Планета Сатурн известна с самых древних времен. Эта планета – значительно слабее по блеску, чем Венера, Юпитер и Марс. Его тусклый свет, имеющий матово-белый оттенок, а также очень медленное движение по небу создали планете дурную славу: рождение под знаком Сатурна издревле считалось плохим предзнаменованием.

В телескоп средней силы хорошо заметно, что шар Сатурна сильно сплюснут – еще сильнее, чем Юпитер. Его сжатие составляет порядка 10%. На «поверхности» планеты выделяются параллельные экватору полосы, правда менее четкие, чем у Юпитера. В этих полосах можно рассмотреть многочисленные, хотя и неяркие детали, именно по ним Уильям Гершель определил период вращения Сатурна. Он оказался очень коротким 10 часов 16 минут. Изредка на диске планеты появляются и более заметные детали. Так, в феврале 1876 года на экваторе Сатурна возникло большое белое пятно, обращавшееся с периодом 10 часов 14 минут на экваторе и 10 часов 38 минут на умеренных широтах. Незначительная разница не должна удивлять: как и у Солнца и Юпитера, скорость вращения атмосферы Сатурна в экваториальных зонах больше, чем вблизи полюсов.

Светло-желтый Сатурн внешне выглядит скромнее своего соседа – оранжевого Юпитера. У него нет столь красочного облачного покрова, хотя структура атмосферы почти такая же. Как и Юпитер, Сатурн в основном состоит из водорода и гелия. Только содержание гелия в его атмосфере ниже: он более равномерно распределен по всей массе планеты. Вследствие меньшей силы тяготения атмосфера Сатурна глубже Юпитерианской. Видимо, у Сатурна мощнее верхний слой светлых перистых аммиачных облаков, что делает его не таким «цветным» и полосатым.

Сатурн имеет одну интересную особенность: он – единственная планета в Солнечной системе, чья плотность меньше плотности воды (700 килограмм на кубический метр). Если бы было возможно создать огромный океан, Сатурн смог бы в нем плавать! Ускорение свободного падения на уровне облачной поверхности составляет g=9,44 м/с². АМС «Вояджер-1» выяснил, что около 7% объема верхней атмосферы Сатурна – гелий (по сравнению с 11% в атмосфере Юпитера), в то время как почти все остальное – водород. Поскольку предполагается, что условия формирования обеих планет одинаковы, то количество гелия на Сатурне должно быть примерно таким же, как и на Юпитере и Солнце. Недостаток этого элемента в верхней атмосфере может означать, что более тяжелый гелий, возможно, медленно опускается к ядру Сатурна. При этом выделяется тепловая энергия, которая излучается в космос. Минимальная температура на Сатурне – 82 К – измерена радиолучом «Вояджера-2».

Температура поверхности по измерениям теплового потока, исходящего из планеты в инфракрасной области спектра, определяется от -190 до -150°С (что выше равновесной температуры -193°С), соответствующей получаемому от Солнца потоку тепла. Это свидетельствует о том, что в тепловом излучении Сатурна есть доля собственного глубинного тепла, что подтверждается и измерениями радиоизлучения.

Вдоль экватора планеты проходит гигантское атмосферное течение шириной в десятки тысяч километров, скорость его достигает 500 м/с. Ветра дуют, большей частью, в восточном направлении (напомним, что как и большинство планет, Сатурн вращается с запада на восток). Сила ветров ослабевает при удалении от экватора. Также, при удалении от экватора, появляется все больше западных течений. Преобладание восточных потоков (по направлению осевого вращения) указывает на то, что ветры не ограничены слоем верхних облаков, они должны распространяться внутрь, по крайней мере, на 2 тысячи километров. Кроме того, измерения «Вояджера-2» показали, что ветра в южном и северном полушариях симметричны относительно экватора! Есть предположение, что симметричные потоки как-то связаны под слоем видимой атмосферы. Зависимость скорости ветров на Сатурне от широты. В атмосфере Сатурна часто наблюдаются штормы, хотя и не такие мощные, как знаменитое Красное Пятно. В частности, обнаружено пятно размером около 1250 километров.

Магнитное поле Сатурна более слабое по сравнению с Юпитером. Напряженность магнитного поля на уровне видимых облаков на экваторе 0,2 Гс (на поверхности Земли магнитное поле равно 0,35 Гс). Магнитосфера Сатурна отличается от юпитерианской. У Сатурна ось вращения совпадает с осью диполя. Некоторые заряженные частицы, двигаясь от полюса к полюсу, проходят через систему колец и поглощаются там льдом и пылью. Поэтому в области колец магнитосфера Сатурна очень пуста – в ней очень мало заряженных частиц. Хотя пятна атмосферных вихрей на Сатурне уступают по размерам юпитерианскому Большому Красному Пятну, но и там наблюдаются грандиозные штормы, видимые даже с Земли.

Интересно, что имя «Сатурн» произошло от римского имени Кронос, который был владыкой титанов в греческой мифологии. Слово «Сатурн» является корнем английского слова «суббота». Так как планета была названа в честь Кроноса, владыки титанов в греческой мифологии, то большинство из спутников Сатурна были названы в честь других титанов, их потомков, а также позже в честь гигантов из мифов других народов.

Эти спутники могут обладать странными характеристиками. Пан и Атлас имеют форму летающий тарелки, Япет имеет одну сторону, такую яркую, как снег, и одну сторону такую темную, как уголь, и Энцелад содержащий сведения о «ледяном вулканизме», тоесть извергается водой и другими элементами. Некоторые из этих спутников, таких как Прометей и Пандора, являются спутниками-пастухами, взаимодействуя с кольцами Сатурна, сдерживая материал этих колец на своих орбитах. Крупнейший спутник планеты Сатурн – Титан, немного больше, чем Меркурий, и является вторым по величине спутником в Солнечной системе после спутника Юпитера Ганимед. Титан спрятан под очень толстую, богатую азотом атмосферу, которая, вероятно всего, появилась еще задолго до рождения Земли. В то время как атмосфера Земли простирается лишь на 37 миль (60 км) в космос, атмосфера Титана простирается в 10 раз дальше. Замороженная поверхность Титана имеет жидкие озера из метана и рельеф, покрытый жидким азотом. Из-за этого исследователи считают, что если Титан и является гаванью для жизни, то эта жизнь будет в корне отличаться от земной.

Галилео Галилей был первым, кто увидел кольца Сатурна в 1610 году, хотя в его телескопе они напоминали больше ручки. Голландский астроном Христиан Гюйгенс, который имел более мощный телескоп, сделал предположение, что планета Сатурн имеет тонкое и плоское кольцо. Таинственные спицы были замечены в кольцах Сатурна, которые могли бы сходиться, и расходятся в течение нескольких часов. Ученые предположили, эти спицы могут состоять из электрически заряженных слоев частиц размеров с пыль, созданные небольшими метеоритами, влияющих на кольцах или электрическими пучками от молний планеты. Кольцо F Сатурна имеет плетеный внешний вид – оно состоит из нескольких узких колец и изгибов, изломов и ярких скоплений, которые могут создать иллюзии, что эти нити скручиваются.

Первый космический корабль, который достиг планеты Сатурн, был Пионер 11 (Pioneer 11) в 1979 году, пролетев на расстоянии в 13700 миль (22 тысячи километров) над ним. Он смог сфотографировать планету, двое его внешних колец, а также зафиксировал наличие сильного магнитного поля. Аппарат Вояджер (Voyager) обнаружил кольца планеты, состоящие из локон и отправил данные обратно, которые привели к открытию и подтверждению о существовании девяти спутников.

Космический аппарат Кассини (Cassini) является крупнейшим межпланетным космическим аппаратом, который побывал на орбите Сатурна. Он имел высоту двухэтажного дома, весил примерно 6 тонн (5650 килограмм), что примерно равно массе пустого 30 местного пассажирского школьного автобуса. Кассини сумел отправить зонд Гюйгенс (Huygens), который успешно погрузился через атмосферу Титана, чтобы успешно приземлиться на его поверхности.

Поскольку это наиболее массивная планета в Солнечной системе после Юпитера, гравитационное притяжение Сатурна оказало большое влияние на формирование Солнечной системы. Возможно, именно Сатурн яростно «швырнул» Нептун и Уран наружу. Юпитер вместе с Сатурном, возможно, также перекинули шквал мусора к внутренним планетам в ранней истории Солнечной системы.

Считается, что по своей структуре Сатурн очень похож на Юпитер и делится на три слоя. Внутренний слой представляет собой скалистое ядро в 10-20 раз массивнее планеты Земли. Считается, что ядро «вмонтировано» в слой жидкого металлического водорода. Наружный слой состоит из молекулярного водорода. Единственное существенное различие между структурой Сатурна и Юпитера – толщина двух наружных слоев. Юпитер имеет металлический слой водорода толщиной 46 тысяч километров, а молекулярный слой водорода составляет 12200 километров, тогда как Сатурн – 14500 километров и 18500 километров соответственно.

Сатурн, как и Юпитер, излучает примерно в 2,5 раза больше радиации, чем получает от Солнца. Это связано с так называемым механизмом Кельвина-Гельмгольца, согласно которому энергия образуется за счет гравитационного сжатия планеты и из-за ее огромной массы. Тем не менее, в отличие от Юпитера, общее количество излучаемой энергии не может быть объяснено в рамках этого процесса. Вместо этого, ученые предположили, что планета создает дополнительное тепло за счет трения гелиевых потоков.

Сатурн находится в 9,5 раз дальше от Солнца, чем общее расстояние от Земли до Солнца. Как результат солнечному свету требуется примерно час и двадцать минут, чтобы добраться до планеты. Кроме того, учитывая расстояние Сатурна от Солнца, продолжительность года на планете составляет 10756 земных суток; то есть около 29,5 земных лет.

Эксцентриситет орбиты Сатурна является третьим по величине после Меркурия и Марса. Наклон оси Сатурна, который составляет 26,73 градуса, очень похож на земной, и это объясняет наличие на планете таких же сезонов, как и на Земле. Однако из-за удаленности Сатурна от Солнца, он получает значительно меньше солнечного света в течение года и по этой причине сезоны на Сатурне являются гораздо более «смазанными» нежели на Земле.

Говорить о вращении Сатурна так же интересно как о вращении Юпитера. Обладая скоростью вращения примерно 10 часов 45 минут, Сатурн в этом показателе уступает только Юпитеру, который является самой быстро вращающейся планетой в Солнечной системе. Такие экстремальные темпы вращения без сомнения влияют на форму планеты, придавая ей форму сфероида, то есть сферу, которая несколько выпирает в районе экватора. Второй удивительной особенностью вращения Сатурна являются различные скорости вращения между различными видимыми широтами. Данное явление образуется в результате того, что преобладающим веществом в составе Сатурна является газ, а не твердое тело.

Кольцевая система Сатурна является самой известной в Солнечной системе. Сами кольца состоят в основном из миллиардов крошечных частиц льда, а также пыли и другого комического мусора. Такой состав объясняет, почему кольца видны с Земли в телескопы – лед обладает очень высоким показателем отражения солнечного света. Существует семь широких классификаций среди колец: А, В, С, D, Е, F, G. Каждое кольцо получило свое название согласно английскому алфавиту в порядке периодичности обнаружения. Самыми видимыми с Земли кольцами являются A, B и C. На самом деле каждое кольцо – это тысячи более мелких колец, буквально прижимающихся друг к другу. Но между основными кольцами есть пробелы. Пробел между кольцами А и В является самым крупным из этих пробелов и составляет 4700 километров. Основные кольца начинаются на расстоянии примерно 7 тысяч километров над экватором Сатурна и простираются еще на 73 тысячи километров. Интересно отметить, что, несмотря на то, что это очень существенный радиус, фактическая толщина колец не больше одного километра.

Наиболее распространенной теорией для объяснения образования колец является теория о том, что на орбите Сатурна, под воздействием приливных сил, распался среднего размера спутник, а произошло это в тот момент, когда его орбита стала слишком близкой к Сатурну.

В объективы телескопов Сатурн, как правило, виден в бледно-желтом цвете. Это происходит потому, что его верхние слои атмосферы содержит кристаллы аммиака. Ниже этого верхнего слоя находятся облака, которые в основном состоят из водяного льда. Еще ниже, слои ледяной серы и холодные смеси водорода.

На северном полюсе Сатурна наблюдается вихрь из облаков в форме почти правильного шестиугольника. Строгое научное объяснение данному феномену отсутствует, однако учёные Оксфордского университета смогли создать подобные вихри в лабораторном эксперименте. В баллон с водой, стоящий на вращающемся столе, опускали маленькие кольца, которые вращались ещё быстрее. Возникающие вихри создавали потоки жидкости различных форм – не только шестиугольные, но и квадратные, треугольные и овальные.

Увидев в телескоп Сатурн с неясными придатками, Галилей решил, что открыл спутники Сатурна. В то время существовала мода публиковать шифровки об открытиях, а когда они подтверждались, предоставлять публике расшифровку и тем самым подтверждать своё первенство. Галилей опубликовал анаграмму: «Smaismrmielmepoetaleumibuvnenugttaviras». Позже он расшифровал это на латыни: «Altissimum planetam tergeminum observavi» («Высочайшую планету тройную наблюдал»), хотя через время выяснилось, что эти «спутники» являются кольцами Сатурна. Другой астроном Иоганн Кеплер попытался расшифровать анаграмму, и у него получилось: «Salve, umbistineum geminatum Martia proles» («Привет вам, близнецы, Марса порождение»). Кеплер решил, что Галилей открыл два спутника Марса. Хотя эта расшифровка была неверна, гипотеза оказалась правильной, а подтвердилась спустя 250 лет.

Определить реальную скорость вращения Сатурна было очень сложно. Планета не имеет твердой поверхности, а движение газа стирает всю картину. Ученые смогли оценить скорость вращения Сатурна лишь с помощью анализа вращения магнитного поля планеты. 

Почти как лампочка, которой постепенно уменьшают ток, Сатурн за последние годы излучает все меньше энергии в инфракрасном диапазоне, причем его южное полушарие значительно «ярче», чем северное.

Исследователи под руководством Ли Лимина (Liming Li) из Корнеллского университета (США) проанализировали данные об инфракрасном излучении Сатурна, полученные в последние годы автоматической станцией «Кассини» (Cassini). Как оказалось, планета постоянно снижает яркость: только за последние четыре года ее излучаемая мощность упала на 2%, а эффективная температура – на 0,5%. Тот факт, что Сатурн излучает более чем в два раза больше энергии, чем получает от Солнца, был для ученых загадкой свыше десятилетия. Что генерирует эту лишнюю энергию?

Данные, полученные с инфракрасного спектрометра (CIRS) на борту «Кассини» ученые сопоставили с информацией, полученной в результате пролета зондов «Вояджер», побывавших в окрестностях Сатурна в 1980 и 1981 году. Эта информация в сочетании с данными о количестве солнечного тепла, которое получает планета, может помочь ученым в конечном счете понять природу источника энергии в недрах Сатурна.

Как показали данные «Кассини», южное полушарие Сатурна излучает примерно на одну шестую больше энергии, чем северное. Этот эффект соответствует смене времени – в течение последних пяти лет в северном полушарии Сатурна была «зима», и «лето» – в южном. Как и на Земле, смена сезонов на Сатурне обусловлена наклоном оси вращения планеты, из-за чего одно полушарие планеты получает от Солнца больше энергии, чем другое. Равноденствие на Сатурне, когда оба полушария освещены Солнцем одинаково, было в августе 2009 года.

Наблюдения «Кассини» показали, что эффективная температура – мера излучаемой тепловой энергии – северного полушария планеты постепенно падала с 2005 по 2008 годы и начала расти в 2009-м. В южном полушарии эффективная температура падала с 2005 по 2009 годы. При этом вся планета в целом за период наблюдений «Кассини» медленно остывала, снижая поток излучаемой энергии. Чтобы проанализировать изменения, произошедшие один сатурнианский год (около 30 земных лет) назад, ученые обратились к данным, собранным «Вояджерами» в начале 1980-х годов. Однако, как оказалось, тогда существенной разницы в излучении между полушариями планеты практически не было. Ученые полагают, что такие различия обусловлены погодой на Сатурне.

Изменения в потоке энергии на Сатурне связаны с облачным покровом. Когда меняется площадь облаков, меняется и количество излучения, уходящего в космос. Эти значения могут меняться в течение одного сезона и от года к году. Но чтобы полностью понять, что происходит на Сатурне, ученым нужна вторая половина картинки: количество энергии, которую поглощает планета. Ученые намерены сделать следующий шаг, сравнивая данные с разных инструментов на борту «Кассини». В частности, спектрометр поможет выяснить, какое количество энергии отражают облака Сатурна. Сравнивая эти данные с информацией о потоке солнечной энергии, можно вычислить количество поглощенной энергии и в конечном счете определить, каков источник внутренней энергии планеты.

Сатурн – шестая планета от Солнца и вторая по величине планета Солнечной системы согласно параметрам диаметра и массы. Зачастую, Сатурн и Юпитер называют братскими планетами. При сравнении, становится понятно, почему Сатурн и Юпитер были обозначены в качестве родственников. От состава атмосферы до особенностей вращения эти две планеты очень похожи. Именно в честь такой схожести, в римской мифологии Сатурн был назван в честь отца бога Юпитера. Не считая Землю, Сатурн является самой узнаваемой планетой в Солнечной системе. Причина этого очевидна – кольца. Не смотря на то, что другие газовые гиганты также обладают планетарной кольцевой системой, ни одна из них никоим образом не может по своему размеру и красоте даже близко напоминать окружение Сатурна. Сатурн является последней из планет, которую для себя открыли древние цивилизации. Более того, на сегодняшний день это самая малоизученная планета.