Загадки астрономии

Из четырех газовых гигантов Сатурн больше всех заслуживает этого названия, так как, несмотря на гигантские размеры (экваториальный диаметр около 120 000 км), уступающие лишь Юпитеру, его масса всего в 95 раз больше земной. (Плотность Сатурна, получаемая делением массы на объем, меньше плотности воды — 0,7.) Астрономы говорят, что если бы во Вселенной удалось найти достаточно большой океан воды, то Сатурн плавал бы в нем. Такая удивительно низкая плотность означает, что Сатурн на ⁴/₅ должен состоять из газов и лишь на ¹/₅ — из более тяжелых веществ: металлов и скальных пород, сосредоточенных в небольшом ядре. Его атмосфера должна быть намного протяженнее, чем атмосфера Юпитера, глубина которой 13 000 км.

Именно вопрос о толщине атмосферы сразу же приводит нас к одной из тайн опоясанной кольцом планеты.

Загадка 1.Действительно ли твердое тело Сатурна относительно мало и составляет лишь половину видимого нами телескопического изображения?

Прежде всего мы должны принять во внимание разнобой в астрономических данных. Рассматривая в телескоп Марс, мы не видим его атмосферу; когда говорят, что Марс имеет диаметр, равный 6786 км, то имеется в виду только поперечник твердого тела планеты. Если учесть 90 % массы его воздушной оболочки, то диаметр равен уже 6960 км. Однако для Венеры мы приводим значение диаметра видимого изображения, которое включает плотный облачный слой. Учет его толщины (точная величина не известна) уменьшил бы диаметр Венеры на 200–800 км. Величина 12 756 км относится лишь к диаметру твердого тела Земли. С учетом атмосферы ее диаметр превышает 13 000 км.

У далеких газовых гигантов всегда учитывается толщина их протяженных воздушных оболочек, и именно поэтому так высоки значения диаметров. Например, значение диаметра Юпитера — 140 000 км — включает высоту атмосферы — 13 000 км с каждой стороны планеты. Вычитая эти 26 000 км, получим диаметр твердого тела Юпитера — 114 000 км.

Если бы планеты лишились своих атмосфер, то заметнее всего уменьшился бы диаметр Сатурна, толщина атмосферной оболочки которого оценивается от 25 000 до 31 000 км. Если принять среднее значение 28 000 км, то диаметр Сатурна уменьшится вдвое — до 64 000 км. По сравнению с Землей он все равно останется гигантом, но будет уже ненамного больше Урана и Нептуна (относительно тонкие атмосферы которых не так сильно увеличивают действительные размеры).

В популярной астрономической литературе обычно приводится величина диаметра Сатурна с учетом его атмосферы. Затем указывается, что на этой огромной планете, по общему мнению, имеющей диаметр 120 000 км, но относительно малую массу, сила тяжести не столь уж велика — больше земной всего в 1,17 раза; человек весом 70 кг на Сатурне «поправится» на 12 кг и будет весить 82 кг.

Но так было бы лишь в том случае, если бы человек находился на внешней поверхности облачного слоя.

Вряд ли космонавты посадят свои корабли на облака или попытаются выйти для исследования их поверхности, поэтому возникает вопрос…

Загадка 2.Обнаружат ли космонавты на Сатурне бóльшую силу тяжести, чем на Юпитере?

Если принять толщину атмосферы равной 28 000 км, какова будет действительная сила тяжести на твердой поверхности Сатурна диаметром не 120 000, а всего 64 000 км? Сила тяжести зависит от двух факторов — полной массы и расстояния до центра этой массы. Но изменение массы сказывается не так существенно, как уменьшение радиуса, который «концентрирует» поле силы тяжести и быстро увеличивает притяжение на поверхности.

Если теперь принять для наших расчетов уменьшенное значение массы Сатурна (массу атмосферы мы не будем учитывать), уменьшение радиуса примерно в два раза резко увеличит ускорение силы тяжести на поверхности до пугающего значения 2,7 g (по расчетам Форварда). На первый взгляд кажется, что «рекорд», установленный Юпитером, — в среднем 2,67 g, — побит, но на самом деле это не так. Действительно, если все сделанные нами допущения применить к Юпитеру, сила тяжести будет уже не та, что на границе облачного слоя, то есть выше 2,67 g, и вновь побьет рекорд Сатурна. Если же атмосфера Юпитера толще на 7000 км (то есть не 13 000, а 20 000 км), то ускорение силы тяжести на поверхности будет выше 3,0 g.

Прежде чем космонавты отправятся к внешним планетам, астрономы должны покончить с некоторыми своими заблуждениями, в том числе и относительно силы тяжести на поверхности Сатурна, якобы равной 1,17 g. Иначе разгневанные космонавты по возвращении на Землю потребуют объяснить, почему у них подкашивались ноги, когда они ступили на почву Сатурна — ледяной планеты, радиус твердого тела которой почти равен толщине облачного слоя.