Сколько гелия в Сатурне

28 октября 2021

Сатурн является второй по размерам планетой Солнечной системы, но большинству он известен благодаря видимым кольцам. Газовый гигант регулярно становится предметом наблюдения для астрономов, и его особенности помогают лучше понять устройство космоса. Сейчас Сатурн хорошо изучен, и любой желающий может получить подробные сведения о нем.

Гелий в составе и поверхности Сатурна

Поскольку Сатурн является газовым гигантом, его поверхность обладает низкой плотностью: всего 0,687 г/куб. см. Состоит она из молекулярного водорода в паровом состоянии, который насыщен гелием.

Поскольку поверхность Сатурна имеет низкую плотность, планета не утонет, если поместить ее в воду.

Bнутpи плaнeты oтмeткa тeмпepaтуpы пoднимaeтcя к 11700°C, a кoличecтвo излучaeмoй энepгии в 2.5 paз пpeвышaeт тo, чтo пoлучaeт oт Coлнцa. B нeкoтopoм cмыcлe этo cвязaнo c мeдлeнным гpaвитaциoнным cжaтиeм Keльвинa-Гeльмгoльцa. Или жe вce дeлo в пoднимaющиxcя кaпeлькax гeлия c глубины в вoдopoдный cлoй. Пpи этoм выдeляeтcя тeплo и oтнимaeтcя гeлий у внeшниx cлoeв.

Из-за высоких температур гелий, находящийся рядом с ядром, нагревается и постепенно поднимается вверх, двигаясь к верхнему слою. Из-за этого поверхность гиганта получает большое количество энергии, которое в два с половиной разе больше той, что достается от Солнца.

Гелий в атмосфере Сатурна

Основным веществом, находящимся в верхнем слое планеты, является водород – его доля составляет 96,3%, на гелий приходится 3,25%, а остальные вещества занимают лишь 0,45% от общего объема. Ученые установили, что среди последних имеются фосфин, этан, ацетилен, аммиак, метан и пропан.

Над поверхностью находится слой облаков, разделенный на верхний и нижний уровни. Первый заполнен аммиачными кристаллами, а ближе к поверхности располагается смесь воды и гидросульфида аммония. На облака воздействуют ультрафиолетовые лучи, которые запускают процесс метанового фотолиза. Его результатом является начало химических реакций углеводорода.

Атмосфера состоит из линий, которые становятся шире ближе к экватору. Также ее можно разделить на два слоя. В верхнем давление меняется от 0,5 до 2 бар, а температура от -173 до -113 градусов Цельсия. В нижнем эти параметры варьируются в диапазонах 10-20 бар и от -3 до 57 градусов Цельсия соответственно. Между слоями находится прослойка, состоящая из ледяных облаков. Там происходит плавное изменение температур и давления.

Иногда в атмосфере Сатурна образуются овальные пятна, которые по цвету белее, чем остальные облака. Из-за этого они легко различимы на поверхности. Ученые пока не смогли объяснить их природу, но наблюдения показывают, что образование пятен имеет закономерность. Например, когда на северном полушарии газового гиганта начинается летнее солнцестояние, в этой области планеты появляется Большое Белое Пятно. Есть версия, что образование белых участков связано с электростатическим возмущением.

По поверхности гиганта гуляют ветра, причем их скорость может достигать 500 м/с. Это второй показатель в Солнечной системе после Нептуна. На севере планеты возникают потоки, имеющие волновую структуру, а на южном – струйную.

На Сатурне периодически появляются бури, размер которых может превосходить габариты Земли.

Одним из крупнейших вихрей, зарегистрированных телескопом Хаббл, стал поток ветра шестиугольной формы, движущийся по южному полушарию. Его радиус составлял 6 900 км, а на полный оборот уходило 10 ч 39 мин.

Гелий в строении Сатурна

Исследования помогли установить, что структурно Сатурн похож на Юпитер и также состоит из трех слоев. В самом центре располагается ядро, имеющее скалистую форму. По оценкам, его масса в 10-20 раз превышает этот параметр у Земли. Снаружи его обволакивает слой жидкого металлического водорода, толщина которого равна примерно 14 500 км. Верхний слой имеет глубину 18 500 км. Практически полностью он состоит из молекулярного водорода.

Из-за состава и происходящих внутри химических реакций, Сатурн излучает в пространство большое количество радиации. Ученые до сих пор пытаются точно установить причины сильного излучения. Уже известно, что внутри газового гиганта происходит реакция Кельвина-Гельмгольца: энергия появляется за счет большой массы планеты и непрерывного гравитационного сжатия такого количества вещества. Но расчеты показывают, что этот процесс все равно не способен служить источником выброса радиации в таких количествах. Значит, внутри Сатурна происходят и иные процессы, способствующие усилению излучения. Есть предположение, что дополнительным источником радиации служат разогретые гелиевые потоки.

Хоть в строение Сатурна и входит твердое ядро, большая часть планеты состоит из газа и обладает низкой плотностью.

Гравитация Сатурна: низкая плотность из-за гелия

Сатурн — планета гигант и не имеет твердой поверхности, и то, что невозможно увидеть, так это его поверхность (мы видим лишь верхней облачный слой) и почувствовать силу тяжести. Но давайте представим, что существует некая условная граница, которая будет соответствовать его воображаемой поверхности. Какова была бы сила тяготения на планете, если вы бы смогли стоять на поверхности?

Хотя Сатурн имеет большую массу, чем Земля, (второе место в Солнечной системе по массе, после Юпитера), он к тому же самый “легкий” из всех планет Солнечной системы. Фактическая сила тяжести в любой точке его воображаемой поверхности будет составлять 91% от аналогичного показателя на Земле. Другими словами, если ваши весы показывают ваш вес равный 100 кг на Земле (о, ужас!), на «поверхности» Сатурна вы бы весили 92 кг (немного лучше, но все же).

Для сравнения, на «поверхности» Юпитера сила тяжести в 2,5 больше Земной. На Марсе, всего лишь 1/3, а на Луне 1/6.

Что делает силу гравитации такой слабой? Планета-гигант в основном состоит из водорода и гелия, которые он аккумулировал в самом начале образования Солнечной системы. Эти элементы были сформированы в начале Вселенной в результате Большого Взрыва. Все из-за того, что у планеты чрезвычайно низкая плотность.

Дожди из жидкого гелия на Сатурне

О том, что на газовой планете-гиганте Сатурне часто выпадают осадки в виде дождей из жидкого гелия, ученые предполагали давно. Но только сейчас ученые смогли найти новые подтверждения этому предположению. Доказательства были получены с использованием одной из наиболее мощных лазерных установок в мире.

Дождь на Сатурне возникает при разделении смеси жидкого водорода и гелия. По словам ученых, гелий перемещается из верхних слоев атмосферы в нижние, в результате чего образуется дождь. Условия возникновения осадков такого рода ученые смогли смоделировать, теперь известны факторы, влияющие на выпадение гелиевых осадков.

Предсказание о том, что на Сатурне существуют осадки в виде жидкого гелия, было сделано давно — еще в 70-х годах прошлого века. Но доказательств этому не было. До настоящего момента, когда физики из Рочестерского университета провели соответствующий эксперимент. Ученые смогли смоделировать условия, существующие в нижних слоях Сатурна. При помощи лазерной установки OMEGA специалисты смогли выделить жидкий гелий из смеси из водорода и гелия, расположенной между двумя алмазами.

Такого эффекта удалось добиться путем сжатия смеси ударной волной от алмаза, на который воздействовали лазером. Сжатие способствовало появлению структур разного типа в самой смеси. Интересно, что подобных результатов ученые пытались добиться в течение пяти лет. На это ушло и 300 выстрелов из OMEGA.

Как оказалось, гелий может выделиться при определенных условиях — температура должна составлять от 3 до 30 тысяч кельвинов, а давление — 30-300 ГПа. Такие условия достижимы и на Юпитере, так что и здесь могут выпадать дожди из жидкого гелия.

Результаты, полученные учеными, требуют проверки. И проверка будет проведена — для этого в ход пустят Z machine в Сандийской национальной лаборатории.

 

Источники:

  • https://kipmu.ru/saturn
  • https://v-kosmose.com/planeta-saturn
  • https://spacegid.com/saturn.html
  • https://habr.com/ru/post/388207
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]