Колебания «населения» протонного пояса Сатурна объяснили ультрафиолетом

NASA/JPL/Space Science Institute
В период между 2010 и 2012 годом зонд «Кассини» зафиксировал резкое снижение, а затем восстановление населенности (числа частиц) внешнего протонного пояса Сатурна. В своей работе ученые из США, Германии и Франции объяснили это необычное поведение изменением коэффициента рассеяния, которое, в свою очередь, могло быть вызвано изменением интенсивности ультрафиолетового излучения. Статья опубликована в Nature Astronomy.
Планеты, обладающие сильным магнитным полем (например, Земля или Сатурн) окружены радиационными поясами, которые в основном состоят из протонов и электронов с энергиями порядка мегаэлектронвольт. Частицы в протонном поясе Земли возникают из-за взаимодействия галактических космических лучей (GCR) с атмосферой, а также из-за медленного радиального переноса (inward radial transport). Число частиц в этом поясе связано с солнечным циклом и геомагнитными бурями, но механизмы этой зависимости пока еще не до конца понятны.
Всего у Сатурна четыре протонных пояса, расположенных между кольцом F и орбитой спутника Тефия. В этом диапазоне проходят орбиты еще трех спутников (Януса, Мимаса и Энцелада), которые отделяют пояса друг от друга и от внутренней магнитосферы. Это исключает радиальный перенос частиц, и в основном ионы в поясах образуются из-за взаимодействия космических лучей с веществом. В то же время, спектр космических лучей изменяется в течение 11-летнего цикла солнечной активности, поскольку в течение него меняется магнитное поле солнечного ветра, который отражает низкоэнергетические частицы и вытесняет их из гелиосферы. По идее, это должно сказываться на населенности протонных поясов.
Это заставило ученых предположить, что эволюция протонных радиационных поясов обусловлена не зависящим от времени источником (космическими лучами), а зависящими от времени потерями. Такие потери могут быть обеспечены радиальным рассеянием или рассеянием на питч-угол (radial or pitch angle diffusion). Рассеяние вносит небольшие возмущения в траектории частиц, которые растут со временем и приводят частицы на орбиты спутников (в первом случае) или в плотные слои атмосферы (во втором), где они поглощаются. Поэтому увеличение коэффициента рассеяния должно приводить к увеличению потерь.
Ученые считают, что радиальное рассеивание должно играть важную роль в эволюции радиационных поясов не только Сатурна, но и других планет. Тем не менее, пока еще не понятно, как именно связаны коэффициенты рассеяния и интенсивность ультрафиолетового излучения.
Не так давно зонд «Кассини» завершил свою миссию, войдя в атмосферу Сатурна. Об основных открытиях, которые зонд успел сделать за 13 лет работы, можно прочитать в нашем материале.
Дмитрий Трунин