Верхние слои атмосфер газовых планет, таких как Сатурн, Юпитер, Уран и Нептун, такие же теплые, как и земная атмосфера. Но в отличие от Земли, Солнце от этих внешних планет нашей системы находится слишком далеко, чтобы быть ответственным за такие высокие температуры. И источник их тепла оставался одной из великих загадок исследования планет.
Полярное сияние на южном полюсе Сатурна, зафиксированное космическим зондом Cassini. © NASA / JPL / ASI / University of Arizona / University of Leicester
Новый анализ данных, собранных космическим зондом NASA Cassini, позволил найти убедительное объяснение того, что сохраняет верхние слои атмосферы Сатурна и, возможно, верхние слои других газовых планет такими теплыми: полярные сияния на северном и южном полюсах планет. Электрические токи, вызванные взаимодействиями солнечного ветра и заряженных частиц от естественных спутников Сатурна, генерируют в верхних слоях атмосферы полярное сияние и тепло. Как и в случае с полярным сиянием на Земле, изучение такого явления на другой планете показывает ученым, что же происходит в ее атмосфере.
Результаты проведенной работы были опубликованы 6 апреля 2020 года в журнале Nature Astronomy и они представляют собой наиболее полную карту температур и плотности верхней атмосферы газового гиганта - региона, который изучен еще крайне недостаточно.
Нарисовав полную картину циркуляции тепла в атмосфере, ученые смогли лучше понять, как электрические токи от полярных сияний согревают верхние слои атмосферы Сатурна и создают ветры. Глобальная роза ветров может направлять эту энергию, которая изначально имеется вблизи полюсов, в экваториальные области и нагревать атмосферу вдвое сильнее, чем это можно было бы ожидать только под действием солнечной радиации.
«Результаты имеют решающее значение для наших общих знаний о верхней атмосфере планеты, и они представляются важной частью наследия Cassini», - говорит автор исследования Томми Коскинен из команды Cassinis Ultraviolet Imaging Spectograph (UVIS). - «Они помогают решить вопрос о том, почему верхняя часть атмосферы такая теплая, а остальная часть атмосферы холодная по причине большого расстояния от Солнца».
Cassini был орбитальным зондом, управлявшимся Лабораторией реактивного движения NASA (JPL), который наблюдал за Сатурном более 13 лет, прежде чем у него окончательно закончилась горючее. Зонд был направлен в атмосферу планеты в сентябре 2017 года. Одной из его задач было проведение оценки сатурнианской луны Энцелада. И, как выяснил Cassini, на Энцеладе могли бы существовать условия, благоприятные для жизни. Но до того, как полностью разрушиться, Cassini совершил 22 сверхближних вращения на орбите Сатурна, проходя завершающий тур под названием «Гранд Финал».
И как раз в ходе этого «Гранд Финала» были собраны ключевые данные для создания новой температурной карты атмосферы Сатурна. На протяжении шести недель Cassini запечатлевал несколько ярких звезд в созвездиях Ориона и Большого Пса, когда они исчезали за Сатурном. А поскольку космический зонд наблюдал как за восходом, так и за заходом звезд за гигантскую планету, ученые смогли проанализировать, как изменялся свет каждой звезды при прохождении через атмосферу Сатурна.
Такое измерение плотности атмосферы дало ученым информацию, необходимую для измерения температуры. Плотность уменьшается с увеличением высоты, а скорость или уровень такого уменьшения зависит от температуры. Исследователи обнаружили, что температуры вблизи полярных сияний самые высокие, и это свидетельствует о том, что электрические токи сияний согревают верхнюю атмосферу газового гиганта.
А совместные измерения плотности и температуры помогли ученым определить скорости ветров. Понимание верхней атмосферы Сатурна, где планета фактически встречается с космосом, является ключом к пониманию космической погоды и ее влияния на другие планеты в нашей Солнечной системе, а также на экзопланеты возле других звезд.
