Атмосфера Титана
По ряду сходных признаков в регистрируемых на Земле спектрах отражения к Урану и Нептуну примыкает самый большой спутник Сатурна — Титан. За последнее время его атмосфера, открытая еще в начале этого столетия испанским астрономом К.Сола, привлекала очень большое внимание. В 40-х годах XX века известный американский астроном Д. Койпер подтвердил наличие атмосферы на Титане, обнаружив полосы поглощения метана в его спектре, а еще позднее было сообщено об отождествлении слабых квадрупольных линий молекулярного водорода. Что обусловливает нерезонансное поглощение, пропорциональное квадрату давления газа. Это привело к предположению о наличии у Титана довольно плотной газовой оболочки.
Этот феномен можно было бы объяснить, если опять же допустить, что Титан обладает плотной атмосферой, в которой основная непрозрачность создается в диапазоне длин волн около 20 мкм. Тогда измеряемая на этих длинах волн температура будет относиться к излучающему слою, расположенному на определенной высоте в атмосфере, а температура у поверхности вследствие парникового эффекта может достигать почти 200 К. Другими словами, климатические условия на Титане могли бы оказаться сравнительно благоприятными, почти такими же, как на Марсе!
Длительное время дискутировался вопрос о том, какой агент может быть ответственным за высокую непрозрачность атмосферы. Метан не обладает сильными полосами поглощения в области длиннее 7,7 мкм. Что касается молекулярного водорода, то его потребное количество должно было бы соответствовать давлению у поверхности не менее 0,5 атм, и вряд ли тело такой массы, как Титан, могло удержать столько водорода, а его постоянный интенсивный подвод в атмосферу маловероятен. Более приемлемым казалось предположение, что уходящее излучение экранируется за счет индуцированного поглощения молекулярного водорода при давлении порядка 1 атм. Столь высокое давление могло бы создаваться, например, неоном или азотом, при относительно небольшом содержании водорода. Космически распространенный неон мог сохраниться со стадии аккумуляции, а азот образоваться за счет фотолиза аммиака.
Однако реальность этой гипотезы сильно уменьшилась после того, как сам факт обнаружения водорода в спектрах Титана был поставлен под сомнение. Поэтому продолжали рассматриваться две модели: неплотной атмосферы с давлением у поверхности ~20 мбар и плотной атмосферы с давлением у поверхности около 1 атм. Основной атмосферной компонентой считался метан. Между тем приемлемого объяснения возможного повышения температуры нижней атмосферы по-прежнему найдено не было.
Исходя из представлений о возможном образовании углеводородов под действием ультрафиолетового излучения на поверхности или в слое облаков, предпринимались попытки объяснить природу красноватой окраски Титана: его альбедо в красной части спектра столь же велико, как у Марса или Ио, и, вообще говоря, может обусловливаться поверхностью или атмосферой. Присутствие в спектре довольно размытых, трудно выделяемых признаков поглощения, присущих, в отличие от газов, отражению от твердых тел, казалось бы, не исключает такой возможности. Однако ряд особенностей в структуре полос метана и результаты измерений зависимости степени поляризации отраженного излучения от фазового угла определенно свидетельствовали о том, что, подобно Юпитеру и Сатурну, отражающий материал скорее всего является аэрозолем, сосредоточенным в облаках.
Результаты оптических и радиоизмерений параметров атмосферы Титана при пролете «Вояджера-1» существенно прояснили все эти вопросы. Оказалось, что атмосфера Титана на 90% атмосфера состоит из азота и, вероятно, содержит также до 10 % первичного аргона, а относительное содержание метана всего около 1 %; есть также немного аммиака, цианистый водород, этан, этилен и ацетилен.
Облака и аэрозольная дымка плотной пеленой закрывают Титан и не дают возможности увидеть его поверхность. Облака состоят почти целиком из капелек жидкого метана. Интересно, что при сопоставимых значениях поверхностного давления атмосфера Титана почти вдесятеро массивнее земной, что объясняется различием ускорений силы тяжести на этих телах.
Плотная азотная атмосфера в какой-то мере роднит Титан с Землей. Но сходство, возможно, этим не ограничивается. Высказывалось предположение, что метан мог бы играть на Титане ту же роль, что вода на Земле: находясь на поверхности в жидком состоянии, он, испаряясь и конденсируясь в атмосфере, образует облака, из которых вновь выпадает на поверхность в виде метанового дождя. Такой круговорот метана должен был бы определяющим образом влиять на метеорологию этого во многих отношениях уникального небесного тела.
Однако справедливость столь интересного предположения была поставлена под сомнение анализом измеренных высотных профилей температуры, так как не было обнаружено сколько-нибудь заметного отклонения от сухоадиабатического градиента в подоблачной атмосфере. Соответственно под вопросом оказалось и предположение о метановом океане, покрывающем поверхность Титана, хотя при названных выше значениях температуры и давления метан должен находиться на поверхности в жидком состоянии. Разрешить данное противоречие можно, если принять во внимание, что в результате фотохимического процесса в атмосфере метан легко превращается в этан, также остающийся жидким при существующих на поверхности условиях. Гипотеза об этановом океане, высказанная Дж. Люнайном с сотрудниками и независимо С. Дермоттом и К. Саганом, кажется довольно привлекательной, В этом океане могли бы быть растворены другие атмосферные компоненты, прежде всего азот и метан (предполагаемый состав: 70% этана, 25% метана и 5% азота), а на его дне накапливаться в виде осадков более тяжелые органические соединения, первоначально образующиеся в атмосфере. Некоторые исследователи склонны считать их «замороженными» аналогами первичных органических комплексов на Земле. Данная гипотеза выглядит значительно более обоснованной по сравнению с упоминавшимися представлениями о «густой органической массе» на поверхности. Тем не менее только прямой эксперимент позволит получить окончательный ответ, и не случайно Титан рассматривается сейчас как один из наиболее привлекательных объектов для будущих космических исследований.
Очень немного пока есть данных для того, чтобы ответить на вопрос, обладает ли атмосферой Плутон. Спектральные и спектрофотометрические измерения не показали следов поглощения метана в газовой фазе (который мог бы находиться в виде насыщающих паров в равновесии с поверхностным льдом) или каких-либо других атмосферных составляющих. Естественным образом это можно объяснить чрезвычайно низкой температурой на поверхности Плутона, которая ниже температуры конденсации большинства газов. Пожалуй, единственный газ, который мог быть удержан на Плутоне и не испытать конденсации,— это неон, Однако такое предположение маловероятно, поскольку он обладает небольшой атомной массой и не может быть удержан на небесном теле столь малой массы. Аналогичная ситуация, очевидно, характерна для еще одного относительно крупного тела на периферии Солнечной системы — спутника Нептуна Тритона. Как и на Плутоне, на нем не обнаружено заметных следов атмосферы, что можно объяснить прежде всего за счет вымерзания газа, которое в условиях слабой инсоляции и отсутствия внутренних источников тепла становится определяющим.
В семействе галилеевых спутников основным механизмом, контролирующим наличие атмосферы при более высоких температурах на поверхности, служит диссипация (убегание) атомов и молекул в космос. Экспериментально, путем наземных наблюдений и по измерениям с космических аппаратов «Пионер», была обнаружена атмосфера у Ио с давлением у поверхности около 10~5 мбар и существование тороидального облака плазмы вдоль его орбиты. С учетом интенсивной диссипации для удержания даже такой разреженной атмосферы требуется постоянный подвод газов, источник которого стал ясен только после открытия на Ио активного вулканизма. В ультрафиолетовых спектрах плазменного тора этого спутника были отождествлены ионы серы и кислорода, что не оставляет сомнения в их вулканическом происхождении. Над отдельными теплыми районами поверхности, отождествляемыми с очагами вулканической деятельности, обнаружена менее разреженная атмосфера, состоящая из диоксида серы (SO2). На при летающих холодных участках поверхности содержание SO2 резко падает, т. е. он вымерзает на поверхности, а атмосфера коллапсирует, становясь экзосферой.
Подобных источников поступления газов в атмосферу нет на других телах данного семейства. Поэтому только на самом крупном Ганимеде предполагалось существование древней атмосферы с давлением у поверхности даже более высоким, чем у Ио. Отсутствие обнаружимых атмосфер на таких почти одинаковых по размерам телах, как Плутон, Тритон, Европа и тем более на Ганимеде или Каллисто и в то же время наличие атмосферы на Титане представляет собой один из любопытных феноменов в Солнечной системе, ждущих своего объяснения.
|
|
Читайте в рубрике «Планета Сатурн»: |
ИПОТЕКАПРО
ИПОТЕКАПРО - помощь ипотечного брокера с получением ипотечного кредита.
ipotekapro.info