Трехслойная модель дымки объяснила разницу в цвете Урана и Нептуна

Астрономы на основе данных наблюдений наземных и космических телескопов создали трехслойную модель распределения аэрозолей в атмосферах Урана и Нептуна, которая позволила объяснить разницу в их цвете и наблюдаемых элементах атмосфер. Оказалось, что бледно-голубой цвет Урана можно объяснить сильно непрозрачным слоем дымки при давлении 1–2 бар, а у Нептуна есть тонкий слой дымки из частиц метанового льда, залегающий при давлении 0,2 бар. Темные пятна на Нептуне можно объяснить за счет затемнения или просветления самого нижнего слоя аэрозолей. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.

Обновлено: в мае 2022 года статья была опубликована в журнале Journal of Geophysical Research: Planets.

Уран и Нептун при наблюдениях в оптическом диапазоне волн кажутся голубыми или голубовато-зелеными, в отличие от более желто-красноватых Юпитера и Сатурна. Подобная цветовая гамма возникает из-за сходства атмосфер Урана и Нептуна, которые характеризуются аналогичными профилями температуры тропосферы и соотношением He/H₂, а также высоким содержанием метана, который поглощает излучение в инфракрасном диапазоне и красной части оптического диапазона. Кроме того, в случае ледяных гигантов сильно выражено рэлеевское рассеяние в атмосфере с низким содержанием аэрозолей. 

Однако цвет обеих планет все же отличается друг от друга, кроме того, есть различия и в наблюдаемых деталях атмосфер. Например, облака метана могут находиться на Уране и Нептуне на разных высотах, кроме того, в атмосфере Нептуна было замечено несколько темных пятен, наиболее известным из которых является антициклон Большое темное пятно, а на Уране наблюдалось лишь одно темное пятно. Также Нептун кажется менее ярким при наблюдениях на длинных длинах волн, а в ультрафиолетовом диапазоне отражает больше света, чем Уран. 

Модели атмосфер ледяных гигантов, призванные объяснить данные наблюдений, содержат, в основном, толстый аэрозольный слой при давлении 2–4 бара (предположительно дымка фотохимического происхождения и, возможно, смешанный со льдом сероводород) и дымку над ней. Однако у ученых до сих пор нет достоверной информации о том, из чего состоят аэрозоли ледяных гигантов и каковы их спектральные свойства, из-за чего существует проблема проверки текущих моделей на правильность. 

Патрик Ирвин (Patrick Irwin) из Оксфордского университета и его коллеги опубликовали результаты анализа данных наблюдений за Ураном и Нептуном наземных телескопов IRTF и «Джемини», космического телескопа «Хаббл» и аппарата «Вояджер-2», охватывающих диапазон длин волн 0,3–2,5 микрометров и их сравнение с данными моделирований спектров отражения ледяных гигантов. Целью ученых было получить единую модель распределения аэрозолей в атмосферах Урана и Нептуна, которая соответствовала бы наблюдениям.

Итоговая модель распределения аэрозолей выглядит следующим образом. В глубоких слоях атмосферы (при давлении более 7 бар) залегает первый слой аэрозолей, состоящих из субмикронных частиц тумана и льда на основе сероводорода, созданных за счет фотохимических процессов. Эти частицы сильно рассеивают свет на длине волны 500 нанометров, но сильнее поглощают излучение как на более коротких, так и на более длинных волнах. Второй тонкий слой аэрозоля залегает вблизи уровня конденсации метана (при давлении 1–2 бар) и состоит из микронных частиц дымки фотохимического происхождения, которые обладают меньшей отражательной способностью в оптическом диапазоне волн, чем частицы из первого слоя, а также сильнее поглощают излучение как на более коротких, так и более длинных волнах. Третий слой аэрозолей представляет собой вертикально вытянутую дымку из мелких частиц, начинающийся при давлении 1–2 бар и простирающийся до стратосферы.

Таким образом, фотохимическая дымка, образующаяся в верхних слоях атмосферы обеих планет, неуклонно смешивается с нижними слоями, где концентрируется в вертикально тонком и статически устойчивом слое вблизи уровня конденсации метана. Метан так быстро конденсируется на этих частицах дымки, что выпадает в виде снега у основания этого слоя, опускаясь на более низкие и теплые уровни, где испаряется, высвобождая частицы дымки, что инициирует образование облаков из ледяных кристалликов сероводорода. 

В случае Нептуна ученые пришли к выводу, что в модель необходимо добавить тонкий слой из микронных частиц метанового льда, залегающий при давлении 0,2 бар, чтобы объяснить усиленное отражение на более длинных длинах волн. Кроме того, спектральные характеристики темных пятен можно объяснить за счет затемнения или просветления самого нижнего слоя аэрозолей. В случае Урана непрозрачность второго слоя аэрозолей в 2 раза больше, чем у Нептуна, что объясняет более низкую отражательную способность Урана в ультрафиолетовом диапазоне и то почему Уран кажется человеческому глазу бледно-голубым.

Ранее мы рассказывали о том, как «Чандра» впервые увидела рентгеновское излучение Урана и почему основной компонент облаков гиганта пахнет тухлыми яйцами.

Александр Войтюк