Почему Сатурн невидим на этом радиолокационном изображении его колец?

Основная проблема заключается в том, что в атмосфере Сатурна относительно мало материала, который может эффективно рассеивать радиолокационные волны, поэтому радар в основном просто поглощается.

Ключевым моментом является то, что гораздо сложнее получить радар от очень маленьких объектов (аэрозольных капель или крошечных частиц льда), которые составляют облака в верхних слоях атмосферы Сатурна, чем обнаружить куски льда метрового размера в кольцах.

На рисунке ниже (отсюда ) показано$\sigma / (\pi r^{2})$, которое представляет собой «эффективное» поперечное сечение рассеяния относительно геометрического поперечного сечения рассеивающего объекта, построенное в зависимости от размера объекта.$r$относительно длины волны света$\lambda$(например, радиоволны, используемые в радарах). Когда размер объекта примерно равен длине волны света или больше, он эффективно рассеивает их: его эффективное поперечное сечение примерно такое же, как его геометрическое поперечное сечение (без учета других эффектов, таких как химический состав, шероховатость поверхности и т. д.). .). Иногда она может быть даже в несколько раз больше!

Но когда объекты становятся меньше длины волны, вы переходите к режиму рэлеевского рассеяния, где рассеяние зависит от размера объекта в шестой степени .

Представьте себе сферу радиусом 10 см, примерно такую ​​же, как типичная длина волны радара (так что$2 \pi r / \lambda \sim 1$). Он будет иметь эффективное сечение, аналогичное его геометрическому сечению: около 300 см.$^2$. Теперь представьте, что вы разделяете этот объект на сферы, равные одной десятой радиуса. Это будет означать около 1000 объектов радиусом 1 см (чтобы общий объем был одинаковым), с общим геометрическим сечением около 3000 см.$^2$(реально чуть меньше, из-за затенения). Но график показывает, что эффективное поперечное сечение уменьшается в 1000 раз, поэтому полное радиолокационное сечение всех малых объектов — и, следовательно, энергия обратного рассеяния радиолокационных волн — будет в десять раз меньше, чем было для один большой объект того же общего объема. И это только для уменьшения размера в десять раз; на самом деле мы говорим о переходе от объектов размером от сантиметра к метру (кольцо) к облачным частицам субмиллиметрового и микронного размера в атмосфере Сатурна.

Вот почему метеорологический радар на Земле может показывать осадки (дождь, снег, град) — потому что капли дождя и т. имеют большой размер (несколько миллиметров) и могут с некоторой эффективностью рассеивать радиолокационные волны, но обычно не могут показать вам облака , потому что капли воды, из которых состоят облака, очень малы. (И, очевидно, радар не был бы так полезен для военных, если бы его легко рассеивали облака.)

Таким образом, если в верхних слоях атмосферы Сатурна не плавают куски льда сантиметрового или большого размера, вы не получите большого количества радиолокационных сигналов от самого Сатурна. Первоначальное открытие радиолокационных отражений от колец удивило людей, потому что предполагалось, что кольца состоят из очень маленьких (например, микронного размера) кусочков льда, которые также не будут эффективно отражать радиолокационные волны.

Изображения, которые вы представляете, не являются буквальными изображениями колец Сатурна. Это графики с доплеровской задержкой: вертикальная ось представляет расстояние от Земли, а горизонтальная ось представляет скорость по направлению к Земле или от нее. Поскольку кольцевые частицы движутся по круговым траекториям вокруг Сатурна, получается эллиптическая диаграмма.

Еще одним доказательством того, что это не буквальное изображение, является тот факт, что кольца не концентричны. Кольцо B ближе к Сатурну, чем кольцо A (меньшие отклонения по вертикальной шкале), но поскольку оно ближе, частицы движутся быстрее (больше отклонений по горизонтальной оси).

Отсутствие Сатурна, как кратко отмечено в упомянутой вами статье, связано с тем, что он просто не очень яркий. Только небольшая часть Сатурна движется с любой заданной комбинацией скорости и расстояния по сравнению с большими площадями колец, а атмосферные газы являются лишь слабыми радиолокационными отражателями, тогда как скалы являются сильными отражателями. Согласно рисункам 3 и 4 в статье, если бы Сатурн был виден, он был бы дугой в середине графика, простирающейся по вертикали от 0 до примерно -200 и по горизонтали от -141 до +141.