УДК 523.47
ВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ АЭРОЗОЛЯ В АТМОСФЕРЕ УРАНА
© 2013 г. Н. М. Костогрыз
Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, Украина Поступила в редакцию 28.03.2011 г.
В данной работе из анализа данных о геометрических альбедо Урана в контурах полос поглощения метана с X = 543, 619, 702, 727, 842, 864, 887 нм (№1Г и др., 1984; Кагкс^сЬка, 1994; 1998) исследованы изменения вертикальной структуры облачного слоя атмосферы Урана в 1981, 1993 и 1995 гг. Для этого использовался метод Мороженко, основанный на оценке значений эффективных оптических глубин формирования интенсивности в оптически толстом вертикально однородном газово-аэро-зольном слое, который позволяет выявлять меру отклонения вертикальной структуры от условий однородности. Показано, что в пределах глубин формирования этих полос поглощения существует два протяженных облачных слоя (первый слой — при значениях давлений «[1.4—2] бар, а другой — при значениях давлений «[3.5—5.8] бар), мощность которых была наибольшей в 1981 г., а наименьшей — в 1995 г.
DOI: 10.7868/S0320930X12060047 ВЕДЕНИЕ
Изображения диска Урана четко указывают на его оптическую неоднородность, которая меняется со временем, что отображается в изменениях как цвета m(475)—m(551) (Lockwood, Thompson, 1999), так и интенсивности полос поглощения метана и деталей рамановского рассеяния (Neff и др., 1984; Karkoschka, 1994; 1998). Поскольку полосы поглощения разной интенсивности и отдельные точки их контуров формируются на разных глубинах, то данные о спектральной зависимости геометрического альбедо могут использоваться для определения не только оптических параметров га-зово-аэрозольной среды, а и вертикальной структуры облачного слоя. Так, методологические исследования в этом направлении делятся на два типа.
К первому относятся те, у которых сравнивается наблюдаемый спектр с рассчитанным для априорно заданных моделей с разным количеством оптически однородных аэрозольных слоев. Эти слои различаются оптическими толщинами, расположением по глубине, а иногда и природой частиц (Pollack и др., 1979; Baines, Bergstralh, 1986; Rages и др., 1991; Irwin и др., 2006; 2007; 2010; Sromovsky, Fry, 2007; 2008; Sromovsky и др., 2006; Karkoschka, Tomasko, 2009; Fry, Sromovsky, 2009). Реальной считается та модель, для которой расчеты наилучшим образом совпадают с наблюдаемыми данными. Согласно перечисленным работам наилучшее согласие наблюдается для двухслойной модели с положением верхнего слоя в пределах от 1.2 до 2 бар, а нижнего — от 3 до 10 бар. Положе-
ние этих слоев варьируется в работах разных авторов, что, вероятнее всего, обусловлено разными предположениями об их природе. Так, в одних работах допускается, что эти слои различаются только оптической толщиной, а в других — также природой и размером частиц.
Ко второму типу относятся работы, основанные на предложенном Мороженко (1984) методе, который дает возможность определить степень отклонения реальной вертикальной структуры от однородной, то есть степень отклонения зависимости 1п(или 1п(ИЦх8)) от 1пЫЬ (или от 1пр). Значение 1пт будет линейно увеличиваться от 1пЫЬ, а 1п (ИЦх8) будет неизменным. Здесь т — рассеивающая составляющая эффективной оптической глубины, а ЫЬ — количество метана на луче зрения. Результаты использования данного метода указывают на существование в атмосфере Урана не менее двух аэрозольных слоев соответственно на глубинах с давлением 1.5—2.5 и 3.7 бар (Дементьев, Мороженко, 1990; Мороженко, 2001; 2006; Мороженко, Овсак, 2009), что хорошо согласуется с результатами работ первого типа.
Результаты анализа данных эксперимента по ослаблению радиолуча космического аппарата "\Oyager-2" подтвердили наличие дымки в верхних слоях атмосферы Урана на уровне 1.5 бар, состоящих из метанового льда (Ыпёа1 и др., 1987).
Поскольку приведенные выше оценки основаны на анализе наблюдательных данных, полученных в разные годы, то не исключено, что разногласия в их значениях частично отражают воз-
можные изменения во времени вертикальной структуры облачного слоя.
Основной целью данной работы является исследование изменений вертикальной структуры атмосферы Урана. С этой целью метод Морожен-ко применяется к наблюдательным данным о спектральных значениях геометрического альбедо Ag за 1981 г. (Neff и др., 1984) и 1993, 1995 гг. (Karkoschka, 1994; 1998). В работе (Neff и др., 1984) приведены спектральные значения Ag Урана в диапазоне X = 350—1050 нм, полученные в 1981 г. на 2.1-м телескопе обсерватории Мак-Доналд. В работах (Karkoschka, 1994; 1998) приведены спектральные значение Ag, полученные на 1.52-м телескопе Европейской Южной Обсерватории (ESO) в диапазоне X = 300—1000 нм (Karkoschka, 1994) и в диапазоне X = 300—1050 нм (Karkoschka, 1998).
В разделе Метод отклонения ... данной статьи дано детальное описание метода Мороженко. Раздел Вертикальная структура ... посвящен определению вертикальной структуре атмосферы Урана. В разделе Выводы приведены основные выводы.
2. МЕТОД ОТКЛОНЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ОБЛАЧНОГО СЛОЯ ОТ УСЛОВИЙ ОДНОРОДНОСТИ
Используемый в данной работе метод отклонения вертикальной структуры облачного слоя от условий однородности впервые был разработан Мороженко в 1984 году (Мороженко, 1984). Идея метода заключается в том, что диффузно отраженное излучение формируется на разных эффективных глубинах в атмосфере, а именно: мощные полосы поглощения формируются на меньших оптических глубинах, по сравнению со слабыми полосами. Это же касается и контуров полос поглощения, центры которых формируются в более высоких слоях атмосферы, чем другие точки контуров.
На практике этот метод реализуется следующим образом. Из сравнения наблюдаемых значений Ag с соответствующими рассчитанными значениями для оптически однородного полубесконечного слоя были определены спектральные значения альбедо однократного рассеяния w(X), по которым рассчитываются эффективные оптические глубины тeff (Яновицкий, Овсак, 1997; Ovsak, 2010; Morozhenko, 2004, с. 206) и их рассеивающая ts и поглощающая tv составляющие:
TS = ®Teff , ТV = (1 - ®)Xeff.
(1) (2)
возможно сделать корректно для планет-гигантов. Дело в том, что в спектре поглощения метана для X > 400 нм практически отсутствуют интервалы, в которых бы монохроматический коэффициент поглощения был равен нулю. Исходя из того, что объемный коэффициент поглощения в непрерывном спектре сильно уменьшается с увеличением X (Мороженко, Овсак, 2009), в данной работе мы анализируем данные только для полос поглощения с X > 530 нм (543 , 619, 702, 727, 842, 864, 887 нм), где влияние поглощения в непрерывном спектре гораздо меньше. В этом случае количество метана на луче зрения ЫЬ (в км-амага) определяется из:
NL = т J kv ,
(3)
где kv — монохроматические коэффициенты поглощения метана. Ввиду того, что спектральная зависимость kv сильно зависит от температуры планеты, в наших расчетах мы используем данные из работы (Мороженко, 2006; http:// www.mao.kiev.ua/eng/dept/ssystem_morozhenko_e. html), где приведены kv с учетом температуры на уровнях формирования излучения с различными X. Относительная концентрация метана в верхних слоях атмосферы Урана увеличивается с глубиной и рэлеевская составляющая оптической глубины tr определяется из выражения
ln tr = D lnNL - ln yо - ln tR, (4)
где D < 1, а y0 — относительная концентрация метана на уровне ln NL = 0, ln tR соответствует значению ln tr для водородно-гелиевой смеси протяженностью 1 км-амага на длине волны X0 = = 887.2 нм. Величина атмосферного давления находится из выражения
ln p = ln A + lnxR, (5)
здесь A соответствует значению давления, при котором tr(887.2 нм) = 1 (lnA = 3.433) (Мороженко, Овсак, 2009).
Известно, что величина tr зависит не только от глубины, но и от длины волны. Значение tr для каждой точки контура полосы поглощения метана определяется согласно выражению
Tr = tr(xо) x
(6)
Поскольку величина т у характеризует суммарное поглощение в полосах метана и в непрерывном спектре, то необходимо их разделить, что не-
Так как уже первые оценки относительной концентрации метана у (Baines, 1983; Baines, Bergstralh, 1986; Belton, Hays, 1975; Benner, Fink, 1980; Lindal и др., 1987; Macy и др., 1978) неоспоримо указали на ее увеличение с глубиной, в данной работе мы использовали зависимость у и газовой составляющей оптической глубины от давления, которые были получены из анализа данных о спектральной зависимости дисков пла-
1 "
10
3.0 3.5 4.0 р, бар
Рис. 1. Зависимость газовой составляющей оптической глубины в контурах разных полос поглощения от давления по данным работы и др., 1984).
нет-гигантов в работе Мороженко и Овсака (2009) и приведены ниже:
1пу(р) = -9.982 + 2.676А 1пр при
0.3584 < 1пр < 1.5445, (7)
у = 0.00382 при 1пр = 1.6156
и
1птк =-1.7253 + 0.2721пИЬ при
-4.924 < 1ПИЬ <-0.6, (8)
тк = 0.1513 + АИЬ/12.863 при ИЬ > 0.5488.
Здесь принималось, что в атмосфере Урана р0 = = 0.0005 бар.
Отметим, что мы используем результаты расчетов геометрического альбедо и эффективной оптической глубины для различных значений ю для полубесконечного однородного газово-аэро-зольного слоя с индикатрисой рассеяния Хеньи— Гринстейна
Х(а) =
+
д (1 - а2)
(1 + ¿1 + 2а соз а)3/2 (1 - д) ((- а2) (1 + а2 + 2а 2 соз а
+
(9)
т
0.01
5 6 7
8 9 10 р, бар
при значениях параметров = —0.25, g1 = 0.25, а = = 0.5, а — фазовый угол.
Рис. 2. Зависимость рассеивающей составляющей оптической глубины от давления для полосы поглощения метана X = 887 нм за 1981, 1993 и 1995 гг. Сплошной линией обозначено значение рассеивающей газовой составляющей оптической глубины, т.е. условия однородности атмосферы. Значение шкалы ординат отвечают зависимости т§(р) за 1993 г. Чтобы было видно поведение т§(р) в разные годы, остальные зависимости были сдвинуты относительно друг друга по шкале ординат на некоторую величину.
3. ВЕРТИКАЛЬНАЯ СТРУКТУРА АТМОСФЕРЫ УРАНА
Поскольку спектральные зависимости объемных коэффициентов рассеяния газовой (ак) и аэрозольной (аа) составляющих сильно различаются, то результатом этого будет смещение зависимостей 1п т8 (или 1п (И
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.