АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2008, том 42, № 1, с. 10-19
УДК 523.45
ПРИЧИНЫ СЕЗОННЫХ ВАРИАЦИЙ АСИММЕТРИИ "СЕВЕР-ЮГ"
ПОЛЯРИЗАЦИИ ЮПИТЕРА
© 2008 г. О. С. Шалыгина, В. В. Корохин, Л. В. Старухина, Е. В. Шалыгин, Г. П. Марченко, Ю. И. Великодский, О. М. Стародубцева, Л. А. Акимов
НИИ астрономии Харьковского национального университета им. В Н. Каразина, Украина Поступила в редакцию 28.08.2006 г. После исправления 15.02.2007 г.
В работе представлены новые результаты исследования сезонных вариаций асимметрии поляризации отраженного Юпитером света. На базе 23-летнего ряда наблюдений выявлена антикорреляция асимметрии поляризации и инсоляции. Предлагается механизм, объясняющий наблюдаемые сезонные вариации поляризации, главную роль в котором играет влияние изменений температуры в стратосфере планеты на процессы образования стратосферной аэрозольной дымки. Рассматриваются дополнительные нерегулярные факторы, которые могут оказывать влияние на наблюдаемые значения асимметрии поляризации.
PACS: 95.75.Hi, 96.15.Xy, 96.15.Hy, 96.30.Kf
ВВЕДЕНИЕ
Свет, отраженный Юпитером, поляризуется при рассеянии в различных слоях атмосферы. Изучение распределения параметров поляризации по диску планеты и анализ их изменений со временем может способствовать получению новой информации о физических условиях в атмосфере Юпитера. К настоящему времени о поляризационных свойствах Юпитера известно следующее.
1. Степень линейной поляризации P резко возрастает с увеличением широты даже при нулевых углах фазы, достигая в полярных регионах в синей области спектра значений P = 7%-8% (по модулю) (рис. 1) (Стародубцева, Тейфель, 1984; Тейфель, 1985; Starodubtseva и др., 2002). Это различие в поляризации между центром диска и полюсами наблюдалось еще (Lyot, 1929), а также, например (Dollfus, 1957; Hall, Riley, 1968; Gehrels и др., 1969; Болквадзе, 1980). Космические данные подтверждают такой ход поляризации (Braak и др., 2002).
2. При небольших углах фазы (по крайней мере до 11°) в экваториальных областях поляризация практически равна нулю (Morozhenko, Yanovitskii, 1973; Тейфель, 1985; Стародубцева, Тейфель, 1984; Starodubtseva и др., 2002).
3. В полярных областях наблюдается сильная спектральная зависимость поляризации с переходом на X ~ 750 нм от отрицательной к положительной (здесь и далее степень линейной поляризации условно считается положительной, когда плоскость поляризации направлена перпендикулярно радиусу диска Юпитера, и отрицательной -когда она направлена параллельно) (Kemp и др., 1978; Стародубцева, Тейфель, 1984).
4. Наблюдается долготная зависимость поляризации (например, Starodubtseva и др., 2002).
5. Наблюдается асимметрия "север-юг" (североюжная асимметрия) степени линейной поляризации P в синей области спектра (например, Gehrels и др., 1969; Hall, Riley, 1976; Болквадзе, 1980; Стародубцева, Тейфель, 1984; Тейфель, 1985) (см. рис. 1).
6. На основе многолетнего ряда фотополяриметрических наблюдений Юпитера, проводимых с
P, % -9
0
-90 -60 -30
30 60 90 Широта, град
Рис. 1. Типичный вид распределения степени линейной поляризации отраженного Юпитером света вдоль центрального меридиана (1998 г., телескоп АЗТ-8 НИИ астрономии ХНУ, X = 456 нм, оппозиция). Усреднено 15 отдельных профилей, бары - ошибки среднего.
0
1981 г. в НИИ астрономии Харьковского национального университета (ХНУ), в синей области спектра (440-470 нм) при близких к нулю углах фазы, обнаружены долговременные вариации северо-южной асимметрии поляризации (Starodubtseva и др., 2002).
В данной работе исследуются долговременные вариации северо-южной асимметрии поляризации и рассматриваются физические причины их возникновения.
ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ СЕВЕРОЮЖНОЙ АСИММЕТРИИ СТЕПЕНИ ЛИНЕЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Для описания северо-южной асимметрии поляризации удобно использовать параметр PN-PS, равный разности модулей значений степени линейной поляризации P для севера и юга на широтах ±60° вдоль центрального меридиана. Раннее нами было показано (Starodubtseva и др., 2002), что значения параметра асимметрии PN-PS довольно хорошо организованы, если их изобразить в зависимости от планетоцентрической орбитальной долготы Солнца. Поэтому была выдвинута гипотеза о влиянии сезонных изменений инсоляции на вариации поляризации (Starodubtseva и др., 2002). Для проверки этой гипотезы исследования были продолжены:
1) в 2000-2004 гг. проведены новые наблюдения при помощи ПЗС-фотополяриметра (Корохин и др., 2000);
2) переобработаны данные старых наблюдений с использованием улучшенного алгоритма первичной обработки и расчета асимметрии поляризации;
3) к анализу привлечены данные, полученные Hall и Riley в УФ-диапазоне спектра (к = 370 нм) в 1968, и 1972-1974 гг. (Hall, Riley, 1968; 1974; 1976).
НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
Инструменты, методика наблюдений и обработки более ранних данных (1981-1997 гг.) подробно описаны в работе (Starodubtseva и др., 2002). Начиная с 1998 г., мы проводили измерения с помощью нового фотополяриметра "x_CCD", оснащенного ПЗС-матрицей (Корохин и др., 2000). Во время наблюдений применялся старт-стопный режим вращения анализатора поляризации: кадр - поворот поляроида на 45° - снова кадр - снова поворот поляроида на 45° и т. д. За один оборот поляроида регистрировалось 8 кадров. Один оборот поляроида совершался за время менее 1 с. Количество полных оборотов анализатора на одну серию наблюдений составляло, как правило, пятьдесят, т.е. регистрировалось 400 кадров.
Обработка каждой серии данных проводилась с помощью разработанного в НИИ астрономии ХНУ программного комплекса "IRIS" (Корохин и др., 2000) по следующему алгоритму:
1) учет темнового сигнала, коррекция неравномерности чувствительности по полю ПЗС-матрицы;
2) центровка кадров - нахождение центра видимого диска Юпитера по фотометрическому центру тяжести;
3) усреднение кадров, которые отвечают одинаковым положениям поляроида (0° и 180°, 45° и 225°, 90° и 270°, 135° и 315°). После этой процедуры из 400 кадров получаются только четыре усредненных кадра (для 0°, 45°, 90° и 135°);
4) учет фона неба и света, рассеянного в оптической системе;
5) учет инструментальной поляризации;
6) получение изображений параметров Стокса и, Q, степени линейной поляризации Р и угла поляризации К
Расчет параметра асимметрии поляризации
Получаемые после первичной обработки изображения можно считать картами распределения параметров поляризации по диску Юпитера (для данной долготы центрального меридиана), представленными во внешней перспективной проекции. Для расчета параметра PN-PS эти карты удобнее иметь в цилиндрической проекции. Поэтому проводилась соответствующая трансформация изображений по формулам, описанным в работе (Shalygin и др., 2003). После этого на широтах ±60° на севере и юге выделялись области прямоугольной формы размером 30° по долготе и 10° по широте, в которых вычислялись средние значения Р. Такой размер области усреднения был выбран путем минимизации дисперсии получаемых средних значений. Затем рассчитывался параметр асимметрии поляризации PN-PS как разность модулей значений Р на севере и юге. И, наконец, для каждого периода наблюдений вычислялось усредненное по нескольким оборотам Юпитера значение асимметрии поляризации (несколько десятков индивидуальных значений PN-PS). Для дальнейшего анализа использовалась именно эта величина.
Используемые в данной работе старые данные (1985-1997 гг.) были подвергнуты переобработке: была применена улучшенная процедура первичной обработки, а также расширена по широте выборка значений поляризации для расчета асимметрии поляризации. Новые значения, в целом, согласуются со старыми результатами.
Приведенное в нашей ранней работе (Starodubt-seva и др., 2002) значение асимметрии поляризации для 1998 г. было получено в результате обработки по старому алгоритму путем эмуляции ПЗ С-линейки (использовавшейся нами в предыдущие годы). Поэтому в данной работе была проведена полная переобработка и этих данных с использованием нового алгоритма, описанного выше. Полученное новое значение PN-PS для 1998 г. значительно отличается от старого, так как была обнаружена ошибка в старых расчетах.
Pn-PS, %
Ls, град
Рис. 2. Верхний график - зависимость северо-южной асимметрии поляризации PN-Ps от положения Юпитера на орбите ^ - планетоцентрическая орбитальная долгота Солнца). Бары - ошибки среднего. Кривая - аппроксимация наблюдений функцией PN-Ps = -0.67+ 0.32°) + 0.05. Нижний график - теоретически рассчитанная асимметрия инсоляции для полярных регионов. %
1 А _ 2003«
_I_I_I_I
0 360 720 1080 1440
Ls, град
Рис. 3. Аппроксимация зависимости PN-Ps от Ls различными функциями: 1 - синусоидальной функцией, рассчитанной по всем данным, 2 - синусоидальной функцией, рассчитанной только по данным, полученным при помощи ПЗС-приемников (1989-2004 гг.). Данные приведены в циклической развертке по Ls.
СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ АСИММЕТРИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Новый график зависимости северо-южной асимметрии поляризации от положения Юпитера на орбите LS представлен на рис. 2 (верхний график). Из рисунка видно, что существует некоторая явно периодическая зависимость параметра pn-pS от lS.
Для выяснения характера этой зависимости была проведена ее аппроксимация различными функциями. Ранее, в работе (Starodubtseva и др., 2002), использовалась синусоидальная функция с периодом 180°, которую тяжело интерпретировать физически. По новым данным аппроксимацию такой функцией произвести не удалось. В то же время периодические функции с периодом 360° хорошо описывают зависимость: синусоидальная функция (рис. 2; рис. 3, кривая 1) дает значимое уменьшение дисперсии по сравнению с аппроксимацией константой по F-кри-терию с доверительной вероятностью 0.76, а пилообразная - 0.96.
Для проверки устойчивости решения был проведен следующий эксперимент. Аппроксимацион-ная функция находилась только по части данных (полученных с помощью ПЗС-приемников (19892004 гг.)) (рис. 3, кривая 2). Если продлить найденную зависимость, то видно, что наши более ранние данные и данные Hall и Riley хорошо согласуются с предлагаемой аппроксимацией. Т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.