< Китайский марсоход «Чжужун» обнаружил следы воды на месте своей посадки

Максимальный размер частиц в кольцах Сатурна определяется тепловым растрескиванием

Главные кольца Сатурна состоят из ледяных частиц размерами от 1 сантиметра до 10 метров. Более крупных глыб очень мало. В новой работе показано, что дефицит более крупных объектов в кольцах объясняется тепловым растрескиванием частиц колец.

---

Владислава Ананьева

Сатурн знаменит своими красивыми яркими кольцами. Главные кольца Сатурна, A и B, состоят из множества ледяных частиц размерами от ~1 см до ~10 м. Встречаются там и более крупные ледяные объекты диаметром от 40 до 860 метров, которые называют «спутничками» (moonlets). Однако количество таких мини-спутников мало – если в диапазоне 0.01-10 метров количество частиц следует степенному закону с показателем степени -3, то для объектов больше 10 метров показатель степени уменьшается до -5… -11. 

Причина дефицита в кольцах сравнительно крупных ледяных глыб до сих пор неизвестна. Если спутники размерами больше километра, находясь внутри полости Роша Сатурна, будут разорваны приливными силами, более мелкие глыбы должны сохранять свою целостность благодаря прочности водяного льда.

11 мая 2022 года в Архиве электронных препринтов была опубликована статья, посвященная расчетам теплового режима частиц главных колец Сатурна. Резкие колебания температуры на поверхности безатмосферных тел Солнечной системы (например, Луны) приводит к тепловому растрескиванию валунов и их постепенному разрушению. Так, на Луне валун метрового размера растрескается и разрушится за время порядка 10 тыс. лет. Авторы изучили роль теплового растрескивания для ледяных глыб в кольцах Сатурна и показали, что оно действительно приводит к разрушению объектов размерами больше 10 метров, если пористость льда составляет 40%. 

Частицы колец испытывают резкие колебания освещенности. Вблизи солнцестояний солнечный свет падает на кольца под углом 27°, и их освещенная сторона нагревается до 90 К, а не освещенная – до 65 К. Вблизи равноденствий солнечные лучи падают очень полого, и кольца остывают до 50 К. Каждая частица кольца делает один оборот вокруг Сатурна в среднем за 10 часов, причем 2 из них она может проводить в тени планеты, где резко остывает на ~10 К. Кроме того, частицы вращаются вокруг своей оси. Если 40-метровые глыбы приливно захвачены и повернуты к планете одной стороной, более мелкие частицы за один оборот вокруг Сатурна могут сделать несколько оборотов вокруг своей оси (10-сантиметровые – от десятков до сотен оборотов). 

Поскольку физическое состояние частиц колец до сих пор плохо известно, авторы провели расчеты для монолитного льда, ледяных частиц средней пористости в 40% и рыхлых снежков с пористостью 90%. Даже чистый лед начинал трескаться при колебаниях температуры на 14 К, для более рыхлых частиц было достаточно и меньших температурных контрастов. Как оказалось, максимальному растрескиванию подвергаются частицы размерами в 10 метров (для очень пористых снежков), 20 метров (для сугробов с пористостью 40%) и 200 метров для глыб из монолитного льда. Более мелкие частицы нагревались и остывали более равномерно (целиком), более крупные оказывались окружены слоем рыхлого реголита, защищающего от температурных контрастов изотермическую сердцевину.

Таким образом, тепловое растрескивание действительно может объяснить дефицит частиц с размерами свыше 10 метров в кольцах Сатурна. По всей видимости, частицы колец сложены не из плотного льда, а из рыхлого снега с пористостью 40-90%.

Интересно, что очень мелких частиц (миллиметрового размера и меньше) в главных кольцах Сатурна также мало. Хотя мелкие снежинки должны образовываться в результате взаимных соударений частиц колец, они достаточно быстро налипают на более крупные частицы, становясь частью покрывающего их рыхлого реголита.

Источник: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2205/2205.05219.pdf

---