Сатурн.- атмосфера, ионосфера, магнитосфера
Д.З.Вибе,
доктор физико-математических наук Институт астрономии РАН Москва
Межпланетный зонд «Cassini», находящийся в системе Сатурна с 30 июня 2004 г., передал на Землю немало информации о самой планете и ее окрестностях. Итоги исследований атмосферы, ионосферы и магнитосферы Сатурна на момент окончания основной части экспедиции «Cassini», подведены в публикации американских планетологов из Университета штата Мичиган в Анн-Ар-боре и Калифорнийского технологического института в Пасадене*. Авторы затрагивают три основных вопроса: какова скорость вращения атмосферы Сатурна, какие физические процессы связывают его ионосферу и магнитосферу и каков источник магнитосферной плазмы.
Атмосфера
Ветер и вращение планеты. Сатурн — единственная планета, на которой до сих пор не удалось определить скорость ветра. Как планета-гигант Сатурн не имеет четко выраженной поверхности, поэтому скорость ветра должна измеряться относительно скорости более глубоко лежащих слоев. В принципе, нет ничего сложного в том, чтобы определить «абсолютную» скорость движения газа в верхних слоях Сатурна. Облачные образования движутся с запада на восток, совершая полный
* Gombosi 71, IngersollAP. // Science. 2010. V.327. P. 1476—1479.
© Вибе Д.З., 2010
оборот вокруг планеты примерно за 10 ч 10 мин — 10 ч 40 мин. При этом каждый широтный пояс характеризуется собственным периодом вращения, т.е. на разных широтах скорости ветра различаются. Такие измерения можно привести к единому уровню давления, скажем к 100 мбар, и принять полученную оценку за скорость вращения внутренних областей Сатурна. Несколько разных оценок, полученных подобным способом, дают для периода суточного вращения Сатурна величину от 10 ч 32 мин до 10 ч 34 мин [1]. Вопрос в том, насколько допустимо использовать наблюдения атмосферы для оценки скорости вращения внутренних частей планеты. Этот метод хорошо работает на Юпитере, где скорость вращения внутренних слоев известна по измерениям скорости вращения магнитосферы, однако это не означает, что он применим к другим планетам (например, на Венере скорости вращения облачного слоя и твердого тела планеты различаются кардинально). Так что вопрос о продолжительности суток на Сатурне и, соответственно, о скорости ветра остается открытым.
Еще одна загадка, которую пока тоже не удалось решить — дифференциальное вращение атмосферы Сатурна. Наблюдения с космических зондов «Voyager», а теперь и «Cassini» показывают, что вне экваториального пояса ветры на Сатурне по сравнению с Землей поразительно постоянны. На экваторе
же их скорость колеблется с амплитудой примерно 200 м/с, что на порядок больше изменчивости подобных струйных течений на Земле. По данным «Cassini», в экваториальной зоне скорость течений увеличивается с глубиной от 265 м/с в тропосфере до 365 м/с в слоях, лежащих на 140 км ниже. Интересно, что оба значения существенно уступают скорости экваториальных течений, измеренной 25 лет назад с зонда «Voyager» (475 м/с). До сих пор неясно, произошло ли за это время некоторое замедление потоков или же аппаратура «Cassini» смогла «дотянуться» до ещё больших глубин.
Полярный вихрь и шестигранник. На южном полюсе Сатурна непосредственно перед прибытием «Cassini» было обнаружено с помощью телескопа «Keck» «горячее пятно». Аппаратура «Cassini» позволила установить, что на 88—89°ю.ш. существует сильное струйное течение, распространяющееся в восточном направлении. Это циклонический вихрь с пониженной облачностью и повышенной температурой в центре. Стена облаков в этом вихре возвышается на 50—70 км над облаками непосредственно на полюсе. Вращение по часовой стрелке, высокая температура в центре, кольцо облаков на периферии, окружающее центральный «глаз», — все эти черты присущи и тропическим циклонам в Южном полушарии Земли. Однако облака, опоясывающие циклон на Сатурне, в четыре раза тол-
à
i
û
î î
ù
i
è *
Магнитосфера Сатурна: 1 — солнечный ветер, 2 — ударная волна, 3 — магнито-пауза, 4 — полярный ветер, 5 — плазменный слой, 6 — нейтральные компоненты из спутников и кольца, 7 — горячая плазма, 8 — искривленный асимметричный магнитодиск, 9 — касп, 10 — нейтральный тор Титана, 11 — километровое радиоизлучение, 12 — кольцевая ионосфера, 13 — пыль, 14 — энергичные нейтральные атомы, 15 — кольцевой ток на соединениях группы воды, 16 — кольцевой ток.
ще, чем на Земле. Кроме того, «глаз» циклона на Сатурне имеет диаметр 2000 км, что в 20—40 раз больше, чем у земных ураганов. Еще одно отличие состоит в том, что на Сатурне структура циклонического вихря зафиксирована на южном полюсе и существует без океана. Долго-живущих антициклонических овальных структур, вроде юпи-терианского Большого красного пятна, на Сатурне нет.
Неожиданным оказалось наличие подобного же теплого циклона и на северном полюсе Сатурна, также на широтах от 88 до 89°. Сейчас на севере Сатурна зима и полярная ночь, поэтому странно видеть там такую климатическую активность. К югу от северного циклона, на 75°с.ш., находится еще одно струйное течение, имеющее форму шестигранника. Эта облачная структура была обнаружена в 1980 г. зондом «Voyager» и с тех пор сохранилась в относительной неизменности. В ней небольшие
облака движутся против часовой стрелки по внешней границе шестигранника со скоростью около 100 м/с. Вероятно, эта шестиугольная конфигурация представляет собой стоячую волну, которая на данной широте укладывается вокруг планеты шесть раз. Остается неясным, почему эта волна устойчива и что особенного именно в этом струйном течении, что привело к возникновению в нем стоячей волны.
Грозы. Раз в несколько лет на Сатурне отмечается гроза длительностью от нескольких недель до нескольких месяцев. Вспышки молний невозможно увидеть в оптическом диапазоне, поскольку свет, рассеянный кольцами, делает ночную сторону планеты слишком яркой. Но разряды можно «слышать» в коротковолновом радиодиапазоне благодаря установленному на «Cassini» приемнику. Гроза 2004 г., наблюдавшаяся в течение 24 дней [2], породила
три активных центра. Каждый такой центр несколько дней существует в активной фазе, создавая высокие плотные облака, а затем превращается в устойчивое темное пятно, дрейфующее на запад и сохраняющееся несколько недель или дольше. Радиоизлучение гроз на Сатурне в сотни раз интенсивнее излучения земных гроз. Все грозы после 2004 г. происходили в одном и том же струйном течении, направленном на запад, на 35°ю.ш. Мощные экваториальные грозы, иногда опоясывающие всю планету, происходят с интервалами 15 — 20 лет. Последняя такая гроза наблюдалась в 1990 г.
Верхняя атмосфера. Начиная с некоторой высоты в атмосфере Сатурна, как и в атмосфере Земли, происходит диффузионное разделение, при котором каждый газ имеет собственное распределение по высоте. Ниже этого слоя атмосферная турбулентность сохраняет вещество в хорошо перемешанном состоянии. Обычно турбулентность поддерживается разрушением волн, распространяющихся снизу вверх, но источники и механизмы этих волн во многом загадочны.
В верхней атмосфере сначала доминируют тяжелые газы, такие как ацетилен (С2Н2) и метан (СН4), а выше начинают преобладать Не, Н2 и Н. На Сатурне высота переходного слоя — го-мопаузы — сильно варьируется, что заставляет предполагать значительную изменчивость в распространении волн из нижних слоев. Природа такой изменчивости неизвестна. Одна из возможных причин — взаимодействие с магнитосферой через торможение ионов в магнитном поле.
Ионосфера и полярные сияния
Ионосфера. Профили плотности электронов, построенные по данным «Cassini», показывают,
что и средняя плотность электронов, и высота их максимальной плотности возрастают с широтой. По наблюдениям в средних широтах было зафиксировано падение максимальной плотности и возрастание ее высоты от заката до рассвета, что согласуется с наличием молекулярных ионов, распадающихся после восхода Солнца. Значительная изменчивость электронных плотностей на одних и тех же широтах и в одно и то же время суток позволяет предположить, что структуру ионосферы Сатурна определяют динамические и (или) электродинамические процессы. Основной источник ионизации в дневное время — фотоионизация. Время жизни ионов снижается из-за присутствия воды, поступающей из колец и ледяных лун.
Непосредственно с помощью инфракрасной спектрометрии наблюдались лишь ионы Нз+ по трем сильным эмиссионным линиям вблизи 3.67 мкм. Вообще, в ионосфере Сатурна, как и в межзвездной среде, преобладают ионы Н+ и Нз+. Ион Н2+суще-ственно менее распространен, так как он быстро превращается в Нз+. Эффективная диссоциативная рекомбинация Нз+ приводит к тому, что его концентрация сильно меняется в течение суток с минимумом непосредственно перед рассветом.
По измерениям вариаций в проходимости радиоволн и с помощью теоретических моделей был построен температурный профиль ионосферы. Вычисления дают диапазон температур плазмы от 1500 до 3000 К и максимальную плотность ионосферы порядка 104 см-3. Скорость истечения плазмы из ионосферы на высоких широтах в магнитосферу оценивается в 1 кг/с, что несколько ниже, чем приток плазмы в магнитосферу из колец, но выше, чем приток плазмы, связанной с Титаном.
Полярные сияния. Как и на Земле, полярные сияния на Сатурне вызываются выпадением
на планету частиц высоких энергий. Ультрафиолетовое излучение полярных сияний порождается неравновесно возбужденными атомами и молекулами, а инфракрасное излучение исходит от нагретой атмосферы и по существу является тепловым излучением. Внешнее яркое полярное кольцо наблюдалось и с Земли, но полярные сияния вблизи полярной шапки не были замечены до экспедиции «Cassini». Авроральная эмиссия рождается на сотни километров выше облаков, наблюдаемых на длине волны 5 мкм. Главный овал полярного сияния нередко бывает неполон, образуя незамкнутую спираль. Часто перед рассветом наблюдаются яркие дуги, вращающиеся со скоростью, в несколько раз меньшей скорости вращения магнитосферы; яркие пятна на дугах движутся после полудня по направлению к полюсам. Отдельные области сжимаются солнечны
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.