370 км, что составляет примерно 64% радиуса спутника, а масса ядра – 56% от всей его массы. Давление в центре Ариэли, предположительно, составляет около 0,3 ГПа (3 кбар). Существование подземного жидкого океана на Ариэли считается маловероятным, хотя и не исключается.

Ариэль испещрёна извилистыми каньонами и разломами. Долины на Ариэли – это широкие грабены, отходящие от каньонов. Имеются обширные области с небольшим количеством ударных кратеров. Это говорит о геологической активности спутника по крайней мере в относительно недавнем прошлом. Поверхность Ариэли во многих местах покрыта отложениями очень светлого материала – по-видимому, водяного инея. Высота стенок рифтовых долин достигает 10 км. Некоторые области гладкие, вероятно, покрыты жидкой грязью, что может свидетельствовать о потоках жидкости в геологически недавнем прошлом. Это могут быть и пластичные льды (подобно медленно текущим ледникам на Земле), но при столь низких температурах для достижения пластичности водяной лёд должен быть смешан с аммиаком или метаном. Не исключено наличие криовулканизма.

Источник энергии, поддерживающий геологическую активность Ариэли, остается непонятен, так как приливные взаимодействия ее с другими небесными телами вроде бы отсутствуют.

Каньоны, известные как чашматы, вероятно, представляют собой грабены, сформированные в результате глобального растяжения коры, могущего быть вызванным замерзанием воды, при котором объем вещества увеличился. Каньоны в основном направлены от центра южного полюса на восток или северо-восток и составляют 15–50 км в ширину. Дно многих каньонов выпукло и возвышается на 1–2 км. Иногда дно отделено от стен каньона канавками (желобами) около 1 км в ширину. У самого широкого грабена есть углубления, простирающиеся вдоль гребней их выпуклого дна. Самый длинный каньон Ариэли – Качина Чашма – имеет протяженность более 620 км.

Другим типом ландшафта является местность, состоящая из горных хребтов и впадин длиной в сотни километров. Внутри каждой группы хребтов (шириной от 25 до 70 км) отдельные гребни и впадины достигают длиной до 200 км и располагаются на расстоянии от 10 до 35 км друг от друга. Рельефная местность часто продолжается каньонами.

Самым молодым типом ландшафта на Ариэли являются равнины – относительно низменные гладкие области, которые сформировались за длительный период времени. Равнины располагаются на дне каньонов и в нескольких низинах между кратерированными областями. Они отделены от кратерированных областей резкими границами. Эти образования напоминают щитовидные вулканы на Земле. Извергнувшаяся жидкость была очень вязкой, возможно, состоящей из переохлажденной воды, точнее, аммиачного раствора, с возможным содержанием твёрдых охлаждённых вулканических пород. Толщина этого потока криолавы составляет 1–3 км.

Ариэль довольно равномерно (по сравнению с другими спутниками Урана) покрыта кратерами, а относительная малочисленность крупных кратеров даёт основание предположить, что формирование ее поверхности не совпадает со временем формирования Солнечной системы. Это значит, что та поверхность Ариэли, которую мы можем наблюдать в данный момент, была воссоздана в какой-то из последних периодов ее истории. Геологическую деятельность и тектоническую активность Ариэли, как полагают, стимулировало приливное ускорение в тот период, когда орбита спутника имела больший эксцентриситет, чем в настоящее время.

Большой кратер Йангоор на Ариэли – всего 78 км в поперечнике и имеет признаки последующей деформации. У всех больших кратеров на Ариэли имеется плоское дно и центральный пик, и лишь немногие из кратеров окружены светлыми залежами извержений. Многие кратеры многоугольные, что указывает на их более позднюю деформацию. В кратерированных областях имеются большие (приблизительно 100 км в диаметре) светлые пятна. На поверхности Ариэли на 10° ю. ш. 30° в. д. имеется круглая впадина 245 км в диаметре, происхождение которой пока неизвестно.

 

Оберон

Оберон – пятый крупный спутник Урана – был открыт Уильямом Гершелем в 1787 г., через 6 лет после открытия им Урана. Оберон назван в честь царя фей и эльфов из пьесы Уильяма Шекспира «Сон в летнюю ночь». В январе 1986 года «Вояджер-2» пролетел в 470 600 км от него. Удалось изучить только южную часть спутника (северная была погружена в полярную ночь длительностью, как и день, в 42 земных года). Его диаметр составляет почти половину диаметра Луны. Оберон состоит, предположительно, на 50% из водяного льда, на 30% из горных пород и на 20% из соединений метана и азота. При сверхнизких температурах, характерных для спутников Урана, лёд здесь имеет особую структуру, подобную структуре силикатных горных пород, только с меньшим удельным весом.

Поверхность спутника покрыта кратерами. Вокруг кратеров имеются светлые лучи – выбросы снега или льда. Диаметры кратеров от нескольких до 206 км в диаметре (кратер Гамлет). Крупные кратеры имеют тёмное дно, что, возможно, указывает на их криовулканическое происхождение, когда сквозь образовавшиеся разрывы в ледяной коре на поверхность изливалась загрязнённая вода, которая при застывании образовала тёмную молодую ледяную поверхность.

Спутник Урана Оберон. Это самый далекий и второй по размерам среди больших спутников Урана. Это лучший снимок Оберона, сделанный «Вояджером-2» в 1986 г. с расстояния 666 000 км. Разрешение 12 км. Ясно видны несколько кратеров на ледяной поверхности со светлыми лучами, подобными тем, что видны на спутнике Юпитера Каллисто. Фото с сайта: http://sevastopolfm.ru/viewtopic.php?f=33&t=84

Оберон. Названия некоторых структур на поверхности. Диаметр – 1522,8 км, плотность – 1,63 г/см3, ускорение свободного падения – 0,35 м/сек за сек, период обращения – 13,46 земных суток, температура поверхности –198°C, атмосфера отсутствует, к Урану Оберон обращен одной стороной, масса 3,2·10 в 18 степени тонн. Фото с сайта: http://www.walkinspace.ru/index/0-147

Оберон обращается вокруг Урана за 13,5 земных суток. Миранда находится в 4,5 раза ближе к Урану и завершает один оборот за 1,4 сутки. Все спутники Урана движутся в радиационных поясах планеты, что приводит к постоянной бомбардировке их поверхности заряженными частицами.

Относительно высокая плотность Оберона объясняется его составом – примерно на 60% он состоит из водяного льда. Спутники Урана, как и Сатурна, ледяные, но отличаются несколько большей плотностью. В них содержится довольно много гидратированных силикатов; тяжелое ядро их может составлять половину диаметра или даже больше.

Более подробное изучение снимков показало, что через все южное полушарие Оберона проходит широкая долина, свидетельствующая о былых тектонических процессах. В ряде крупных кратеров видны частично заполнившие их затвердевшие темные потоки. По-видимому, на нем действовали и действуют мощные внутренние силы, связанные с потоками эндогенного тепла, которые периодически разрушали ледяную кору спутника и вызывали ее горизонтальные движения. Их следы мы видим теперь как разломы поверхности.

Орбитальный период Оберона совпадает с периодом вращения вокруг своей оси. Значительная часть орбиты находится вне магнитосферы Урана. В результате его поверхность подвержена воздействию солнечного ветра. А полушарие, направленное в сторону, обратную его движению по орбите, поражено еще и магнитосферной плазмой Урана. Бомбардировка магнитосферной плазмой Солнца и Урана прииводит к затемнению обоих полушария. Затемнение на других спутниках Урана, за исключением Оберона, одностороннее: вызвано только плазмой Урана.

Водного льда на полушарии, обращённом в сторону, противоположную движению спутника по орбите, намного больше, чем на ведущем полушарии, что отличает Оберон от остальных спутников Урана.

Давление в центре Оберона достигает приблизительно 0,5 ГПа (5 кбар). Агрегатное состояние ледяной мантии неизвестно. Если лёд содержит достаточное количество антифриза, то на Обероне может существовать жидкий океан на границе ядра и мантии. Толщина этого океана, если он существует, может быть приблизительно 40 км, а температура воды в нем может составлять около 180° K.

На поверхности этого спутника различают кратеры и чашматы – глубокие удлиненные каньоны с отвесными боковыми стенками, которые, вероятно, являются рифтовыми долинами. Поверхность Оберона, по сравнению с другими спутниками Урана, гуще покрыта кратерами, есть кратеры более старые и более молодые. Соотношение количества «старых» и «молодых» кратеров говорит о скорости обновления поверхности. Поверхность Оберона, по сравнению с другими спутниками Урана, более древняя.

Наибольшие горы на поверхности Оберона – высотой около 11 км, это центральный пик внутри большого бассейна с диаметром примерно 375 км. Поверхность Оберона пересечена системой каньонов, которая, однако, развита гораздо меньше, чем на Титании. Стенки каньонов обрывистые, так что разломы могут быть и недавними образованиями. На разломы наложены некоторые крупные кратеры, что говорит о том, что эти кратеры образовались позже разломов. Наиболее известный каньон Оберона – Моммур Чашма.

 

Умбриэль

Умбриэль была открыта Уильямом Ласселом в 1851 г. и названа в честь персонажа поэмы А. Поупа «Похищение локона». Это третий по размерам и самый темный из крупных спутников Урана, он отражает всего лишь 16% падающего на него света. Поверхность сильно кратерирована, но на нем нет кратеров со светлыми лучами, имеющихся на других спутниках Урана. Выделение тепла в недрах Умбриэли было недостаточным, чтобы вызвать плавление ее коры и гравитационную дифференциацию. Считается, что смесь льда и темных каменных пород осталась на поверхности в первозданном виде, а выбросы материала вокруг ударных кратеров неотличимы от основной поверхности.

Спутник Урана Умбриэль. Фото с сайта: http://www.walkinspace.ru/index/0-147

Основные параметры этого спутника следующие: средний радиус орбиты – 190 900 км, время обращения вокруг Урана и своей оси 4,1 земных суток, наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора Урана 0,26°, средний радиус – 579 км, средняя плотность 1,67 г/см3, ускорение свободного падения 0,27 м/сек за секунду, вторая космическая скорость – 0,56 км/сек, температура на поверхности –250°C. Вероятно, у этого спутника есть каменнное ядро и ледяная мантия. Он занимает второе место среди спутников Урана по количеству кратеров (после Оберона). Самый большой кратер имеет диаметр 210 км. Одна из главных отличительных особенностей Умбриэли – это необычный светлый круг около 140 км в диаметре на дне кратера Ванда. Это могут быть отложения инея или снега, образовавшиеся на месте падения метеорита. В настоящее время у Умбриэли нет орбитального резонанса ни с одним из спутников Урана. Однако когда-то у нее существовал резонанс 1:3 с Мирандой. Возможно, это увеличило эксцентриситет орбиты Миранды, способствуя внутреннему нагреванию и геологической активности Миранды, в то время как на орбиту Умбриэли это практически не повлияло.

Водяного льда на переднем полушарии на Умбриэли больше, чем на заднем полушарии. Причины такой асимметрии кроются, вероятно, в бомбардировке поверхности потоком заряженных частиц солнечного ветра. Высокоэнергичные частицы, как правило, распыляют водяной лёд, разлагая содержащийся в нем метан, и оставляют после себя темный остаток, богатый углеродом.

Помимо воды, на Умбриэли обнаружен углекислый газ, который сконцентрирован в основном на заднем полушарии. Происхождение углекислого газа не вполне ясно. Возможно, он образовался из карбонатов или органических веществ под влиянием заряженных частиц, попадающих на поверхность из магнитосферы Урана, или под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения. Эта гипотеза объяснила бы несимметричное распределение углекислого газа по полушариям. Повышенная концентрация углекислоты на заднем полушарии может быть вызвана тем, что оно подвержено более интенсивному влиянию магнитосферы по сравнению с передним полушарием. Другая возможная причина появления углекислоты на поверхности – дегазация мантии с выделением первичного CO₂, смешанного с водяным льдом в недрах спутника. Выделение CO₂ из недр спутника может быть результатом его геологической активности.

Существование подповерхностного океана на Умбриэли считается маловероятным. Альтернативная гипотеза о строении Умбриэли утверждает, что ее кора может полностью состоять из тёмной материи, которая мешает образованию заметных лучей у кратеров. Однако наличие белого кольца в кратере Ванда противоречит этой гипотезе.

Изначальная аккреция частиц на сверхплотное ядро Умбриэли, как и других тел солнечной системы, происходила за пределами Солнечной системы, затем в Солнечной системе в облаке Оорта, потом в поясе Койпера. Находясь на орбите вокруг Урана, Умбриэль уже не подвергалась интенсивным метеоритным бомбардировкам. Возможно, на какой-то стадии ее эволюции в Солнечной системе ее недра разогревались до такой температуры, что на границе ядра и мантии образовывался слой жидкой воды. Этому могла способствовать примесь антифризов в воде, например, гидрата аммиака и солей. На границе ядра с мантией мог образоваться слой жидкой воды (океан), насыщенный растворенным аммиаком. Температура этой смеси составляет 176° К. Если температура океана ниже этого значения, то он должен замерзнуть.

Среди всех спутников Урана Умбриэль наименее подвержена эндогенным процессам преобразования поверхности, хотя эти процессы могли оказать свое влияние на Умбриэль в начале его существования. К сожалению, сведения об Умбриэли до сих пор очень скудны и в значительной мере ограничены исследованиями, проведенными «Вояджером-2».

 

Пак

Спутник Урана Пак. Фото с сайта: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Пак – внутренний малый спутник планеты Уран – был открыт в 1985 году по снимкам, сделанным «Вояджером-2». Назван по имени эльфа из кельтской мифологии и английского фольклора, который является персонажем в пьесе Шекспира «Сон в летнюю ночь». Это крупнейший из внутренних спутников Урана. По размерам он занимает промежуточное положение между Порцией и Мирандой, наименьшей из пяти крупных спутников. Его орбита пролегает между орбитами этимх спутников. Больше ничего о Паке не известно. Среди спутников, открытых «Вояджером-2», сфотографировать удалось только Пак. Он имеет слегка вытянутую форму с соотношением поперечного размера к продольному 0,97 ± 0,04. Его поверхность густо усеяна кратерами и имеет серый цвет. Три кратера на поверхности Пака получили собственное название. Исследования космическим телескопом «Хаббл» выявили в спектре Пака линии поглощения водяного льда.

Вот, пожалуй, и все самое интересное, что известно на сегодняшний день о системе Урана. Далекий холодный странный мир! Но этот мир находится в нашей Солнечной системе. Если считать Землю комнатой этого дома, то Уран – это, пусть и дальняя, но комната в том же доме. Но комната эта почему-то перевернута набок!

---

При написании данной странички была также использована информация с сайтов:

1. Википедия. Адрес доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Сайт "Космос". Адрес доступа: http://kosmos-x.net.ru/index/0-66

3. Сайт "Астрогалактика". Адрес доступа: http://www.astrogalaxy.ru/048.html

4. Сайт "Парсек". Адрес доступа: http://parsek.com.ua/uran/

5. Сайт "Мировое пространство". Адрес доступа: http://www.walkinspace.ru/index/0-147

6. Сайт "Пространство Галактики". Адрес доступа: http://galspace.spb.ru/index53.html

7. http://www.walkinspace.ru/index/0-171

8. http://4d.mesanta.net/miranda.html