| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Сатурн
| |||||
 Исследователи |
|||||
КА "Cassini" |
Страница:
КА "Cassini" NASA,
Сатурн все ближе (Part #1, Part #2),
Орбита Сатурна (Part #1, Part #2, Part #3),
Посадка на Титан (Part #1, Part #2.1, Part #2.2),
Система Сатурна (Part #1, Part #2, Part #3),
Два года миссии (Part #1, Part #2, Part #3),
Новые открытия,
Первая пятилетка (Part #1, Part #2),
Разгадка тайн Сатурна;
Проделанная работа (Part #1, Part #2),
Луны, кольца и ураганы (Part #1, Part #2, Part #3),
15 лет в космосе! (Part #1, Part #2, Part #3),
Продолжаем миссию (Part #1, Part #2, Part #3, Part #4);
Завершение миссии (Part #1, Part #2, Part #3);
|
|
Сатурн: Властелин Колец
Космические исследователи
Кассини 15 лет в космосе
15 октября 2012 исполнилось 15 лет с момента старта американского зонда Cassini, и уже более восьми лет этот аппарат работает вблизи окольцованного газового гиганта-Сатурна. За время своей долгой вахты Cassini передал более 444 гигабайт информации, в том числе более 300 тысяч изображений. Среди них - не только виды самой планеты и ее лун с разных дистанций, но и снимки поверхности Титана с европейского спускаемого аппарата Huygens, совершившего в январе 2005 г. первую в истории посадку на этом небесном теле. Cassini открыл ледяные гейзеры на Энцеладе; благодаря ему ученые смогли пронаблюдать за сменой времен года на Титане, увидели вблизи ураганы на самом Сатурне и получили множество данных о магнитном поле планеты. Количество научных статей на основе данных этого КА перевалило уже за 2500. В конце сентября 2010 г. аппарат начал новый этап своей миссии, получивший название «Солнцестояние» (Solstice). В настоящее время его работа продлена до 2017 г., так что зонд даст ученым возможность детально изучить все времена года Сатурна - два для северного полушария и два для южного.
Но и восемь лет работы вблизи Сатурна уже можно назвать выдающимся результатом. Магнитное поле планеты собирает летящие от Солнца заряженные частицы, поэтому электронике на борту Cassini приходится функционировать в режиме жесткого облучения. Все маневры аппарат выполняет с великолепной точностью: отклонение от заданной траектории при пролете спутников Сатурна не превышает 1-2 км, несмотря на то что Cassini управляется с расстояния в 1.5 млрд км и от отправки на борт радиокоманды до получения подтверждения ее приема проходит около трех часов. «Аппарат достиг среднего возраста, - рассказывает Роберт Митчелл (Robert Т. Mitchell), менеджер программы Cassini в Лаборатории реактивного движения. -У него уже заметны первые признаки старения, но в целом он нормально работает и не требует "хирургического вмешательства"». Тем не менее, по прогнозам специалистов, через некоторое время межпланетная станция все же состарится окончательно.
Планировать завершение миссии Cassini начали еще в 2008 г. Предлагалось закончить его полет «утоплением» в атмосфере Сатурна, столкновением с одним из спутников или даже с кольцом. Рассматривалась возможность вывести аппарат на стабильную орбиту, проходящую снаружи от орбиты Титана. Выдвигались и более экзотические варианты: вплоть до отлета к Юпитеру, Урану, Нептуну или даже к астероиду семейства кентавров (Кентавры - группа астероидов, находящихся между орбитами Юпитера и Нептуна.). Однако варианты с длительными сроками осуществления или требующие специфических параметров орбиты КА в период миссии «Солнцестояние» получили более низкую оценку, и в итоге был выбран нижеследующий.
Серией коррекций в ноябре 2016 г. планируется перевести Cassini на низкую орбиту, проходящую немногим выше внешнего кольца F. Встреча с Титаном в апреле 2017 г. сместит перицентр орбиты КА ниже внутреннего кольца D и увеличит ее наклонение. Аппарат совершит 22 витка, почти чиркая по краю атмосферы Сатурна, с целью картирования его гравитационного и магнитного поля, определения массы наиболее плотного кольца В, съемки и зондирования колец и поверхности планеты. Затем Cassini испытает еще одно влияние Титана, после которого 15 сентября 2017 г. зароется в атмосферу Сатурна. Естественно, это будет путешествие в один конец, но перед гибелью станция успеет передать последние в своей блистательной научной карьере данные. Итак, рассмотрим научные результаты и ход работы Cassini на орбите Сатурна за время после предыдущей публикации. Гюйгенс прыгал, скользил и шатался
Приземление зонда Huygens на Титан 14 января 2005 г. было наиболее захватывающим событием в исследовании внешней зоны Солнечной системы. Но лишь почти через восемь лет специалисты окончательно разобрались, как именно проходила самая отдаленная от Земли посадка космического аппарата, и описали ее динамику в декабрьском номере журнала Planetary and Space Science. Ученые восстановили цепочку событий посредством анализа данных инструментов, которые работали во время приземления: ускорений, измеренных аппаратурой HASI и SSP, фотометрической информации посадочной камеры и радиометра DISR. Эти показания сравнили с компьютерными расчетами и пробными сбросами модели зонда Huygens. Анализ показал, что зонд прыгал, скользил и шатался в течение 10 секунд после касания поверхности Титана, структура которой оказалась сложнее, чем предполагали исследователи. Она была одновременно и мягкой, и твердой, напоминая высохший сверху мокрый песок или снег с ледяной коркой.
Посадочная масса зонда составила 204 кг, но благодаря малой гравитации Титана вес аппарата не превышал 280 Н. Скорость посадки была близка к 4.5 м/с с заметной горизонтальной составляющей из-за ветра. При первом ударе Huygens образовал яму глубиной 12 см. Он подпрыгнул, вновь оказался на плоской поверхности и проскользил по ней 30-40 см в южном направлении. Остановившись благодаря трению, зонд наклонился в направлении камеры на 10° и стал покачиваться, сделав пять «кивков» в направлении север-юг с быстро убывающей амплитудой. Небольшие вибрации отмечались еще две секунды - и Huygens остановился окончательно. «Скачок на графике ускорения заставляет полагать, что во время первого колебания зонд, скорее всего, столкнулся с булыжником, выступающим на 1-2 см над поверхностью Титана, и даже, возможно, вбил его в фунт, - поясняет основной автор статьи д-р Стефан Шрёдер (Stefan Schr der) из Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка (Германия). - Это говорит в пользу того, что поверхность там по консистенции напоминает мягкий влажный песок». Если бы зонд упал на влажную, похожую на фязь поверхность, то его приборы зафиксировали бы «шлепок» без отскока и последующего скольжения. Парадокс: поверхность была достаточно мягкой, чтобы зонд оставил серьезную вмятину, и в то же время настолько твердой, чтобы позволить ему качаться из стороны в сторону.
«Это напоминает снег с ледяной коркой, - считает Эрик Каркошка (Erich Karkoschka) из Университета Аризоны. -Если соблюдать осторожность, то по ней можно ходить как по твердой поверхности, но если наступить слишком энергично, вы погрузитесь весьма глубоко». Спектральные данные также свидетельствуют о присутствии сухой пылеобразной материи, которая была выброшена в результате столкновения в течение первых четырех секунд. Оптические свойства этих частиц соответствовали имеющимся данным по аэрозолям Титана. Авторы полагают, что слой пыли в месте посадки имел толщину порядка 7 мм, и, судя по легкости, с которой она поднялась в воздух, пыль была сухая. Вообще-то жидкие углеводороды (метан и этан) иногда выпадают из облаков Титана и образуют ручьи, реки и озера, которые придают ландшафту удивительное сходство с земным, но, видимо, на месте посадки «Гюйгенса» в течение значительного времени «дождя» не было. Солончак на Титане...
Титан - единственное место в Солнечной системе, где существует, как и на Земле, круговорот жидких веществ. Пусть это и не вода, а жидкие углеводороды, но Титан демонстрирует удивительное сходство с Землей, причем даже в деталях. В первые годы после обнаружения считалось, что наиболее крупное в южном полушарии Титана озеро Онтарио постоянно заполнено жидким метаном, этаном и пропаном. Между тем последние наблюдения свидетельствуют, что это не так. Судя по новым данным Cassini, Онтарио скорее напоминает земные солончаки или заиленные впадины. Комбинируя данные съемок, спектроскопических и радиолокационных наблюдений района Онтарио, ученые во главе с Тома Корне (Thomas Cornet) из Университета Нанта нашли доказательства существования долгоживущих разветвленных каналов, которые прослеживаются на дне этого озера со стороны его южной границы.
«В этих районах мы, по всей вероятности, видим обнаженное дно озера Онтарио», - говорится в статье, опубликованной в журнале Icarus. Новое исследование показало, что регион Онтарио на Титане по рельефу и климату (с учетом того, что вместо воды выступают жидкие углеводороды) аналогичен некоторым полузасушливым районам на Земле. Озеро Онтарио напоминает эфемерные озера на Земле, такие как солончак Этоша в Намибии. Последний выглядит как обширная котловина, покрытая мертвой соляной коркой. Лишь раз в несколько лет после обильных дождей сухие русла втекающих в него ручьев приносят достаточно воды, чтобы она ненадолго затопила все это пространство. На спутнике Сатурна происходит примерно то же самое, но уровень жидкости в озере зависит не от дождей, а от подъема подповерхностных запасов углеводородов. Онтарио на Титане находится в плоской мелкой впадине в окружении небольших горных цепей. С подъемом «грунтовых вод» оно заполняется до глубины лишь несколько метров и лишь местами, так что жидкие углеводороды перемежаются с пропитанной ими топью. Что еще более интересно, радиолокационные снимки за июль 2009 г. и январь 2010 г. показывают, что сегодня «водная» гладь Онтарио занимает лишь небольшую часть всей впадины. Это открытие сделано исследовательской группой под руководством Эллен Стофан (Ellen R. Stofan) из компании Proxemy Research в ходе поисков резервуаров жидкости в южном полушарии.
На снимках удалось проследить древнюю береговую линию при максимальном разливе, когда площадь водоема была в несколько раз больше. Ученые определили, что в максимуме Онтарио покрывало площадь 475x280 км и имело несколько десятков метров в глубину. Сегодня оно занимает лишь центральную часть котловины размером 80x235 км, а глубина озера в центре не превышает 10 м. Эллен Стофан и ее коллегам удалось найти и еще одну подобную структуру, возможно, представляющую собой высохшее море. Сегодня ученые наблюдают заметную асимметрию водоемов Титана: если в северной полярной зоне найдены три моря и более сотни озер, то в южном полушарии открыты лишь несколько озер небольшой площади. При этом береговые линии водоемов севера остаются стабильными с момента открытия, так что они вряд ли претерпевают сезонные изменения в течение 30-летнего годового цикла Сатурна.
По мнению членов команды во главе с Одедом Ахаронсоном (Oded Aharonson) из Калифорнийского технологического института, причиной асимметрии являются долгопериодические изменения параметров орбит Сатурна и Титана, аналогичные циклам Кролла - Миланковича, которыми объясняют климатические изменения на Земле. Из-за этого сейчас большая часть жидкости на Титане сосредоточена в северной полярной области. Считается, что продолжительность цикла составляет более 10000 лет, и менее чем 50000 лет назад распределение вещества было обратным: углеводородные моря покрывали значительную долю южного полушария Титана. Тогда-то Онтарио и имело максимальную площадь и глубину. Подробнее об этих процессах мог бы поведать анализ материала дна высохших морей, но перспективы такой миссии, увы, более чем туманны. ...и тропическое озеро
Онтарио, как и все до сих пор найденные «моря» Титана, находится в полярной зоне. Вместе с тем в июне были опубликованы данные, что и в тропических районах Титана существуют в течение длительного времени метановые озера, или, скорее, пруды. Один из них столь же велик, как и Большое Соленое озеро в штате Юта, а глубина его составляет по крайней мере один метр. Необычный «водоем» обнаружен с помощью спектрометра VIMS в регионе Шангри-Ла, где в 2005 г. совершил посадку европейский зонд Huygens, - по характерной темной окраске, соответствующей жидкому метану или этану, и регулярно наблюдается этим прибором с момента прибытия КА в систему Сатурна 2004 г. Радар Cassini, которому принадлежит приоритет в открытии полярных озер и морей, до сих пор не мог «увидеть» водоемы в экваториальной зоне. Компьютерные модели также «позволяют» озерам Титана существовать только в полярных областях. Так же, как на Земле есть круговорот воды в природе, на Титане есть метановый цикл. Считается, что метан в экваториальной зоне испаряется и переносится ветром к полюсам, где конденсируется в условиях более низких температур. Так формируются полярные озера Титана. На Земле вода тоже транспортируется атмосферной циркуляцией, но и океаны переносят ее, противодействуя атмосферным эффектам.
За все время наблюдений Cassini только один раз зарегистрировал выпадение и испарение углеводородных осадков в экваториальной зоне Титана, причем только в течение предсказанного «дождливого» сезона в 2010 г. Поэтому ученые полагают, что тропические озера не могут эффективно пополняться за счет дождей. «Вероятным источником и наполнителем озера является подповерхностный резервуар, - полагает Кейтлин Гриффит (Caitlin A. Griffith), исследователь из Университета Аризоны. - В сущности это значит, что на Титане могут существовать оазисы». «Мы думали, что на Титане имеются обширные дюны в районе экватора и озера на полюсах, но теперь мы знаем, что Титан более сложен, - признает научный руководитель проекта Cassini Линда Спилкер (Linda J. SpiLker). - У нашей АМС осталось еще множество пролетов вблизи этой луны, так что мы с нетерпением ждем возможности наполнить деталями эту историю». Понимание того, как формируются «озера», «пруды» и «лужи», очень важно для ученых. Концепция подповерхностных «жидкоуглеводородоносных» пластов может среди всего прочего объяснить постоянное присутствие в атмосфере метана, который теоретически должен быстро распадаться под действием ультрафиолета. Существующие компьютерные модели не могут обеспечить поступление в атмосферу необходимого количества метана, чтобы «замкнуть» круговорот. «Метан - прародитель органической химии Титана, - заявляет Гриффит, - которая, вероятно, производит интересные молекулы, такие как аминокислоты, стандартные блоки жизни». Загадка «химического завода»
Группа исследователей, которую возглавляет Конор Никсон (Conor Nixon) из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, изучила инфракрасные спектры метана, полученные композитным инфракрасным спектрометром CIRS на борту Cassini. Ученых интересовал метан с более тяжелым и менее распространенным изотопом углерода 13С. Поскольку обычный метан с 14С чуть легче, химические реакции, в результате которых он превращается в более сложные углеводороды, происходят немного быстрее. Это означает, что обычный метан расходуется несколько быстрее, поэтому концентрация тяжелого метана в атмосфере Титана должна медленно увеличиваться. Измерение соотношения между двумя изотопными вариантами позволяет оценить, как давно работает «химический завод» Титана. Результаты были опубликованы в апреле в AstroрhysiсаL Journal. «Исходя из предположений нашей базовой модели, метановая атмосфера существует не более 1.6 млрд лет, то есть треть жизни Титана, - оценивает Никсон. - Однако если ввести в расчет потерю метана из верхних слоев атмосферы, предполагаемую в некоторых из предшествующих работ, возраст метановой атмосферы может быть намного меньше - возможно, всего лишь 10 млн лет». Оба сценария предполагают, что метан поступил в атмосферу Титана однократно в результате дегазации - когда более тяжелые материалы погружались в глубины спутника, а легкие поднимались на поверхность. «Однако если метан непрерывно пополняется из какого-то источника, то его изотопы постоянно будут «свежими», и тогда мы не сможем дать оценку возраста из нашей модели», -добавляет Никсон. Иначе говоря, если метан поступает в атмосферу, длительность работы «химического завода» этим методом определить невозможно. Среди возможных источников метана называют клатраты (от лат. clatratus) - молекулы метана, как бы заключенные в ледяную «клетку». Они встречаются в холодных глубинах земных океанов, и некоторые ученые полагают, что под ледяной коркой Титана может быть океан жидкой воды в смеси с аммиаком, действующим как антифриз. Если это так, метан освобождается из клатратов во время извержений гипотетических криовулканов, выбрасывающих на поверхность водно-аммиачную суспензию, или же просто медленно просачивается через трещины в коре. Вторая статья, авторами которой стали Кэтлин Мандт (Kathleen Е. Mandt) из Юго-Западного исследовательского института и ее коллеги, тоже посвящена моделированию эволюции метана. В этой работе концентрация тяжелого метана определялась по данным ионного и нейтрального масс-спектрометра INMS на Cassini; кроме того, данные газового хроматографа/масс-спектрометра зонда Huygens использовались для оценки влияния ухода метана из атмосферы на концентрацию его тяжелого варианта. «Мы пришли к выводу: даже если метан пополняется из недр в течение времени... этот процесс продолжается не более миллиарда лет, - говорит Мандт. - Если бы он начался раньше, мы бы обнаружили накопление метана в озерах и в атмосфере в больших количествах по сравнению с тем, что наблюдаем». В целом обе работы говорят, что метановая составляющая атмосферы сформировалась через продолжительное время после образования самого Титана. Добавим, что предыдущие работы датировали последний большой «вброс» метана интервалом между 0.35 и 1.35 млрд лет назад, а возраст поверхности спутника, определенный путем подсчета кратеров, дает от 0.2 до 1.0 млрд лет. «Куличи» титанианской кухни
Космический зонд Cassini передал на Землю изображения спутника Сатурна Титана, на которых просматривается образование почти идеально круглой формы, напоминающее по виду гигантскую пасхальную булочку. По мнению ученых, на Титане имеют место процессы, в чем-то аналогичные происходящим при выпекании из теста этих изделий. 16 октября на заседании Отделения планетологии Американского астрономического общества был продемонстрирован радиолокационный снимок «куличеобразной» возвышенности на Титане с «нарисованным» сверху крестом. Он был получен во время целевого пролета крупнейшей луны Сатурна 22 мая 2012 г.
В процессе выпечки пар поднимает верхнюю часть булочки - и она трескается. Нечто подобное наблюдается и на Титане. Специалисты предполагают, что «булочка» на Титане диаметром «всего-навсего» 70 км имеет вулканическую природу: купол с разломом сформирован в результате подъема магмы. «Такую структуру... мы на Титане пока не видели, и это означает, что после восьми лет наблюдений с Cassini Титан продолжает удивлять нас, - утверждает д-р Розали Лопес (Rosaly М. С. Lopes) из Лаборатории реактивного движения. - «Булочка» может быть проявлением того, что на Земле называется лакколитом: это интрузивный массив, сформированный поднимающейся магмой. Горы Генри в штате Юта являются хорошо известным примером такого геологического образования». Добавим, что подобный ландшафт ранее был найден и на Венере: выпуклая область диаметром около 30 км располагается на вершине большого вулкана Кунапипи Два типа дюн Титана
Данные Cassini позволили выявить новые закономерности в распределении дюн на Титане и получить ключи к климатической и геологической истории этого гигантского спутника. На Титане в роле «песка» выступают не силикаты, как на Земле, а углеводороды, которые выпадают на поверхность в виде атмосферных осадков. На поверхности спутника углеводороды превращаются в зерна размерами около миллиметра. Следует отметить, что процесс их образования до сих пор неизвестен. Сформированные из этих песчинок дюны охватывают около 13% поверхности Титана, занимая более 10 млн км2, что примерно эквивалентно площади США или Канады. Они похожи по форме на линейные дюны в пустынях Намибии и Аравийского полуострова, но гораздо крупнее земных. Дюны Титана в среднем имеют 1-2 км в ширину, сотни километров в длину и до 100 м в высоту. Используя радиолокационные данные Cassini, научный сотрудник JPL Элис Ле Галль (Alice Le Gall) и ее коллеги обнаружили, что размер дюн Титана задается по крайней мере двумя факторами: широтой их местонахождения и высотой над нулевым уровнем.
В основном дюнные поля на Титане располагаются в низменных районах. Дюны на возвышенностях более узкие и находятся дальше друг от друга. Судя по данным радара, в промежутках слой песчинок тоньше. Напрашивается вывод: на высоких участках сравнительно немного «песка» для формирования дюн, в отличие от низин. Что же касается широты, дюны на Титане ограничены экваториальной областью - между 30° ю.ш. и 30° с.ш., причем в северной половине они, как правило, менее развиты. Группа Ле Галль считает, что это, возможно, связано с эллиптичностью орбиты Сатурна, из-за которой лето южного полушария планеты и ее главной луны короче и интенсивнее, чем аналогичное «северное» время года. В результате вследствие испарения этана и метана поверхность в южных регионах более сухая. А чем суше «песчинки» углеводородов, тем легче они переносятся ветром и собираются в дюны. Более продолжительное и влажное лето северного полушария, напротив, препятствует образованию дюн.
Косвенным подтверждением этой гипотезы является тот факт, что озера и моря из жидкого этана и метана преимущественно находятся в северном полушарии. Это значит, что грунт на севере действительно более влажный. «Понимание того, как формируются дюны, равно как и объяснение их форм, размеров и распределения по поверхности, имеет большое значение для понимания климата и геологии Титана, - убежден д-р Николас Альтобелли (Nicolas Altobelli), научный руководитель проекта Cassini/Huygens от ЕКА. - Поскольку их материал берется из замороженных атмосферных углеводородов, дюны помогут нам понять, как функционирует загадочный метан-этановый цикл на Титане». Автор: А. ИЛЬИН, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|