CC BY
91
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ И ДИСКУССИИ
УДК 52(15):061.2/.4
О ПРИРОДЕ КОЛЕЦ САТУРНА, ЮПИТЕРА И АСТЕРОИДНЫХ ПОЯСОВ
Байдаков Д.И., к.т.н., Жеребятьев В.И., к.т.н., Мирмович Э.Г. к. ф.-м. н. доц.
Академия гражданской защиты МЧС России
ABOUT NATURE OF SATURN'S & YUPITER'S RINGS AND ASTEROIDS' BELTS
Baidakov D.I., Zherebyatev V.I., Mirmovich E.G.
В работе сделана попытка объяснения образования т.н. колец у некоторых планет Солнечной системы. Отсутствие однозначной модели и даже версии по этой научной проблеме оправдывает публикацию дискуссионных материалов, позволяющих использовать их на семинарах таких учебных дисциплин, как физика и концепции современного естествознания.
«О, сколько нам открытий чудных готовит просвещенья дух!». Эти слова А. С. Пушкина с большой вероятностью мог произнести Г. Галилей тремя веками раньше, когда направил изготовленный им телескоп на звездное небо. Он увидел горы на Луне, спутники у Юпитера, пятна на Солнце. Однако скромные возможности его оптического инструмента не позволили ему понять истинную природу строения системы Сатурна, наиболее удаленной из известных в те времена планет. В своих дневниках Г.Галилей записал: «Внешнюю планету тройною наблюдал» и считал, что у Сатурна по обеим сторонам располагаются гигантские спутники (рис. 1).
Рис. 1. Старинные изображения вида Сатурна в телескоп
Лишь после постройки более мощных телескопов голландский физик Х. Гюйгенс вместе со спутником Титан в 1655 г. «открыл» кольцо у Сатурна (рис. 2). Затем в 1675 г. французский астроном Д. Кассини обнаружил деление в кольцах, т.н. «щель Кассини». Спустя почти 200 лет английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики Джеймс Клерк Максвелл в своих работах 1857-59 гг. теоретически исследовал устойчивость колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивы лишь в том случае, если состоят из не связанных между собой частиц (тел). Исследовал кольца Сатурна также американский математик и астроном Бенджамин Пирс (1809-80). Российский астроном А.А. Белопольский экспериментально доказал, что кольца не сплошное образование, а состоят из отдельных частиц и образований. Впервые применивший фотографию в астрономии американский астроном Дж.Ф. Бонд (1825-65) вместе со своим отцом У.К. Бондом открыл (1848) восьмой спутник Сатурна - Гиперион и креповое кольцо Сатурна (1850).
Российский математик С.В. Ковалевская теоретически исследовала форму колец Сатурна. Российский и украинский астроном С.К. Всехсвятский предсказал (1960) существование кольца вокруг Юпитера. И уже в наше время российский астрофизик А.М. Фридман (р. 1940) построил (1971-85) свою теорию планетных колец и предсказал открытые впоследствии малые спутники Урана.
Американский космический аппарат «Кассини», названный так в честь французского астронома, ставший в 2004 г. спутником Сатурна, исследовал его кольца в непосредственной близости.
На основании экспериментальных данных считается, что кольца планет представляют собой «рой» отдельных частиц или глыб, каждая из которых движется как самостоятельный спутник в соответствии с законами Кеплера. Данные, полученные космическими зондами, свидетельствуют о сложной структуре колец с существенными неоднородностями по их ширине.
Естественно, возникает вопрос о механизмах образования, стабильности колец и продолжительности их существования. Английский астроном У. Гершель, открывший Уран в 1781 г., спустя 8 лет изобразил его с кольцами и приписал: «Кольцо короткое, не такое как у Сатурна». Специалисты считают эту запись ошибкой: увидеть кольцо в его нынешнем виде Гершель не мог. Но удивляет ученых то, что кольцо у него показано в том ракурсе и на том месте, где оно действительно находилось в 1789 г. Не означает ли это, что кольца - динамически существующие образования с конечным временем жизни.
Рис. 2. Вид Сатурна в наземные телескопы
Сегодня кольцевые системы открыты не только у Сатурна (рис. 3 а), но в 1977 г. у Урана (рис. 3б), а также у Юпитера (1979) и Нептуна (1989).
а) б)
Рис. 3. Снимки космического телескопа им. Хаббла: а) Сатурн; б) Уран
Несмотря на то, что к настоящему времени Солнечная система довольно хорошо исследована, осталось достаточное число неоднозначно интерпретируемых и даже неизвестных фактов. Это относится к природе колец Сатурна, Юпитера, Урана, Нептуна, астероидных поясов.
Рассмотрим эту проблему на феноменологическом уровне.
Из какого бы то ни было вида некоей праматерии и каким бы образом не образовывались планетные объекты на какой-то из фаз звездной эволюции, фундаментальным обстоятельством согласно работе [1] всегда остается то, что никакого другого движения в природе и космосе,
95
кроме вращательного, существовать не может. Это означает, что именно законами вращательного типа следует объяснять любые космические (и не только космические) явления, процессы, взаимодействия. В связи с этим можно высказать гипотезу, что никакого различия в механизмах образования планетных объектов, спутников и колец вокруг них не должно быть, как и при объяснении любых других вращательных систем и объектов типа циклона, тайфуна или смерча. На феноменологическом уровне этот механизм можно сформулировать следующим образом.
Движение по орбите любого объекта или материала, иначе, обращение вокруг центрального тела, и его устойчивость во времени описываются всеизвестным вторым законом Кеплера. Распределение обращающегося материала вокруг этого тела в пространстве подчиняется третьему закону Кеплера. Одновременное действие этих двух законов приводит к тому, что любой объект ненулевого размера с необходимостью в своем движении по орбите приобретает вращательное движение. Оно реализуется вокруг собственных, возможно, меняющихся виртуальных осей симметрии, будь то искусственный спутник планеты, выброшенный из звезды или планеты материал в результате вулканической деятельности или каких-либо других катаклизмов взрывного характера застывшей оболочки. Возможная причина таких катаклизмов (в т.ч. уменьшение скорости движения самой планеты) излагается, например, в [2].
При достаточной силе взрыва, зависящей от потенциальной и кинетической составляющей подкоровых процессов, а также от плотности, толщины и степени монолитности коры, некоторые из осколков оболочки-коры могут приобрести такую начальную скорость и достичь такой высоты, при которой они становятся спутниками. В зависимости от величины полученной начальной скорости вылета материала и по мере потери ее ортогональной и выравнивания с тангенциальной составляющей они приобретают квазикруговую, эллиптическую или даже гиперболическую орбиты. Нижняя граница скапливающегося на орбите материала - это первая космическая скорость, верхняя - вторая. Функция распределения плотности в таком кольце должна иметь максимум в области равенства орбитальной скорости и скорости движения коровой оболочки на экваторе. Следует заметить, что вся область формирования кольцевой структуры может иметь слоисто-дискретный формат с попутным сверхвращением в нижней, ближней к планете и дрейфовым отставанием в ее верхней, удаленной от поверхности планеты части кольцевой зоны.
На этой высоте центробежное ускорение должно сравняться с ускорением силы тяжести. Сравним полученные высоты с наблюдаемыми значениями высот колец в виде астероидных поясов. Вычисление высоты, на которой центробежное ускорение равно ускорению силы тяжести, возможно путем совместного решения двух простых соотношений небесной механики:
g = Vэ2/(Rп + К) (1)
g = go ^п ЛДп + (2)
где g - центробежное ускорение;
g0 - ускорение свободного падения на поверхности планеты; Rп - радиус планеты; h - высота над поверхностью планеты; V, - скорость движения поверхности планеты на экваторе. Решение этих уравнений даёт следующее соотношение для вычисления высоты, на которой центробежное ускорение равно ускорению силы тяжести
h = go ^п^э)2 - Rп . (3)
Результаты расчётов по этой формуле и экспериментальные данные приведены в таблице из работ [3, 4].
Как показывают расчёты, есть достаточно оснований считать, что именно осколки, образовавшиеся в результате взрыва, и образуют пояса Сатурна, Юпитера, Нептуна и астероидные пояса.
Разброс размеров поясов легко объясняется естественными причинами, в частности, столкновениями осколков из одного взрыва, разной высотой выброса осколков при взрыве, наличием осколков от разных взрывов, поскольку процесс накопления твёрдой оболочки и выброса её частей не одиночен и может быть прерывен.
Что касается астероидных поясов Солнца, расположенных между орбитами Марса и Юпитера, то, возможно, справедливо предположение о том, что эта планета, являясь в определенном смысле пустотелой [5], в результате астроблемы или по другой причине подверглась разрушению на осколки с последующим их распределением по пятой от Солнца орбите [5].
_Таблица
Космический объект Юпитер Сатурн Уран Нептун
Радиус Rп, км 70850 60330 25560 24760
Ускорение свободного падения g0, м/с 23.01 9.44 9.67 10.79
Линейная скорость вращения на экваторе Уз, км/с 12.56 10.28 3.90 2.76
Минимальная высота астероидных поя- 128.2** 66966 41 9** 41 9**
сов, тыс. км
Максимальная высота астероидных поя- 1883** 482640 >8000** >5 562**
сов, тыс. км
Высота ^ на которой линейная скорость 660.86 264310 ~ 4000 ~8683
вращения на экваторе равна круговой
скорости движения по орбите, тыс.км
Линейная скорость вращения на эквато- 17.94 16.40 9.45 10.00
ре, соответствующая минимальной вы-
соте астероидных поясов, км/с
Линейная скорость вращения на эквато- 7.79 7.90 0.86
ре, соответствующая максимальной вы-
соте астероидных поясов, км/с
* Эти значения комментируются далее.
Учтены регулярные спутники.
Худшие совпадения результатов расчётов с экспериментальными данными для Урана и Нептуна связаны, вернее всего, с недостаточными знаниями о них.
Кроме того, из-за мощных газовых оболочек, фактические скорости вращения реальной поверхности на экваторе могут оказаться другими, чем те, что сегодня определены с Земли. В этом случае совпадение наблюдаемых и расчётных значений может оказаться и лучшим.
Возможно также, что планета после каждого такого взрыва и выплеска меняет свою ось и угловую скорость вращения, что приводит к планетным катастрофам, а заодно к изменению высот и размеров астероидных поясов.
Отсутствие астероидных поясов у меньших планет Солнечной системы связано с малыми линейными скоростями на экваторе и отсутствием выброса осколков оболочек посредством взрыва за счет внутренних подкоровых процессов типа вулканической деятельности.
Литература
1. Мирмович Э.Г., Лев Ф.М. Некоторые аспекты Де-Ситтер-инвариантной динамики / Деп. в ВИНИТИ №6099-84. 06.09.84 г. Хабаровск: СВ КНИИ ДВНЦ АН СССР. 1984. - 33 с.
2. Жеребятьев В.И. Физика. Новый взгляд (Единая модель природы). Новогорск: АГЗ МЧС России. - 2006. - 304 с.
3. Полный энциклопедический справочник. - М.: Русское энциклопедическое товарищество. - 2001.
4. Система Сатурна. Сб. статей. - М.: «Мир». - 1990.
5. Мирмович Э.Г. О методических аспектах идентификации, оценки и прогноза параметров опасностей и рисков / Актуальные проблемы гражданской защиты. Материалы XI Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций Москва, 18-20 апреля 2006 г. ЦСИ ГЗ МЧС России. - Н. Новгород: Вектор-ТиС. - 2006. - 386 с.
