Красноту северного полюса Харона объяснили радиолизом фотолизированного метанового инея

Цветное изображение Харона, полученное New Horizons, и схема процесса динамического фотолиза метана.

Ujjwal Raut et al. / Science, 2022

Планетологи описали потенциальный механизм окраски северной полярной шапки спутника Плутона Харона в красный цвет. По их мнению, это происходит в два этапа — сначала идет процесс фотолиза ультрафиолетовым излучением осаждающихся на поверхность спутника молекул метана, а затем получившийся иней подвергается радиолизу частицами солнечного ветра, что приводит к образованию толиноподобных соединений. Статья опубликована в журнале Science.

Харон представляет собой самый крупный спутник Плутона, первые детальные снимки которого были получены зондом New Horizons в 2015 году. На цветных изображениях поверхности Харона, собранных бортовой камерой MVIC, заметно, что северная полярная область спутника обладает красноватым цветом, причем распределение интенсивности окраски достигает максимума в регионе, получившем обозначение макула Мордор. Первоначально ученые посчитали, что область может иметь ударное происхождение, однако в дальнейшем возникла другая гипотеза — красноватый цвет может быть связан с толиноподобными соединениями, которые могут возникать в ходе фотолиза метана ультрафиолетовым диффузным излучением в линии Лайман-альфа, возникающим в ходе резонансного рассеяния солнечных фотонов Лайман-альфа на атомах водорода из межпланетной среды. При этом метан попадает на поверхность Харона путем вымораживания из экзосферы, куда изначально он транспортируется из метанового облака, истекающего с Плутона.

Группа планетологов во главе с Уджвалом Раутом (Ujjwal Raut) из Юго-Западного исследовательского института провела ряд лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования, чтобы всесторонне проверить теорию динамического фотолиза. Проведенные моделирования касались процессов, идущих в экзосфере Харона, где метан с Плутона способен захватываться в холодные ловушки и перераспределяться по Харону, и учитывают смену сезонов на спутнике. Молекулы метана кратковременно прилипают к поверхности Харона с температурой от 10 до 60 кельвинов и способны десорбироваться с нее, при этом скорость десорбции зависит от температуры. При этом скорости большинства десорбированных молекул метана недостаточно для покидания Харона, поэтому они перемещаются в случайных направлениях, «прыгая» по поверхности спутника. После нескольких таких «прыжков» молекулы часто попадают в криоловушки вблизи того полюса Харона, где царит зима, где они остаются до весны. В лабораторных исследованиях ученые осаждали пленки метана в вакуумной камере на кварцевые микровесы, охлажденные до 10 кельвинов, одновременно подвергая их воздействию ультрафиолетового излучения от лампы. После этого фотолизованные пленки нагревали, имитируя смену сезонов на Хароне, и отслеживали потерю массы пленок.

Распределение продуктов фотолиза по поверхности Харона спадает с удалением от полюса — на широте 45 градусов их вдвое меньше, чем на полюсе. В более низких широтах образуется меньше сложных углеводородов, чем на полюсах. При этом отношение потока конденсирующегося метана к ультрафиолетовым фотонам из межпланетной среды, обозначаемое как φ, никогда не опускается ниже 4 во время зимы в полярном регионе. Полярный иней, богатый метаном, достигает толщины в несколько десятков микрометров в условиях пикового значения φ, равного 30 тысячам, примерно за два года до осеннего равноденствия на Хароне, а концентрация продуктов фотолиза метана в инее меняется от 0,001 (момент равноденствия) до 15 процентов (после равноденствия). 

Ученые пришли к выводу, что процесс динамического фотолиза метана на Хароне, при котором разрушение молекул метана конкурирует с осаждением новых молекул, в средних широтах производит сложные углеводороды, а в полярных широтах в основном генерирует этан, который не дает красноватого оттенка. Однако этан менее летуч, тем метан, и процесс радиолиза частицами солнечного ветра фотолизированного инея на полюсах после наступления весны на Хароне может дать более сложные соединения, которые обеспечат красный цвет. При этом сам процесс динамического фотолиза может оказаться не уникальным для Харона, а быть обычным явлением во внешней Солнечной системе. В частности, подобные процессы могут идти на Энцеладе, Европе или Тритоне.

Ранее мы писали о том, как кратеры на Плутоне и Хароне рассказали о недостатке малых тел в Поясе Койпера.

Александр Войтюк

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.