Верхние слои в атмосфере газовых гигантов — Сатурна, Юпитера, Урана и Нептуна — горячие, как и у Земли. Но в отличие от Земли, Солнце слишком далеко от этих внешних планет, чтобы объяснить высокие температуры. Их источник тепла был одной из великих загадок планетарной науки.
Анализ новых данных с космического корабля НАСА «Кассини» находит жизнеспособное объяснение того, что так сильно нагревает верхние слои Сатурна и, возможно, других газовых гигантов: полярные сияния на северном и южном полюсах планеты. Электрические токи, вызванные взаимодействиями между солнечными ветрами и заряженными частицами от спутников Сатурна, разжигают полярные сияния и нагревают верхнюю атмосферу. Как и в случае с северным сиянием Земли, изучение полярных сияний говорит ученым о том, что происходит в атмосфере планеты.
Работа, опубликованная сегодня в журнале «Nature Astronomy», является наиболее полным пока отображением как температуры, так и плотности верхней атмосферы газового гиганта — области, которая плохо изучена.
«Понимание динамики действительно требует общего взгляда. Этот набор данных — первый случай, когда мы смогли взглянуть на верхние слои атмосферы от полюса до полюса, а также увидеть, как температура меняется с глубиной», — сказала Зара Браун, ведущий автор исследования и аспирант в лунно-планетарной лаборатории Университета Аризоны.
Создавая полную картину того, как тепло циркулирует в атмосфере, ученые лучше понимают, как авроральные электрические токи нагревают верхние слои атмосферы Сатурна и как ведут себя ветры. Глобальная система ветров может распределять эту энергию, которая первоначально откладывается около полюсов в экваториальные области, нагревая их вдвое по сравнению с температурами, ожидаемыми только от солнечного нагрева.
«Результаты жизненно важны для нашего общего понимания верхних слоев атмосферы и являются важной частью наследия Кассини», — сказал соавтор исследования Томми Коскинен, член команды Cassini по визуализации. «Они помогают решить вопрос о том, почему верхняя часть атмосферы настолько горячая, а остальная часть атмосферы — из-за большого расстояния от Солнца — холодная».
Управляемый Лабораторией реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии, Кассини был орбитальным аппаратом, который наблюдал Сатурн более 13 лет, прежде чем исчерпал запас топлива. Миссия погрузила его в атмосферу планеты в сентябре 2017 года, но перед этим Кассини выполнил 22 сверхблизких прохода на орбите Сатурна, а также финальный тур проход под названием Гранд Финал.
Именно во время Гранд Финала были собраны ключевые данные для новой температурной карты атмосферы Сатурна. В течение шести недель миссия Кассини нацеливалась на несколько ярких звезд в созвездиях Ориона и Большой Пес. В это время космический корабль наблюдал, как звезды поднимаются и садятся за гигантскую планету. Ученые проанализировали, как изменился свет звезд, когда они проходили через атмосферу.
Измерение плотности атмосферы дало ученым информацию, необходимую для определения температуры. Плотность уменьшается с высотой, а скорость снижения зависит от температуры. Они обнаружили, что температура достигает максимума вблизи полярных сияний, что указывает на то, что полярные электрические токи нагревают верхнюю атмосферу.
Измерения плотности и температуры вместе помогли ученым выяснить скорость ветра. Понимание верхней атмосферы Сатурна, где планета встречается с космосом, является ключом к пониманию космической погоды и ее влияния на другие планеты в нашей солнечной системе и экзопланеты вокруг других звезд.
«Несмотря на то, что были найдены тысячи экзопланет, только планеты нашей солнечной системы могут быть изучены в таких подробных деталях. Благодаря Кассини, у нас прямо сейчас есть детальная картина верхней атмосферы Сатурна» — сказал Браун.
Миссия Кассини-Гюйгенс — совместный проект НАСА, Европейского космического агентства и Итальянского космического агентства.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение