Кіріспе

Күн желiндегi қуыс алтыншы планетада магнетосфераны қалыптастырады. Хаббл телескопы түсiргендей, Сатурнның оңтүстiк полюсiндегi аурора. Сатурнның магниттiк өрiсiнiң бар екендiгiне алғашқы дәлел 1974 жылы 1 МГц жиiлiктегi планетадан таралатын әлсiз радиоэмиссиялардың анықталуымен келiп жеттi. Бұл орта толқынды сәуле шығару шамамен 10 сағат 30 минуттық мерзiммен модуляцияланды, бұл Сатурнның айналу мерзiмi ретiнде түсiндiрiлдi. Дегенмен, 1970 жылдарда қол жеткiзiлген дәлелдер тым шектеулi болды, ал кейбiр ғалымдар Сатурнның магниттiк өрiсi мүлдем болмауы мүмкiн деп ойлады, ал басқалары планета гелиопаузадан тыс жерде жатуы мүмкiн деген болжам жасады. Сатурнның магниттiк өрiсiнiң алғашқы нақты анықталуы 1979 жылдың 1 қыркүйегiнде болды, ол оның магниттiк өрiсiнiң күшiн тiкелей өлшеген «Пионер-11» ғарыш кемесi арқылы өттi. Бұл Сатурнның магниттiк өрiсiн Жердiкiнен сәл әлсiз етедi; алайда оның магниттiк моментi шамамен 580 есе үлкен. Сатурнның магниттiк диполi оның айналу осiмен қатаң сәйкес келедi, яғни өрiс ерекше түрде жоғары осьтiк симметрияға ие. Дипол Сатурнның айналу осi бойымен солтүстiк полюске қарай сәл ығысқан (0,037 Rs). Жердiң магнитосферасындағыдай, күн желiнiң плазмасын Сатурнның магнитосферасындағы плазмадан бөлетiн шекара магнетопауза деп аталады. Магнетопаузаның орналасуы күн желiнiң қысымына байланысты, ал ол өз кезегiнде күн белсендiлiгiне байланысты. Магнетопаузаның орташа қашықтығы шамамен 22 Rs құрайды. Одан кейiн, магнитосферамен соқтығысудан туындаған күн желiндегi бұзылыс – шоқ толқыны орналасқан. Шоқ толқыны мен магнетопауза арасындағы аймақ магнит қабығы деп аталады. Планетаның қарама-қарсы жағында күн желi Сатурнның магниттiк өрiс сызықтарын ұзын, созылатын магниттiк құйрыққа созады. Жопитер сияқты, бұл құйрық iшкi магнитосфералық плазманың магнитосферадан шығу жолы болып табылады. Сатурнның планеталық сақиналарымен бiрге орналасқан ең iшкi аймақ, шамамен 3 Rs шегiнде, қатаң диполярлы магниттiк өрiске ие. Бұл аймақ негiзiнен сақина бөлшектерiнiң сiңiретiн плазмадан бос, бiрақ Сатурнның радиациялық белдеулерi осы ең iшкi аймақта, сақиналардың iшiнде де, сыртында да орналасқан. Төртiншi шеткi аймақ 15 Rs-ден жоғары ендiктерде орналасқан және магнетопауза шегiне дейiн созылады. Ол төмен плазма тығыздығымен және күн желiнiң әсерiне ұшыраған, диполярлы емес магниттiк өрiспен сипатталады. Экваторлық жазықтыққа жақын магниттiк өрiс қатты созылып, магнит дискі деп аталатын дискі тәріздi құрылымды құрайды. Күнге қараған жағында, магнитосфера күн желiмен қысылған кезде ол болмауы мүмкiн, бұл әдетте магнетопауза қашықтығы 23 Rs-ден аз болғанда болады. Магнитосфераның түнгi жағында және бүйiрлерiнде магнит дискі әрқашан болады.

Динамикасы

Сатурнның магнитосферасын қозғалысқа келтіретін процестер Жер мен Юпитердегілерге ұқсас. Юпитердің магнитосферасында Иодан келетін плазманың бірге айналуы және массалық жүктеме басым болғандай, Сатурнның магнитосферасында да Энцеладтан келетін плазманың бірге айналуы және массалық жүктеме басым. Дегенмен, Сатурнның магнитосферасы көлемі жағынан әлдеқайда кішіді, ал оның ішкі аймағында оны елеулі түрде кеңейтіп, үлкен магниттік дискі құруға жеткілікті плазма жоқ. Күндізгі жағында көзге көрінетін магниттік дискі тек Күн желi қысымы төмен болғанда ғана қалыптасады, және магнитосфераның көлемі шамамен 23 Rs-тен артық болса. Алайда, магнитосфера Күн желiмен қысылғанда, күндізгі жағындағы магниттік дискі өте кішкентай болады. Екінші жағынан, магнитосфераның таңертеңгі секторында дискі тәрізді құрылым тұрақты түрде сақталады.

Плазманың көздері мен тасымалы

Сатурнның ішкі магнитосферасындағы плазма құрамында су тобының иондары басым: O+, H2O+, OH+ және басқалары, гидроний ионы (H3O+), HO2+ және O2+, бірақ протондар мен азот иондары (N+) да бар. Судың негізгі көзі – Энцелад, оның оңтүстік полюсіне жақын гейзерлерден 300–600 кг/с су буын шығарады. Бұл судың кем дегенде 100 кг/с иондалып, айналып тұратын магнитосфералық плазмаға қосылады. Кассини ғарыш аппараты ішкі магнитосферада N+ иондарының шағын мөлшерін байқады, олар да Энцеладтан шыққан болуы мүмкін. Магнитосфераның сыртқы бөліктерінде басым иондар – Күн желiнен немесе Сатурнның ионосферасынан пайда болған протондар. Магнитопауза шекарасына жақын 20 Rs орбитасында айналатын Титан плазманың маңызды көзі емес. Юпитер мен Сатурн үшін магнитосфераның ішкі және сыртқы бөліктеріне плазманың тасымалдануы өзара алмасу тұрақсыздығымен байланысты деп есептеледі. Содан кейін магниттік ағын құбырлары жаңадан суық, суға бай плазмамен толтырылған, сыртқы магнитосферадан келетін ыстық плазмамен толтырылған ағын құбырларымен алмасады. Плазмоидтар құйрықтан төмен қарай қозғалып, магнитосферадан қашып шығады. Магниттік дискі аймағында, 6 Rs-тан тыс жерде, айналмалы табақтың ішіндегі плазма магнит өрісіне айтарлықтай центробегтік күш салады, оны созуға әкеледі. Плазманың жылулық қысым градиентінің күші де маңызды болуы мүмкін. Сонымен қатар, сақиналық токқа шамамен 10 кэВ-тан астам энергиясы бар энергетикалық иондар елеулі үлес қосады, бұл планетаның магниттік моментін арттырып, магнитосфераның көлемін ұлғайтады. Полярлық сәулелер әдетте планетаның полюстерін қоршап тұрған жарық, үздіксіз шеңберлерге (овалдарға) ұқсайды. Оңтүстік полярлық сәуле үшін орташа орналасу 75 ± 1°, ал солтүстік полярлық сәуле полюске шамамен 1,5° жақын. Кейде полярлық сәулелер екеуі де сопақша емес, спираль тәрізді пішінге ие болуы мүмкін. Бұл жағдайда ол түн ортасында 80° шамасындағы ендікте басталады, содан кейін оның ендігі 70° төмендейді, өйткені ол таңертеңгі және күндізгі секторларға (сағат тіліне қарсы) жалғасады. Түске қарай полярлық сәуле ендігі қайтадан артады, бірақ түнгі секторға оралғанда ол әлі де салыстырмалы түрде төмен ендікке ие және таңертеңгі жарық бөлігіне қосылмайды. Юпитерден айырмашылығы, Сатурнның негізгі полярлық овалдары планетаның магнитосферасының сыртқы бөліктеріндегі плазманың ко-айналуының бұзылуымен байланысты емес. Сатурнның полярлық сәулелері Жердегілерге көбірек ұқсас, олар да Күн желiмен қозғалады. Олардың орналасуы мен жарықтығы Күн желiнің қысымына қатты байланысты: Күн желiнің қысымы көбейген сайын полярлық сәулелер жарықтырақ болып, полюстерге жақындап келеді. Осылайша, СКР планетаның полюстерінің айналасындағы полярлық сәулелермен байланысты. Сәулеленудің өзі спектрлік диффузиялық эмиссияларды, сондай-ақ 200 Гц-ке дейінгі тар жолақты тондарды қамтиды. Жиілік-уақыт жазықтығында, көбінесе Жопидің километрлік сәулеленуіне ұқсас, доға тәрізді белгілер байқалады. Планеталық айналу арқылы радиоэмиссияларды модуляциялау сұйық алып планеталардың ішкі бөлігінің айналу кезеңін анықтау үшін дәстүрлі түрде қолданылады. Алайда Сатурнның жағдайында бұл мүмкін емес сияқты, өйткені кезең он жылдық уақыт шкаласында өзгереді. 1980–1981 жылдары радиоэмиссиялардың кезеңділігі Вояджер 1 және 2 өлшегендей 10 сағ 39 мин 24 ± 7 с болды, ол кейін Сатурнның айналу кезеңі ретінде қабылданды. Ғалымдар Галилейдің, содан кейін Кассинидің әртүрлі мәнді қайтарғанынан таң қалды.

Радиациялық белбеулер

Сатурнның радиациялық белдеулері салыстырмалы түрде әлсіз, себебі энергиялы бөлшектер планетаның айналысындағы айлар мен ұсақ бөлшектермен жұтылады. Дегенмен, Сатурнның 2004 жылы Кассини аппараты тапқан екінші радиациялық белдеуі бар, ол ең ішкі D сақинасының ішінде орналасқан. Бұл белдеу CRAND процесі арқылы пайда болған энергетикалық зарядталған бөлшектерден немесе негізгі радиациялық белдеуден келген иондалған энергетикалық бейтарап атомдардан құралған болуы мүмкін. Бірақ, жоғары энергиялы бөлшектер мұзды айлардың бетін тозуға алып келеді және олардан суды, су туындыларын және оттекті шығарып жібереді.

Сақиналар мен айлармен өзара әрекеттесу

Сатурнның айналасында айналатын қатты денелердің, оның ішінде айлар мен сақина бөлшектерінің көптігі Сатурнның магнитосферасына күшті әсер етеді. Магнитосферадағы плазма планетамен бірге айналып, баяу қозғалатын айлардың арт жағына үнемі соқтығысады. Энергиялы электрондар мен иондардың жұтылуы Сатурнның сәулелену белдеулеріндегі ай орбиталарының жанындағы көзге көрінетін бос кеңістіктер арқылы байқалады, ал Сатурнның тығыз сақиналары 2.2 RS-ден жақын жердегі барлық энергетикалық электрондар мен иондарды жояды, планета маңында төмен сәулелену аймағын құрайды. Жоғарыда аталған үш ай магнитосфераға жаңа плазма қосады. Ең күшті көзі – Энцелад, ол оңтүстік полюсіндегі жарықтар арқылы су буы, көмірқышқыл газы және азотты шығарады. Диона – жаңа плазманы жұтудан гөрі көп шығаратын үшінші ай. Оның маңында пайда болатын плазманың массасы (шамамен 6 г/с) Энцеладқа жақын жердегіден шамамен 1/300 бөлігін құрайды. Бұл плазманы жұтатын айлар үшін байқалатын жағдайдың керісінше. Сатурнның магнитосферасындағы плазма мен энергетикалық бөлшектер, сақина бөлшектері мен айларға жұтылғанда, су мұзының радиолизіне әкеледі. Оның өнімдеріне озон, сутек пероксиді және молекулалық оттегі жатады. Біріншісі Рея мен Дионаның беттерінде анықталды, ал екіншісі ультракөк түсті аймақта айлардың шағылысуының тік спектрлік қисықтарына жауапты деп есептеледі. Оттегінің бір бөлігі ионданып, магнитосферада аз мөлшерде О2+ иондарын құрайды. SKR планетадан бірнеше астрономиялық бірлік қашықтықтағы ғарыш аппаратынан анықтауға жеткілікті күшті. Улисс SKR периодының 1%-ға дейін өзгеретінін анықтады, демек ол Сатурн ішкі бөлігінің айналу периодымен тікелей байланысты емес.