АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2015, том 49, № 1, с. 46-53
УДК 523.45-852
ВЕРТИКАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ОБЛАЧНЫХ СЛОЕВ АТМОСФЕР ПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ. I. О ВЛИЯНИИ ИЗМЕНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
© 2015 г. А. С. Овсак
Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, Украина e-mail: ovsak@voliacable.com Поступила в редакцию 22.08.2013 г.
Исследовано влияние изменений параметров, определяющих физические свойства среды, на получаемые характеристики вертикальной структуры облачного слоя атмосферы Юпитера. Обработаны данные спектрофотометрических измерений Юпитера за 1993 год в спектральном диапазоне 500— 900 нм. Анализ выполнен методом Мороженко А.В. с помощью разработанного комплекса компьютерных кодов для определения характера изменения с глубиной аэрозольной рассеивающей составляющей эффективной оптической глубины полубесконечной атмосферы в спектральных полосах поглощения атмосферного газа. Определены усредненные по диску планеты характеристики вертикальной структуры аэрозольной составляющей атмосферы Юпитера: в слое атмосферы с давлением от 0.12 до 1.3 бар объемная плотность аэрозольного облака вначале скачкообразно растет, а затем плавно достигает своего максимального значения; от 1.3 до 4.0 бар происходит постепенное разрежение аэрозольного облака до минимума; от 4.0 до 15.0 бар отсутствуют признаки аэрозольных включений существенной мощности.
Ключевые слова: атмосфера, планета—гигант, аэрозоль, структура, параметры. DOI: 10.7868/S0320930X15010053
ВВЕДЕНИЕ
Моделирование процессов образования облаков в атмосферах планет—гигантов (Lewis, 1969; Weiden-scilling, Lewis, 1973; Ибрагимов, 1990; Atreya, Wong, 2005) привело исследователей к признанию возможности существования многоярусной структуры у верхних слоев. Попытки учета такой возможности, при анализе спектрофотометрических наблюдений, были сделаны в работах Danielson, Tomasko (1969), Baines (1971), Axel (1972), Macy (1976), West, Tomasko (1980), Stoker, Hord (1985), Banfield и др. (1998). Выполнялись они включением в простую двухслойную модель "полубесконечный газово-аэрозольный слой + надоблачный газовый слой" от одного (Danielson, Tomasko, 1969) до трех (стратосферная дымка и два аэрозольных слоя в работе Stoker, Hord (1985)) расположенных на различных глубинах дополнительных аэрозольных слоев конечной оптической толщины с различающимися оптическими характеристиками (детальное обсуждение процесса усложнения моделей можно найти, например, в работах Мороженко (1993, 2004)). Несмотря на то, что многоярусность структуры облачного слоя Юпитера подтверждена нефелометрическим экспериментом на зонде КА Galileo (Ragent и др., 1998), многопараметричность используемых мо-
делей, когда количество неизвестных параметров достигает десяти и более, приводит к неоднозначности оценок характеристик вертикальной структуры.
Иной подход к проблеме изучения характера изменения с глубиной в атмосферах планет-гигантов аэрозольной рассеивающей составляющей оптической толщины та (либо отношения аэрозольной и газовой рассеивающих составляющих таМ) предложил Мороженко (1984). Его метод базируется на том, что излучение, диффузно отраженное от полубесконечной атмосферы, в действительности формируется слоем конечной (эффективной) оптической глубины Teff (Chamberlain, 1965). В контуре полосы поглощения атмосферного газа величина Teff возрастает при переходе от центра к крыльям полосы. Эти свойство величины Teff было использовано в ряде работ при прогнозировании вертикальной структуры облачных слоев планет-гигантов (Дементьев, Мороженко, 1990а; 1990б; Мороженко, 1985; 1999а; 1999б; 2001; Мороженко и др., 1995; Мороженко, Овсак, 2009). В частности, в последней работе была определена зависимость изменения объемной концентрации аэрозоля с глубиной в атмосфере Юпитера, общий характер которой качественно соответствует ре-
зультатам нефелометрического эксперимента, выполненного зондом КА Galileo (Ragent и др., 1998).
Надежность получаемых с помощью указанной методики результатов определяется достоверностью использованных при расчетах значений величин, характеризующих физические свойства исследуемой атмосферы. Важнейшими из них являются: вид и параметры функции распределения аэрозольных частиц по размерам; значения монохроматических коэффициентов поглощения метана в физических условиях атмосферы; величины относительной концентрации метана и поглощающей составляющей оптической толщины в непрерывном спектре. Настоящая работа посвящена выяснению влияния изменений перечисленных величин на результаты определения характеристик вертикальной структуры атмосферы большой оптической толщины, на примере анализа данных спектрофотометрических измерений диска Юпитера (Karkoschka, 1994).
МЕТОДИКА АНАЛИЗА И ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
Процедура определения параметров вертикальной структуры облачных слоев атмосфер планет-гигантов. Одной из ключевых задач при определении характеристик вертикальной структуры облаков в атмосферах планет—гигантов по применяемому методу Мороженко является корректный расчет спектральных значений величины Teff. Впервые аналитическое выражение для Teff, в случае полубесконечной однородной атмосферы и сферического вида индикатрисы рассеяния, получил Chamberlain (1965). Позже, в работе Аврам-чук и др. (1977), это выражение было модифицировано Яновицким для индикатрисы рассеяния произвольной формы. В данной работе используется выражение для Teff, представленное в работе Яновицкий, Овсак (1997):
Ah (ц, цо) + Ah (ц, цо)cos шф Teff (Ц, Цо, ф)= --, (1)
Ch (ц, Цо) + 2^ СЩ (ц, цо )cos Шф
ш=1
где
СЩ (ц, Мо) = - Мо х
Qm (-ц, Мо) - 2 Jpш (м', Мо)Qm (ц', мУФ'
(2)
'(li, и о ) = f \_Qm (-и и о )и о
+
+ 2 Jр ш (и', и о )Qm (и', и) (и')2 dtf +
о
1
+ Тш (и, ио) + 2 JРш (и', ио)Tm (-и, и')и'*и']
(3)
Qm (и Ио ) = X
(2i + 1)xm 2i + 1 - Xx,
РШ (ц)Р" (Ио),
xm = x (i - m) !
' ' (i - m) ! '
(4)
(5)
T
' (||, | о ) = j J Qm (и', |) Qm (и', I о ) d|'. (6)
-1
Здесь XI — коэффициенты разложения индикатрисы рассеяния в ряд за присоединенными полиномами Лежандра Р™ (|), а рт (ц',ц0) — азимутальные гармоники коэффициента отражения рассматриваемой среды.
Расчеты выполнены с помощью комплекса компьютерных программных кодов, реализующего автоматизированное применение метода Моро-женко определения характеристик вертикальной структуры аэрозольных слоев атмосфер планет-гигантов. Детальное описание комплекса приведено в работе Овсак (2013). Структурно он состоит из следующих блоков:
1. Задание модели облачных частиц (действительная часть показателя преломления и параметры функции распределения частиц по размерам) и расчет по ней коэффициентов разложения
аэрозольной индикатрисы рассеяния х? и объемных коэффициентов рассеяния полидисперсной среды ст0 (X) в исследуемом спектральном интервале.
2. Определение значений альбедо однократного рассеяния ю для всех точек исследуемого контура спектральной полосы поглощения метана путем автоматического сравнения данных измерения величины видимого альбедо диска (отражающей способности детали) с соответствующими значениями из интерполяционного массива, рассчитанного для модели полубесконечной однородной газово-аэрозольной среды при полученных в п. 1 значениях коэффициентов ха в диапазоне физически допустимых значений величины ю.
о
œ
œ
3. Вычисление начального значения величины хе(Г с использованием полученных в п. 2 значений ю, а по ним — величины рассеивающей
т eff
ЮТ
eff
(7)
и поглощающей
т* + = (1 -Ю^ (8)
составляющих эффективной оптической глубины в каждой точке контура исследуемой полосы поглощения (индексы к и V обозначают аэрозольное поглощение в непрерывном спектре и молекулярное поглощение газа).
4. После учета поглощения в непрерывном спектре или пренебрежении им, в случае его от-
V
носительной малости, с использованием хеЯ- рассчитывается количество метана (в км-амагат) на луче зрения:
NL , К
(9)
где — объемные монохроматические коэффициенты поглощения метана, значения которых зависят как от длины волны, так и от физических условий, при которых слой поглощающего газа находится в исследуемой атмосфере.
5. По значениям ЫЬ в модели заданного химического состава атмосферы Юпитера и значениям относительной концентрации метана у рассчитываются значения величины газовой рассеивающей составляющей эффективной оптической глубины:
(X) = (Ж/ УК О, (10)
где — спектральные значения объемных коэффициентов молекулярного рассеяния среды, а затем и параметра относительного вклада молекулярного рассеяния:
в (х) = мДе * (х). (11)
6. Рассчитываются значения коэффициен-
с
тов х1 газово-аэрозольной среды, с учетом молекулярного рассеяния:
хС = (1 -р)х;а . (12)
7. Этапы вычислений 3—6 повторяются, пока текущее рассчитанное значение альбедо (или отражательной способности) отличается от результата расчета в предыдущей итерации не более чем на величину заданной точности вычислений. Полученные значения параметров газово-аэрозоль-ной среды используются в дальнейших расчетах.
8. На заключительном этапе вычислений для каждой точки контура полосы поглощения рас-
считываются значения аэрозольной рассеивающей составляющей оптической глубины:
Тeff = Teff - Тeff (13)
и значение давления P, при котором находится слой газа, формирующий исследуемую точку полосы поглощения. Значения величин if и xfff приводятся к одной длине волны (Овсак, 2013).
9. Строятся графические зависимости вели-
e els п
чин Teff или тeff / тeff от давления P и выполняется их анализ.
Исследуемая область спектра. В работе анализировались наблюдательные данные для длинноволновой области (к > 500 нм), где в пределах сильных полос поглощения метана влиянием поглощения в непрерывном спектре можно пренебречь.
Физические характеристики аэрозоля определялись из результатов анализа поляризационных измерений и по данным нефелометрического эксперимента, выполненного при спуске зонда КА Galileo в атмосферу Юпитера. Так, в работах по анализу степени линейной поляризации: (а) с учетом однократного рассеяния (Morozhenko, Yanovitskij, 1973; Мороженко, 1
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.