УДК 523.45
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ПОГЛОЩЕНИЯ МЕТАНА НА ЮПИТЕРЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КВАЗИНЕПРЕРЫВНОЙ ПЗС-СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
© 2014 г. В. Г. Тейфель, Г. А. Харитонова
Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова, Алматы, Казахстан e-mail: tejf@hotmail.com Поступила в редакцию 26.03.2013 г.
Выполнены спектрофотометрические наблюдения Юпитера в течение четырех ночей в ноябре-декабре 1999 г. Получено и обработано 388 ПЗС-спектрограмм центрального меридиана планеты с двойным перекрытием всех долгот при шаге 1.8°. Исследованы широтные вариации центральных глубин полос поглощения метана в длинах волн 619, 725, 798 и 887 нм.
Показано, что эти вариации в основном сохраняются на всех долготах, но не совпадают у разных полос по положениям экстремумов (максимумов и минимумов) поглощения. Зональные различия в поглощении не коррелируют с положением темных и светлых облачных поясов, за исключением полосы 887 нм, сохраняющей многие годы хорошо выраженный минимум в экваториальном поясе Юпитера. Полоса 798 нм обнаруживает больший разброс значений глубин на низких широтах, чем другие полосы, что может быть связано с присутствием в ней еще и полосы поглощения аммиака. Сравнение широтного хода поглощения в полосах 619 и 725 нм обнаруживает петлеобразный вид соотношения глубин этих полос в низкоширотном поясе Юпитера. Ориентировочные оценки эффективных оптических глубин формирования поглощения и их разностей в рамках простейшей двухслойной модели указывают на существование меняющейся с широтой вертикальной неоднородности облачного покрова.
Б01: 10.7868/80320930X14050065
ВВЕДЕНИЕ
Исследование пространственно-временного распределения интенсивности молекулярных полос поглощения на дисках Юпитера и Сатурна может служить одним из наиболее доступных методов дистанционного зондирования атмосфер планет-гигантов, в том числе и при наземном астрофизическом сопровождении космических миссий (ОЛоп, 2009).
Поскольку формирование слабых, умеренных и сильных полос поглощения в облачном покрове планет-гигантов происходит на разных эффективных глубинах, сравнительный анализ поведения этих полос поглощения в разных участках планеты может дать информацию об особенностях вертикального распределения рассеивающе-поглощающей аэрозольной среды (облака или дымка плюс газовая составляющая) на разных долготах и широтах.
Определенную информацию о распределении молекулярного поглошения по диску планеты можно получить по изображениям, с применением соответствующих узкополосных фильтров, центрированных на полосы поглощения или на
непрерывный спектр (например, West, 1979; Rogers, 2003). Спектрофотометрия, в отличие от получаемых даже с узкополосными фильтрами изображений планет, требует больших экспозиций, поэтому при наземных наблюдениях речь может идти только об относительно крупномасштабных вариациях, характеризующих в основном глобальные особенности распределения молекулярного поглощения. В то же время только спектрофото-метрия дает возможность получать и исследовать профили молекулярных полос поглощения или даже отдельных линий.
В отличие от измерений хода поглощения от центра диска к краям, выполнявшихся многими авторами, в том числе уже с использованием ПЗС-камер (Moreno и др., 1988; 1991), почти нет наблюдений, при которых задачей ставилось бы исследование долготных вариаций поглощения на Юпитере. Собственно, единственной публикацией, специально посвященной такой задаче, была работа супругов Соспгап (1980; 1983), в которой были исследованы долготные вариации полосы поглощения метана СН4 619 нм и соседней полосы поглощения аммиака NH3 643 нм в экваториальной зоне Юпитера. Долготный ход отра-
13.12.1999
14.12.1999
Рис. 1. Вид Юпитера 13 и 14 декабря 1999 г. (РЦ-600, ST-6V — с синтезированных цветных изображений).
жательной способности в полосе 889 нм исследовался в коротких публикациях Stoker и др. (1981; 1982). Во второй публикации указано, что наблюдения Юпитера выполнялись в течение 12 ночей, чтобы охватить все долготы. Для южного экваториального пояса SEB долготные вариации в 890 нм оценены в 20—30%. Ранее в работе Егорова и др. (1971) было отмечено отсутствие какой-либо определенной долготной зависимости поглощения по эквивалентным ширинам полосы CH4 619 нм в экваториальном поясе.
Надо отметить, что изображения Юпитера, получаемые через узкополосный фильтр в длине волны 887—890 нм, сами по себе не дают оценок вариаций поглощения метана, так как частично вариации альбедо связаны и с собственным альбедо облачных поясов и отдельных деталей. Тем не менее, регулярная публикация таких изображений параллельно с изображениями в красных и ультрафиолетовых лучах, осуществляемая на сайте японской Ассоциации наблюдателей Луны и планет (ALPO Japan), представляет несомненную ценность, тем более, что многие изображения обладают высоким качеством.
В 1999 г. при благоприятных погодных условиях нам удалось осуществить небольшую наблюдательную программу с целью проследить по всем долготам, насколько велики вариации поглощения метана на диске Юпитера.
К сожалению, этот цикл наблюдений остался единственным, но представляет интерес как характеризующий достаточно детально степень долготной неоднородности облачного покрова
60 120 180 240 300 Долгота ЦМ во II системе
360 L2
Рис. 2. График распределения автоматической регистрации спектров ЦМ Юпитера по долготам во II системе.
планеты на разных широтах в период относительно спокойного состояния атмосферы. В 1999 г., действительно, вид планеты был близок к "стандартному": темные пояса SEB и NEB почти одинаковой ширины и светлая экваториальная зона между ними, хотя и содержащая некоторые более темные детали, в том числе узкую полосу, идущую вдоль экватора (рис. 1). Большое Красное Пятно видно хорошо, хотя в северной части его овала присутствует более светлое и менее окрашенное облачное образование (Rogers и др., 2000; 2003).
МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИИ И ОБРАБОТКИ СПЕКТРОГРАММ
Наблюдения были проведены в ноябре—декабре 1999 г. с помощью ПЗС-камеры ST-6V и призменного спектрографа АСП-9, установленного в 7.5-м кассегреновском фокусе 0.6-м телескопа РЦ-600. ПЗС-матрица охлаждалась до —20°С при внешней температуре +3...+7°С. Изображения спектров при ориентации щели спектрографа вдоль центрального меридиана (ЦМ) Юпитера записывались на компьютер автоматически с интервалом по времени в 3 минуты. Такой временной шаг соответствовал повороту Юпитера (и изменению долготы центрального меридиана) на 1.8°. Длительность экспозиции равнялась 7 с. Всего было проведено 4 сеанса наблюдений продолжительностью от 2 до 7.5 ч (см. табл. 1), в ре-
0
Таблица 1. Данные о полученных спектрограммах ЦМ Юпитера
Дата Интервал UT Интервал долгот ЦМ во II системе Экспозиция, с Число спектрограмм Dpol, угл. с Пределы воздушных масс
16- -17.11.1999 12:58-20:40 136-360-56 (280) 7.0 150 44.3 1.21-2.05
4- 5.12.1999 14:39-18:36 23-167 (144) 7.0 80 43.5 1.22-1.72
6- 7.12.1999 13:11-18:38 270-360-103 (193) 7.0 110 43.2 1.22-1.65
7- 8.12.1999 16:13-18:34 170- 256 (86) 7.0 48 43.2 1.24-1.69
^ 2
св
в 1
«
св
Я &
О
-е
о
0
1
4 Д 07.12.1999 3 ▲ 06.12.1999 2 - 04.12.1999 1 □ 16.11.1999
0 30 60 90 120150180210240270 300330 360 Долгота ЦМ ^
Рис. 3. Изменение воздушных масс М(г) в даты наблюдений с привязкой к долготам ЦМ Юпитера.
зультате чего было получено в общей сложности 388 спектрограмм, причем все долготы Юпитера были охвачены дважды (рис. 2). Ширина щели спектрографа равнялась 0.025 мм. Масштаб изображения на выходе спектрографа был равен 0.89 угл. с/пиксель. На полярный диаметр Юпитера, составлявший в этот период 44—43 угл. с, приходится 48 пикселей, так что инструментальное разрешение получается не хуже того, что определяется качеством изображения, связанным с атмосферной турбулентностью.
В те же ночи записывались спектры экваториального пояса Юпитера и Сатурна с кольцом. В качестве спектра сравнения для исключения неравномерности спектрального хода чувствительности ПЗС-матрицы и привязки к спектру, лишенному полос поглощения, использовались спектры кольца Сатурна.
Продолжительность каждого цикла наблюдений занимала несколько часов. Склонение Юпитера в этот период менялось от +9.0° до +8.5°, изменение зенитного расстояния и, соответственно, воздушной массы за такое время было значительным. На рис. 3 показаны графики изменения воздушных масс для Юпитера, привязанные к долготам центрального меридиана в периоды записи спектров. Для полос поглощения, не перекрывающихся с теллурическими, изменение воздушной массы не имеет особого значения. Для полосы же СН4 725 нм эффект наложения теллурической полосы Н2О может быть весьма ощутимым, хотя в основном он проявляется в коротковолновом крыле и в меньшей степени влияет на величину центральной глубины, что проявляется в небольшом (менее 6%) тренде на графиках среднего долготного хода глубины полосы. Однако на относительный широтный ход глубин полосы метана это не оказывает влияния.
Обработка полученных ПЗС-спектрограмм осуществлялась обычным, уже описанным ранее (Тейфель и др., 2001) способом. Вычислялся ход отношения спектра Юпитера к опорному спектру кольца Сатурна и затем находились значения центральных глубин полос поглощения СН4 619, 725, 798 и 887 нм для всех 48 широтных зон на центральном меридиане. Полоса 798 нм представляет комбинацию полос поглощения метана и аммиака, так что в принципе ее поведение может несколько отличаться от других полос, что и обнаруживается нашими наблюдениями более позднего периода (Т^е1 и др., 2005; Тейфель и др., 2006).
В результате обработки спектрограмм были получены обширные массивы табличных данных о ходе по долготе и по широте глубин полос поглощения = 1 — / 1С, где I^ 1С — это отношение интенсивности в центре полосы к интенсивности интерполированного на центр полосы непрерывного спектра. Эти данные были также представлены в виде цифровых и полутоновых карт пространственного распределения поглощения. Кроме того, были составлены компьютерные атласы, дающие последовательный вывод на дисплей либо долготного хода значений глубин полос на разных широтах, ли
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.