Magnetosfera Saturna

Kosmiczna misja amerykańskich sond Pioneer 10 i 11 oraz Voyager 1 i 2 poruszyła świat nauki. Dostarczyła olbrzymiej ilości bezpośrednich danych pomiarowych. Wzbogaciły one już w znacznym stopniu wiedzę o tej części Wszechświata, w której są zanurzone planety naszego Układu Słonecznego. Każda z tych sond znalazła sdę w najbliższym otoczeniu Jowisza. Magnetosfera tej planety była już przedmiotem artykułu w Uranii (numer 8 z tego roku). W nim też można znaleźć krótkie omówienie podstawowych pojęć, takich jak magnetosfera, wiatr słoneczny i plazma.

W ubiegłym dziesięcioleciu Jowisz cieszył się chyba największym zainteresowaniem astronomii Układu Słonecznego. Od dwóch lat obiektem równie intensywnych badań jest także otoczenie Saturna. Pierwszym obiektem wykonanym przez ludzi, który zbliżył się do tej dość odległej planety (9,54 jednostki astronomicznej od Słońca) był Pioneer 11. Wystartował z Ziemi w kwietniu 1973 roku, w grudniu 1974 roku odwiedził Jowisza, zaś 1 września 1979 roku znalazł się w odległości zaledwie 21 tys. km od widzialnych chmur Saturna. Sondy kosmiczne Voyager 1 (data startu: 5 września 1977 r.) i Voyager 2 (data startu: 20 sierpnia 1977 r.) przybyły do Saturna w znacznie krótszym czasie. Pierwsza z nich (największe zbliżenie do Jowisza: 5 marca 1979 r.) dotarła do Saturna 12 listopada 1980 r. (124 tys. km od planety). Voyager 2 natomiast po zbadaniu Jowisza (największe zbliżenie 9 lipca 1979 r.) znalazł się właśnie niedawno (26 sierpnia 1981 r.) w odległości 100 tys. km od Saturna. Warte pamięci jest to, że Voyager 2 będzie się dalej przemieszczać mniej więcej w płaszczyźnie ekliptyki: w roku 1986 powinien dostarczyć bezpośrednich zdjęć i pomiarów okolic Urana (19,18 jednostki astronomicznej od Słońca), a w roku 1989 Neptuna (30,06 j.a.). Z końcem tego tysiąclecia powinien opuścić Układ Słoneczny (w roku 1996 około 50 j.a., a w roku 2010 — 100 j.a. od Słońca).

W czasie pisania tego artykułu pomiary Voyagera 2, wykonane w magnetosferze Saturna, nie są jeszcze autorowi znane. Znalazł się więc w trudnym położeniu. Uległ jednak sugestiom redakcji i już teraz się zdecydował na omówienie podstawowych właściwości magnetosfery Saturna, głównie na podstawie danych Pioneera 11 i Voyagera 1. Szczegółowa analiza danych pomiarowych potrwa pewnie wiele lat. Sądzę, że będą one opracowywane jeszcze przez tych, co się teraz przygotowują do egzaminu dojrzałości. Niemniej, za kilka miesięcy, kiedy ten artykuł trafi do czytelnika, już się pojawią wstępne opracowania pomiarów Voyagera 2. Czytelnik zatem musi mieć świadomość, że nasza wiedza i wyobrażenia o Saturnie i jego magnetosferze uległy zapewne wzbogaceniu.

Wiemy, że — podobnie jak Jowisz — Saturn jest źródłem promieniowania radiowego. W roku 1974 za pomocą aparatury sztucznego satelity Ziemi IMP-6 odebrano z Saturna fale radiowe o częstotliwości około 1 MHz. Ten fakt został następnie potwierdzony przez kilka podobnych eksperymentów kosmicznych. Okazało się, że to promieniowanie ma charakter synchrotronowy: jest wysyłane przez naładowane cząstki, krążące wokół linii sił pola magnetycznego. Wnioskowano zatem, że także Saturn posiada własne pole magnetyczne. Oceniono, że natężenie pola na równiku powinno wynosić około 1 ersteda (dla porównania: około 0,3 ersteda dla Ziemi i około 4 erstedy na Jowiszu), co się dość dobrze zgadzało z innymi przewidywaniami. Tak więc i ta dziwna planeta z kryzą musi być otoczona przez obszar zwany magnetosfera, w którym wiodącą rolę odgrywa pole magnetyczne. Magnetosfera osłania planetę przed naddźwiękowym strumieniem plazmy wiatru słonecznego, który nie mogąc prawie wcale przeniknąć do tego obszaru, opływa go mniej więcej tak, jak powietrze opływa kadłub samolotu. W pierwszym przybliżeniu położenie granicy magnetosfery (magnetopauza) od strony Słońca określa się przez punkt, w którym dynamiczne ciśnienie strumienia plazmy wiatru słonecznego równoważy ciśnienie pola magnetycznego planety. Jeśli pole ma charakter dipolowy, to biorąc wspomnianą wartość jednego ersteda można obliczyć, że magnetosfera po stronie Słońca powinna sięgać aż do odległości r ~ 40 R_S od planety (R_S = promień Saturna = 60 000 km; 1 R_S = 0,84 R_J (promienia Jowisza); 1 R_S = 9,375 R_Z (promieni Ziemi)).

Pioneer 11 zbliżył się do Saturna od strony Słońca, prawie wzdłuż linii Słońce-Saturn i… zrobił uczonym niespodziankę: przekroczył bowiem granicę magnetosfery dopiero gdy był w odległości około 17 R_S od planety. Tak więc odległość ta była przeszło dwa razy mniejsza niż oczekiwano. Dalsze pomiary magnetyczne (Pioneer 11 spędził w magnetosferze Saturna około 2,5 dnia) wyjaśniły wkrótce, że główną przyczyną mniejszych rozmiarów tej magnetosfery jest pole magnetyczne planety dużo słabsze w porównaniu z wcześniejszymi oszacowaniami. Natężenie pola na równiku wynosi zaledwie 0,2 ersteda, czyli jest dużo słabsze niż na Jowiszu, a nawet słabsze niż na Ziemi. Wiadomo, że okołoplanetarne pole Jowisza nie ma charakteru dipolowego poza jego najbliższym otoczeniem (r < 5 R_J gdzie również grają rolę wyższe momenty magnetyczne) co jest skutkiem prądów pierścieniowych płynących w warstwie leżącej w płaszczyźnie równika. Pole Saturna natomiast (podobnie jak ziemskie) jest w dużym przybliżeniu dipolowe. Ten dipol jest jedynie lekko przesunięty wzdłuż osi obrotu planety (o około 0,004 R_S) co sprawia, że natężenie pól na biegunach północnym i południowym są różne (odpowiednio 0,6 i 0,4 ersteda). Warto dodać, że dipol Saturna (i Jowisza) jest odwrócony w porównaniu z dipolem ziemskim, tzn. biegun północny jest tam gdzie u nas południowy i na odwrót. Mówimy, że pola magnetyczne Jowisza i Saturna mają przeciwną polarność niż ziemskie. Wiemy również, że kierunki dipola Ziemi i Jowisza są nachylone mniej więcej o 10° w stosunku do osi obrotu planety. Co więcej takie nachylenie, w ramach tzw. modelu dynama magnetycznego, dobrze wyjaśnia pochodzenie pola magnetycznego tych planet przez prądy płynące w ich wnętrzach. Spodziewano się, że nachylenie dipola do osi obrotu może być cechą powszechną. Wielką więc niespodzianką było, że dane magnetyczne Saturna nie wykazały okresowości związanej z obrotem wokół osi, a zatem trzeba się było z tym pogodzić, że kierunek dipola Saturna (z dokładnością do 1°) pokrywa się z jego osią obrotu. Ten istotny fakt będzie miał wpływ na opracowanie poprawnego modelu dynama wyjaśniającego pochodzenia pola planetarnego.

Tak więc magnetosferę Jowisza charakteryzuje silne pole magnetyczne (duże odstępstwa od pola dipolowego), które zanika dość powoli z odległością od planety (proporcjonalnie do 1/r² lub 1/r). Magnetosfera jest olbrzymia (50 – 100 R_J) i dosyć podatna na działanie wiatru słonecznego. Planeta rotuje szybko. Z uwagi na te cechy jowiszową magnetosferę można przyrównać do rotujących magnetosfer pulsarów.

Zgodnie z danymi o promieniowaniu radiowym Saturna, okres obrotu wokół osi tej planety wynosi 10 godzin i 40 minut. Nawiasem mówiąc jest o 26 minut dłuższy od okresu uzyskanego wcześniej z obserwacji chmur na planecie. Saturn wiruje więc równie szybko jak Jowisz. Niemniej struktura pola magnetycznego Saturna jest odmienna. Ma ono charakter dipolowy, jego natężenie jest mniejsze i maleje znacznie szybciej z odległością (proporcjonalnie do 1/r³). Skutkiem tego magnetosfera jest mniejsza (~20 R_S), a jej rozmiary w mniejszym stopniu zależą od natężenia napływającego na nią strumienia wiatru słonecznego. A więc w aspekcie magnetycznym magnetosfera Saturna jest bardziej podobna do naszej ziemskiej. Jeśli natomiast chodzi o rolę księżyców, cząstki i sposób przenoszenia energii między cząstkami (aspekt plazmowy), to jest bardziej podobna do magnetosfery Jowisza.

Przed kosmiczną misją Pioneera do Saturna znano 10 jego księżyców, z których największy — Tytan (o promieniu 2560 km, pośredni rozmiar między Merkurym i Marsem) jest obdarzony dość gęstą atmosferą zasobną w azot (N). Voyager 1 stwierdził także obecność węglowodorów takich jak metan (CH₄), etan (C₂H₆), acetylen (CH≡CH) i etylen (CH₂≡CH₂) oraz wodoru molekularnego (H₂). Dzisiaj znamy już 16 naturalnych satelitów Saturna. Znano także 4 oddzielone od siebie pierścienie oznaczone literami A, B, C, D (według kolejności odkrycia, a nie położenia w stosunku do Saturna). Teraz znamy ich znacznie więcej. Sądzi się, że są one złożone z małych bryłek pokrytych lodem o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu centymetrów. Ich obraz jest jednak znacznie bardziej skomplikowany niż myślano uprzednio. Na zdjęciach przesłanych przez sondę Voyager 1 obserwujemy mnóstwo koncentrycznych pierścieni (rzędu 10³ lub więcej); tym samym trudno obecnie ustalić właściwe nazwy dla tej niezwykłej kosmicznej miriady pierścieni. Co więcej, w pobliżu odkryto kilka niewielkich księżyców. Oddziaływanie z nimi wpływa również na strukturę pierścieni.

Pierścienie oraz księżyce: Mimas (3,10 R_S), Enceladus (3,97 R_S), Tetyda (4,92 R_S), Dione (6,30 R_S) i Rhea (8,79 R_S) są cały czas we wnętrzu magnetosfery (w nawiasach podano średnie odległości od planety). Olbrzymi Tytan (20,38 R_S) jest natomiast obiektem pogranicza. Zazwyczaj jest wewnątrz magnetosfery, czasem zaś wskutek fluktuacji granicy magnetosfery, znajduje się na zewnątrz w wietrze słonecznym. W czasie wizyty Voyagera 1 Tytan był wewnątrz magnetosfery. Umożliwiło to zbadanie jej oddziaływania z tym księżycem i jego atmosferą.

Pamiętamy, że taki księżyc jak jowiszowy Io stanowi urządzenie, które można by nazwać kosmiczną elektrownią natury. Podobnie Tytan, jeśli się porusza w korotującym polu magnetycznym Saturna, to jego jonosfera (zewnętrzna zjonizowana część atmosfery) działa jak twornik prądu elektrycznego. Według pomiarów Voyagera 1, ta naturalna kosmiczna prądnica daje napięcie 6 kV, a jego moc wynosi około 20 megawatów, czyli jest znacznie mniejsza niż moc elektrowni Io. Sam Tytan natomiast prawdopodobnie nie ma własnego pola magnetycznego, co wskazuje na to, że nie ma w swym wnętrzu ciekłego, przewodzącego rdzenia. W każdym razie pole własne Tytana jest mniejsze niż jedna tysięczna natężenia pola magnetycznego na Ziemi.

W otoczeniu orbity Tytana Voyager 1 odkrył chmurę neutralnych atomów wodoru. Tworzy ona spłaszczony torus dookoła planety. Chmura jest olbrzymia: rozciąga się prawie milion kilometrów od orbity Tytana aż po orbitę księżyca Rhea (czyli do wewnątrz, w kierunku Saturna), a chociaż atomy neutralne są tu rozmieszczone dość rzadko (10 zajmuje 1 cm³), to ich całkowita masa wynosi około 25 tys. ton. Te cząsteczki nie rotują z planetą i jej polem magnetycznym: są bowiem elektrycznie obojętne. Inne zaś cząstki naładowane (jony dodatnie i elektrony) są, podobnie jak w przypadku Jowisza, „wmrożone” w pole magnetyczne i wirują razem z planetą (korotacja). Liniowa prędkość tego ruchu obrotowego na równiku wynosi 9,82 km/s. W pobliżu orbity Tytana, tzn. na granicy magnetosfery, prędkość tych korotujących cząstek wynosi zatem 200 km/s (720 tys. km/godz.). Dla porównania cząstki jowiszowe w otoczeniu Io poruszają się z prędkością około 77 km/s.

Ponieważ czas obiegu Tytana wokół Saturna wynosi około 16 dni, co odpowiada prędkości orbitalnej około 5,6 km/s, cząstki korotujące wraz z magnetosferą Saturna poruszają się znacznie szybciej niż sam Tytan. Napływ wirującej magnetosfery pozostawia zatem ślad wokół Tytana podobny do tego jaki motorówka zostawia na wodzie. Wewnątrz tego obszaru „śladowego” jony i elektrony są wolniejsze, chłodniejsze i bardziej zgęszczone niż w otaczającym obszarze magnetosfery; natomiast prądy, które tu płyną tworzą ogon magnetyczny, który się rozciąga przed Tytanem poruszającym się po swej orbicie.

Natura zjawisk fizycznych zachodzących w magnetosferze zależy w dużym stopniu od plazmy, która się tam znajduje; zaś jej właściwości zależą z kolei od tego, gdzie się plazma tworzy i dokąd odpływa. Badania nad tym zagadnieniem dalekie są jeszcze od zakończenia. W korotującej magnetosferze bezpośrednim źródłem plazmy może być jonosfera planety lub księżyce (jeśli takie się wewnątrz magnetosfery znajdują), które emitują cząstki. Przykładem jest wulkanicznie czynny księżyc Io, zanurzony głęboko w magnetosferze Jowisza, zionący cząsteczkami siarki i tlenu, które następnie ulegają rozszczepieniu (dysocjacja) na jony (jonizacja). Pioneer 11 w czasie przelotu w pobliżu Saturna obserwował cząstki zjonizowanego tlenu O⁺ (lub też OH⁺) w okolicach Dione i Tetydy. Ta składowa plazmy mogła powstać w wyniku fotodysocjacji cząsteczek lodu wyrzucanych przez te księżyce. Voyager 1 natomiast odkrył szybkie (około 11 tys. km/s) cząsteczki wodoru (H₂) w magnetosferze Saturna, co przemawia za tym, że Tytan może być istotnym źródłem magnetosferycznej plazmy. Pomiary tej sondy wykazują, że energie szybkich jonów w magnetosferze Saturna są na ogół dziesięciokrotnie mniejsze niż w magnetosferze Jowisza. Cząstki tego rodzaju, stanowiące tzw. plazmę „termiczną” (energie od kilku eV do kilkudziesięciu keV), są najliczniejsze: jeśli chodzi o liczbę cząstek na jednostkę objętości, są głównym składnikiem magnetosferycznej plazmy. Oprócz nich są tu również naładowane cząstki mniej liczne ale o znacznie wyższych energiach (od kilkudziesięciu keV do kilkudziesięciu MeV) zwane cząstkami (jony, elektrony) energetycznymi. Biorą się one przeważnie z wiatru słonecznego. Otóż zazwyczaj, wskutek zaburzeń na Słońcu i w konsekwencji w wietrze słonecznym, granica magnetosfery zmienia okresowo swe położenie (fluktuacje). Skutkiem tego cząstki wiatru słonecznego mogą być przechwycone przez pole magnetyczne planety przy granicy magnetosfery. Następnie w wyniku nieuporządkowanych ruchów (dyfuzja) przenikają samorzutnie do wewnętrznych części magnetosfery, gdzie zaczynają korotować z planetą. W miarę zbliżania się do planety są pod działaniem coraz silniejszego pola magnetycznego. Okazuje się, że w wyniku pewnych procesów uzyskują tym samym bardzo duże energie. W pewnej strefie wewnątrz obszaru korotacji (tak jak np. w ziemskich pasach radiacyjnych) ustala się pewien stan równowagi: cząstki naładowane są dostarczane z zewnętrznych źródeł przez dyfuzję, wewnątrz zaś magnetosfery pochłaniane przez księżyce, pierścienie albo atmosferę planety.

Księżyce zanurzone w magnetosferze mogą spełniać rolę kosmicznego odkurzacza, pochłaniając cząstki energetyczne. Zjawiska silnej absorpcji obserwowano w okolicach orbity Dione, Tetydy, Enceladusa, Mimasa i w odległości około 2,52 R_S od planety, która odpowiada nowemu księżycowi. Odkryto go zaledwie kilka godzin wcześniej przed zaobserwowanym zjawiskiem absorpcji, na zdjęciach przesłanych przez sondę Pioneer 11.

W końcu warto wspomnieć o pierścieniach Saturna, które wzbudziły wiele emocji. Ich struktura jest niezwykle skomplikowana. Niektóre z miriady pierścieni są ze sobą splecione. W poprzek pierścieni obserwowano wyodrębnione radialne linie przypominające szprychy koła rowerowego (patrz zdjęcie na drugiej stronie okładki tegorocznego numeru czerwcowego Uranii). Jest to cecha dość zagadkowa ponieważ elementy pierścieni poruszają się z różnymi prędkościami. Teoretycznie, z punktu widzenia mechaniki, takie obiekty nie powinny się w ogóle tworzyć, a w każdym razie nie powinny istnieć zbyt długo (są niestabilne): zewnętrzna bowiem część pierścienia rotuje wolniej niż wewnętrzna. Stwierdzono jednak, że czas życia niektórych takich tworów wynosi aż 3 godziny.

Obserwowano również wyładowania elektryczne, analogiczne do zajwisk zachodzących w plazmie. Okazało się ponadto, że pierścienie silnie pochłaniają cząstki naładowane, ale skutkiem tego i one same ulegają zmianie. Silną absorpcję cząstek obserwowano np. w odległości 2,34 – 2,37 R_S od planety, co odpowiada nowo odkrytemu pierścieniowi F. Te obserwowane zjawiska świadczą o tym, że pierścienie nie są zwykłym układem mechanicznym. Choć główna część ich masy jest powiązana siłami grawitacyjnymi, a księżyce Saturna oddziałują grawitacyjnie na elementy pierścieni obiegające planetę, to lżejsze cząstki mogą oddziaływać elektromagnetycznie powodując pewne widzialne efekty. Mechanizmy rządzące tymi zjawiskami, w tym również powiązanie ich ze zjawiskami natury elektromagnetycznej w magnetosferze planety, są teraz przedmiotem intensywnych badań.