XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Властелин колец
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Данная работа посвящена исследованию удивительных колец планеты Сатурн. Предпринята попытка выявить причину происхождения и будущего исчезновения колец, почему могут исчезнуть кольца Сатурна и за какой промежуток времени.
Автора интересует гипотеза: что, если кольца Сатурна состоят из пыли, газа, льда, и двигаются за счёт гравитационных и центробежных сил планеты, то они могут исчезнуть через определённое время.
Основное содержание исследования составляет изучение планеты Сатурн и его колец, их возраста. В результате данной работы автор пришел к выводу, что, так называемый дождь, который выпадает ежесекундно из колец Сатурна в виде продуктов воды по 2-10 тонн на планету, сильно истощает систему колец, и это может привести к их полному исчезновению. В качестве ключевого доказательства исследования используются методы сравнения, сопоставления и анализа полученных фактов, изучения литературы.
Автором изучены научные труды исследователей, учёных Г. Галилея, Гюйгенса,А. Белопольского, Э.П. Хаббла. Все они внесли неоценимый вклад в открытие и изучение Солнечной системы, в том числе планеты Сатурн. Но, специальных исследований по этой теме недостаточно, данная проблема вызывает огромный интерес у учёных и активно изучается и требует дальнейших исследований.
Введение
Актуальность. На уроке окружающего мира, учительница рассказала нам, что в Солнечной системе есть планета, которую называют «Властелин колец». Меня это сообщение заинтересовало, так как есть ещё фильм по роману Джона Толкина «Властелин колец» 2001 года. И я решила провести свое исследование, почему планету Сатурн назвали Властелином колец.
Человечество изучало звёздное небо на протяжении многих столетий, и, тем не менее, оно продолжает раскрывать перед нами всё новые и новые тайны.
Сатурн с его кольцом - самая удивительная планета в солнечной системе.
На сегодняшний день в школьной программе отсутствует такой предмет как астрономия, хотя он привлекает внимание многих школьников. В курсе естествознания и окружающего мира даны скудные сведения о планетах, звёздах и других астрономических объектах, а интерес у школьников к изучению этого материала велик. В своей работе, на примере изучения планеты Сатурн с его замечательными кольцами и спутниками, я хотела показать, что изучение и наблюдение астрономических объектов интересное и захватывающее зрелище.
Объектом исследования являются сведения о планете Сатурн в Солнечной системе, предметом – кольца Сатурна.
Цель исследовательской работы заключается в комплексном анализе колец Сатурна.
В соответствии с поставленной целью в работе предлагается решить следующие Задачи:
-изучить и проанализировать литературу по данной теме;
- установить количество колец планеты Сатурн;
-выявить предполагаемую причину возникновения и исчезновения колец;
-подготовить интересный буклет для уроков окружающего мира.
Гипотеза нашей работы, предположим, что, если кольца Сатурна состоят из пыли, камней, льда, и двигаются за счёт гравитационных и центробежных сил планеты, то они могут исчезнуть через определённое время.
В ходе работы мы использовали следующие методы:
- изучение и анализ литературных источников и WEB-страниц научных организаций;
- сопоставление и анализ полученных фактов и сведений;
- разработки.
Теоретическая и практическая значимость данной работы: в результате данного исследования мы выявили интересную информацию о планете Сатурн и его кольцах. Из-за недостаточности сведений об этом явлении в научном мире результаты данной работы могут представлять интерес, как в теоретическом, так и в практическом плане. Содержание данного исследования может быть использовано в исследовательских работах, докладах, рефератах учащихся и студентов, учителями на уроках окружающего мира и естествознания.
Основная часть.
Из истории.
Сатурн был замечен людьми позднее таких ярких планет, как Юпитер, Марс и Венера. Но в Древней Греции о нём уже знали.
Визуальные наблюдения без телескопов не могли привести к серьезным открытиям. Первенство в астрономических открытиях Сатурна принадлежит Галилео Галилею (Приложение I, фото 1), человеку, который первый направил на небо телескоп. Знаменитый астроном Галилей в 1610 году обнаружил, что Сатурн чем-то окружен. Но его телескоп был слишком слаб, и потому Галилей не смог разобрать, что именно он видит около Сатурна. Зрительная труба ученого была настолько несовершенна, что не давала достаточно четкого изображения (Приложение I, фото 2). Это не позволило итальянцу рассмотреть кольцо Сатурна. Но по бокам от диска планеты Галилей видел неясные придатки. Он посчитал их спутниками Сатурна. [1].
Только полвека спустя голландскому ученому Гюйгенсу удалось выяснить, что это плоское кольцо, которое окружает планету и нигде с ней не соприкасается. Голландский ученый Гюйгенс открыл у Сатурна кольца, а также и самый большой спутник Сатурна - Титан. [1].
2. Наблюдения за планетой Сатурн.
У Сатурна побывало 3 космических аппарата.
Первым космическим аппаратом, посетившим окрестности Сатурна, был Пионер-11, который 1 сентября 1979 года прошёл на расстоянии 21 400 км от облачного слоя планеты. Он обнаружил магнитосферу планеты, показал тонкую структуру его кольца. Магнитное поле Сатурна оказалось сильнее земного, но слабее, чем у Юпитера. Была уточнена масса Сатурна. По характеру поля тяготения сделан вывод, что внутреннее строение Сатурна похоже на строение Юпитера. По данным измерений инфракрасного излучения учёные определили температуру видимой поверхности Сатурна. Она оказалась
равной 100 К, и этот факт свидетельствовал о том, что планета излучает приблизительно в два раза больше тепла, чем получает от Солнца. [2].
15 октября 1997 года в 4часа 43минуты стартовала ракета-носитель с автоматической межпланетной станцией Кассини-Гюйгенс на борту. Целью этой миссии является изучение Сатурна, его спутников и колец (Приложение 1, фото 3).
«Вояджеры» (1 и 2) посетили Сатурн с разницей во времени в 9 месяцев: в ноябре 1980 года и в августе 1981 года. [3].
1 июля 2004 года "Кассини" успешно совершил свой первый пролёт сквозь "зазор" между знаменитыми кольцами планеты-гиганта Сатурна - конечного пункта назначения ее 7-летнего космического путешествия. На этот отрезок времени приходится момент максимального сближения станции с планетой, когда от верхней границы облачного слоя Сатурна, "Кассини" будут отделять всего 19.980 километров. Такого больше никогда в истории этой экспедиции не повторится. [3].
Более качественные изображения были получены во время пролёта двух Вояджеров, которые под действием притяжения Юпитера изменили свои траектории и направились к Сатурну. На полученных снимках облачного покрова планеты были видны завихряющиеся полосы, вихри, ореолы и пятна разных цветов - от жёлтого до коричневого, напоминающие образования на Юпитере (Приложение 1, фото 4). Обнаружено и красное пятно поперечником около 1250 км, а также быстро исчезающие тёмные овальные образования.
Сатурн относится к типу газовых планет: он состоит в основном из газов и не имеет твёрдой поверхности. Экваториальный радиус планеты равен 60 300 км, полярный радиус — 54 400 км; из всех планет Солнечной системы Сатурн обладает наибольшим сжатием. Масса планеты в 95,2 раза превышает массу Земли.Однако Сатурн имеет одну интересную особенность: он – единственная планета в Солнечной системе, чья плотность меньше плотности воды (700 кг на кубический метр). Если бы было возможно создать огромный океан, Сатурн смог бы в нем плавать! [4].
Среди планет Солнечной системы спутников больше всего у Сатурна — 82. Самые крупные Титан и Энцелад.
3. Почему вокруг Сатурна кольца?
Сатурн с его кольцами - самая удивительная планета в солнечной системе. Широкое, совершенно плоское кольцо окружает экватор планеты, как шляпу - ее поля. Оно расположено наклонно к тому кругу, по которому Сатурн обходит Солнце за 29,5 лет.
Поэтому в зависимости от положения Сатурна на его пути кольцо поворачивается к нам то одной стороной, то другой. Каждые 15 лет оно располагается к нам ребром, и тогда его нельзя разглядеть в даже самые сильные телескопы. [12].
Кольца Сатурна необычайно тонки: хотя их диаметр около 250 000 км, их толщина не превышает 1,5 километров. Сатурн окружают три основных кольца (А, B и C), которые, как и экватор планеты, наклонены к плоскости ее орбиты под углом 26°45’. Есть и более слабые кольца, их 4 – D, E, F, G. При ближайшем рассмотрении колец оказывается еще больше. (Приложение II, фото 1)
Внутренние части колец вращаются быстрее внешних. От внутренних колец до Сатурна 19 980 км. [5].
Внешнее кольцо отделено от среднего темным промежутком - щелью Кассини. Среднее кольцо - самое яркое. От внутреннего кольца оно тоже отделено темным промежутком. Внутреннее темное и полупрозрачное кольцо называется креповым. Край его размыт, кольцо постепенно сходит на нет. (Приложение 2, фото 2)
Кольца Сатурна являются скоплениями ледяных и каменистых обломков, имеющих форму почти плоских дисков диаметром в сотни тысяч километров. ( Приложение 2, фото 3).Толщина их в некоторых областях составляет не более 10 м, зато в других она может достигать нескольких километров – так свидетельствуют недавно полученные снимки Cassini.
Недавно учёные обнаружили на внешнем кольце горы-пики высотой в 2500 метров. Эти горы состоят изо льда. ( Приложение II, фото 4)
Почему кольца плоские? Их форма - это результат действия двух сил: гравитационной (притяжения) и центробежной. Гравитационное притяжение стремится сжать их со всех сторон. Вращение колец препятствует сжатию поперек оси вращения, но не может помешать ее сплющиванию вдоль оси. [6].
Откуда они появились? На этот счет существует две гипотезы.
Согласно первой теории, кольца появились в результате крушения неосторожного спутника, кометы или астероида, приблизившегося к Сатурну. Разрушение «чужеродного» тела могло произойти из-за влияния приливных сил гигантского Сатурна, буквально разорвавшего его "на клочки" своим мощным притяжением. Расчеты показали, что если бы спутник и образовался на таком расстоянии, на котором находятся кольца, то он был бы разорван под действием приливной силы на мелкие осколки. [7].
По другой гипотезе, кольца Сатурна - это остатки огромного околопланетного облака. Из внешних областей этого облака сформировались спутники, а внутренние все еще пребывают в раздробленном состоянии, то есть в виде колец. Они не смогли сформировать спутники из-за непостоянного притяжения Сатурна, слишком беспорядочно вращались и соударялись, и из-за этого постоянно дробились, так что дошли до такого рыхлого состояния, что рассыпаются от малейшего толчка. [8].
Первые тщательные исследования возраста Сатурна дали цифру в 4,6 миллиардов лет – выходит, кольца Сатурна почти что ровесники Солнечной системы!
Однако собранные миссией Voyager данные привели к совершенно иному результату: 200 миллионов лет – то есть, они сформировались тогда, когда на Земле уже обитали динозавры.
4. Прогнозы об исчезновении колец навсегда.
Разные научные организации и астрономы по-своему оценивают проблему исчезновения колец Сатурна, но все они опираются на данные зондов-спутников космического агентства.
1. Ученые НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) выяснили, что кольца Сатурна могут исчезнуть менее чем через 100 миллионов лет, сообщает интернет-портал Phys.org со ссылкой на исследование космического агентства. [10].
Результаты исследования были опубликованы в научном издании Icarus. Оценки ученых основаны на данных, собранных зондами "Вояджер" и "Кассини".
Как отмечается, под действием гравитации частицы льда, из которого преимущественно состоят кольца, притягиваются к планете, что вызывает их стремительное истощение.
"По нашим оценкам, так называемый дождь, который выпадает из колец Сатурна в виде продуктов воды, мог бы за полчаса наполнить олимпийский бассейн", - цитирует портал одного из авторов исследования Джеймса О'Донохью. По его словам, один этот факт уже указывает на то, что "вся система колец исчезнет через 300 миллионов лет". Однако, если учитывать данные аппарата "Кассини" о количестве материала, который выпадает на экватор планеты, "кольца просуществуют меньше 100 миллионов лет".
"Это довольно небольшой срок, принимая во внимание, что возраст Сатурна составляет более четырех миллиардов лет", - отметил О'Донохью.
Ученые давно пытались выяснить происхождение и возраст колец Сатурна. По одной версии, они сформировались вместе с планетой, по другой - образовались гораздо позднее. Результаты исследования показали, что возраст колец вряд ли составляет более 100 миллионов лет. В этом случае они могли сформироваться из-за столкновения небольших ледяных спутников на орбите планеты.
"Нам повезло, что мы можем увидеть систему колец Сатурна, которая, по всей вероятности, находится в середине своего жизненного пути", - заявил ученый. Он также отметил, что мы могли не застать те времена, когда у Юпитера, Урана и Нептуна были крупные системы колец, которые к сегодняшнему дню, вероятно, значительно истощились.
2 . Журнал «Вокруг света» пишет, что кольца, которые более чем на 90 процентов состоят из ледяной воды, постепенно притягиваются к планете.
Гравитация притягивает ледяные частицы, истощая кольца. По пути они тают и образуют «кольцевой дождь». Под воздействием магнитного поля на Сатурн падает две тонны воды в секунду. [11].
Особенно быстро кольца разрушаются в районе экватора. Каждую секунду там падает не две, а 10 тонн льда. Процесс ускоряется, кольца Сатурна могут исчезнуть уже через 100 – 300 миллионов лет, отмечает основной автор исследования Джеймс ОʼДонохью из NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства). По его словам, это худший сценарий, который ученые прогнозировали ранее.
Новость NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства)— не неожиданность для научного сообщества. О том, что кольца Сатурна постепенно разрушаются, исследователи узнали в 80-х. Первые доказательства появились в 2013 году.
Исследователи предположили, что Юпитер, Уран и Нептун ранее тоже могли иметь кольца, которые разрушились тем же способом. [11].
3. Данные, собранные зондом "Кассини" в последние мгновения жизни, указывают на то, что материя внешних колец Сатурна очень быстро падает в его атмосферу. Это приведет к их исчезновению в ближайшее время, передают РИА (Российское Информационное Агентство) Новости со ссылкой на Science. [13].
"Оказалось, что кольца Сатурна не просто "моросят", падая в атмосферу планеты, а порождают самый настоящий ливень. Лед, капли воды и пыль движутся так быстро, что каждую секунду Сатурн "съедает" примерно 10-45 тонн материи колец", — заявил Хантер Уайт (Hunter Waite) из Юго-западного исследовательского института в Боулдере . [13]
4. Анализ данных космического зонда Cassini позволил выяснить, что кольца Сатурна исчезнут на 200 миллионов лет раньше, чем предполагали ученые, передает Business Insider. [9].
Tehnot.com ранее рассказывал о «дожде» от колец Сатурна до поверхности планеты. На область около экватора планеты ежесекундно попадает около 45 тонн пыли, льда и газа внутренних колец, что доказывает процесс уменьшения колец. Теперь стало известно, как быстро это будет происходить. [9].
Внутренние кольца располагаются примерно в 280 тыс. км от поверхности Сатурна. О дожде от колец Сатурна ученые владеют информацией еще с 1980-х годов, когда рядом впервые пролетел зонд NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) «Вояджер». Но тогда они предполагали, что наиболее известный аксессуар Сатурна исчезнет через 300 миллионов лет.
Актуальные данные позволили пересчитать сроки и выяснить, что кольцам осталось жить лишь 100 миллионов лет. После этого ученые не смогут больше сделать фотографии гор на кольцах Сатурна.
5. Результаты исследований учёных.
Таким образом, 40 лет назад ученые уже прогнозировали будущее исчезновение колец, но тогда по их подсчётам это могло произойти только через 300 лет.
По актуальным данным, кольца Сатурна испаряются с рекордной скоростью, гласит исследование NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства). Частицы льда притягивает к огромной планете силой гравитации. [11].
По подсчетам специалистов, каждые полчаса кольца теряют массу объемом с олимпийский бассейн. Спустя сто миллионов лет они могут полностью испариться – это весьма недолгий срок, учитывая, что возраст самого Сатурна составляет четыре миллиарда лет. Возраст колец может составлять 100 миллионов лет, то есть сейчас они в середине своего «жизненного» цикла.
Заключение.
В ходе данного исследования был проведен анализ литературы по данной теме, установлено наличие колец и спутников у планеты Сатурн.
Сравнительный анализ данных, полученных в ходе наблюдений и изученной литературы, позволил сделать выводы:
- Сатурн с его кольцами - самая удивительная планета в солнечной системе. Широкое, совершенно плоское кольцо, шириной 250 тысяч километров, окружает экватор планеты, как шляпу - ее поля. Оно расположено наклонно к тому кругу, по которому Сатурн обходит Солнце за 29,5 лет;
- снимки показывают несколько сотен колец у Сатурна, однако принято рассматривать крупные образования, которые являются наиболее постоянными деталями колец;
- кольца Сатурна состоят из множества ледяных частиц с размерами от долей миллиметра до нескольких метров;
- на внешнем кольце имеются горы из ледяных частиц высотой до 2, 5 километров;
- по оценкам разных учёных кольца за счёт гравитации истощаются и могут исчезнуть по предварительным данным примерно через 100 миллионов лет, а не 300, как предполагали раньше.
Таким образом, выдвинутая нами в начале работы гипотеза подтвердилась: что, если кольца Сатурна состоят из пыли, газа, льда, и двигаются за счёт гравитационных и центробежных сил планеты, то они могут исчезнуть через определённое время. Так как кольца оказались похожими по составу на материю комет. Они содержат в себе большие количества органики, кислорода и аммиака, которые вступают в сложные реакции во время падения "дождя" на Сатурн. Особенно быстро кольца разрушаются в районе экватора. Каждую секунду там падает не две, а 10 тонн льда на планету.
Материалы данной работы можно использовать на уроках окружающего мира, географии, физики.
Каких бы высот не достигала наука и техника будущих веков, многие фундаментальные открытия останутся заслугой века нынешнего. В настоящее время живёт фактически первое поколение людей, которое знает, каково расстояние до самых далёких наблюдаемых объектов. Это не означает, что будущим поколениям осталось только уточнять детали. Нет, чем больше мы знаем, тем чаще соприкасаемся с Неизвестным, так что число проблем, требующих решения не уменьшается.
Мы планируем продолжить исследования в этой области.
Список литературы:
1. Андрианов Н.К., Марленский А.Д. Астрономические наблюдения в школе.- М: Просвещение, 1987г. с.48-59
2. Аксёнова М. Астрономия.- М: Аванта+ 2004г. с.229,с.552,с.559.
3. Массон Мишель и Клодин. Космос. - М: АСТ Астрель, 2002г. с.150
4. Майлс Л., Смит А., перевод с англ. Астрономия и космос.- М: Росмен, 2000г. с.30-34
5. Монльор Р.Р. перевод с испанск. Астрономия. Атлас.- М: Росмен, 1999г. с.5, с.27, с.52.
6.Насонова Л.П. Система Сатурна.- сб. Динамика спутников планет. Итоги науки и техники. Т. 35. с. 70-133.
7. Хабер Хейнц перевод с немец. Звёзды.- Германия: Слово, 1994г.с.4, с.14.
8. Хьюши М. Перевод с англ. Юный исследователь. Звёзды и планеты.- М: Росмен 1994г. с.37, с.70.
9. https://tehnot.com/koltsa-saturna-ischezayut/
10. https://ria.ru/20181218/1548208816.html
11. https://vokrugsveta.ua/science/koltsa-saturna-mogut-ischeznut-19-12-2018
12. https://v-kosmose.com/kosmos-dlya-detei/pochemu-u-saturna-ischezayut-koltsa/
13. https://www.zakon.kz/4940194-uchenye-vyyasnili-pochemu-ischezayut.html
14. https://universemagazine.com/8513/
Приложение 1.
Фото 1. Фото 2.
Фото 3. Фото 4.
Приложение 2.
Фото 1. Фото 2.
Фото 3. Фото 4.