По данным о внутреннем магнитном поле Сатурна, полученным во время завершающего полёта аппарата «Кассини» астрономы смогли промоделировать образование его магнитосферы и определить необходимые для её существования компоненты. Особые характеристики магнитного поля Сатурна обеспечиваются благодаря слою гелия, который при сверхвысоких давлениях не смешивается с водородом и выпадает в осадок из атмосферы, конденсируясь над проводящим ядром из металлического водорода. Этот слой нерастворимого гелия достигает глубины около 70% радиуса Сатурна и тормозит механизм его магнитного геодинамо, из-за чего магнитное поле Сатурна выглядит более устойчивым и симметричным, чем у Земли и других планет.
В сентябре 2017 года аппарат «Кассини», исследовавший Сатурн и его спутники, закончил работу и был отправлен в недра планеты. Этот последний этап его работы называют Grand Finale. На протяжении последнего полёта он исследовал внутреннее магнитное поле Сатурна и другие его физические характеристики. Астрономы воспользовались этими данными для создания более точной модели внутренней структуры планеты. Они сосредоточились на двух задачах: определении устойчивости и толщины слоя гелия, выпадающего из атмосферы, а также исследовании термальных ветров в этом нижнем слое атмосферы. Статья планетологов из университета Джонса Хопкинса по результатам обработки данных «Кассини» вышла в мае 2021 года в AGU Advances.
Магнитное поле Сатурна выделяется среди магнитосфер других планет Солнечной системы несколькими особенностями. Прежде всего оно очень симметрично относительно своей оси — такая степень симметрии обычно не воспроизводится при моделировании магнитного динамо (предполагаемый механизм генерации магнитного поля планет). Кроме того, оно изменяется очень медленно. Наблюдения за 40 лет показывают, что изменения магнитного поля Сатурна происходят по крайней мере на порядок медленнее, чем в магнитосфере Земли. Это указывает на необычную динамику вещества в недрах Сатурна, которая может отличаться от динамики других планет.
Внутреннее строение Сатурна изучают, как чёрный ящик, определяя ограничения по данным внешних измерений. Доступная информация включает сведения о массе и объёме, данные по тепловому потоку, гравитационному и магнитному полю, а также сейсмографию колец (в последнем случае речь идёт о волнах плотности в кольцах Сатурна, которые позволяют исследовать внутреннюю структуру планеты по «сатурнотрясениям», работая как сейсмостанции). Допустимые решения для строения внутренних слоёв планеты можно получить, используя все эти данные в сочетании с уравнениями состояния вещества планеты в зависимости от изменения давления и температуры с глубиной. Такие решения обратной задачи, конечно, не являются однозначными и допускают разные варианты профиля глубины, совместимые со всеми известными ограничениями.
2, e2020AV000318 (2021).
Модельные представления о внутреннем строении Сатурна на основе всех известных ограничений обычно предполагают твёрдое или устойчиво расслоенное внутреннее ядро из льда или каменных пород, над которым располагается конвективный электропроводящий слой с высоким содержанием металлического водорода. Это жидкое проводящее ядро и обеспечивает работу механизма магнитного динамо из-за вращения планеты — так же, как работает механизм генерации магнитного поля Земли с её жидким металлическим внешним ядром. (О свойствах магнитного поля Земли и механизмах его генерации у нас на сайте есть отдельная большая статья). Эту проводящую область «конвективного динамо» окружает изолирующий слой атмосферы преимущественно из молекулярного водорода. Кроме того, предполагается, что в «атмосфере» Сатурна содержится ещё один промежуточный слой из гелия, на что указывают расчёты уравнения состояния для его атмосферы и эксперименты под высоким давлением. При давлениях выше 1 Мбар (1 миллион атмосфер) гелий не смешивается с водородом. Для Сатурна такие условия достигаются на глубине примерно 0,62 его радиуса (радиус Сатурна — около 60 тысяч километров). В результате более тяжёлый гелий выпадает из атмосферы и создаёт дополнительный слой над конвективным ядром. Этот слой сдерживает конвекцию и, возможно, именно он обеспечивает такую устойчивость и симметричность магнитного поля. При более высоких давлениях гелий снова может смешиваться с металлическим водородом и не препятствует конвекции и магнитному динамо в более глубоких областях. Критическая глубина, на которой это происходит, а также толщина слоя гелиевых «осадков» пока оставались неопределёнными.
Оказалось, что для воспроизведения наблюдаемого осесимметричного магнитного поля Сатурна необходим относительно толстый слой выпадения гелия с умеренной степенью расслоения. Он может достигать в глубину до 70% радиуса Сатурна. Согласование с данными «Кассини» по магнитному полю также требует особого профиля возмущений теплового потока в верхней части этого слоя. Тепловой поток должен быть более слабым в экваториальных областях планеты, но усиливаться в её высоких широтах и ближе к полюсам. Такое возмущение обеспечивает перепад температуры в слое между экватором и полюсами и, как следствие, вращение среды с разной скоростью на разных широтах (дифференциальное вращение). Предсказания модели становятся более неопределёнными ближе к полюсам, тем не менее магнитные данные, полученные во время погружения «Кассини», позволяют установить новые ограничения на стратификацию вещества Сатурна и распределение температуры в его недрах. Кроме того, они помогут в очередной раз уточнить период вращения планеты.
