Новое открытие показывает, почему Уран и Нептун разного цвета

Теперь астрономы могут понять, почему похожие планеты Уран и Нептун имеют разные оттенки. Исследователи построили единую модель атмосферы, которая соответствует наблюдениям за обеими планетами, используя наблюдения телескопа Gemini North, инфракрасного телескопа НАСА и космического телескопа Хаббл. Модель показывает, что избыточная дымка на Уране накапливается в застойной, вялой атмосфере планеты, придавая ему более светлый оттенок, чем у Нептуна.

Планеты Нептун и Уран имеют много общего — у них схожие массы, размеры и состав атмосферы — но их внешний вид заметно различается.

В видимом диапазоне длин волн Нептун имеет отчетливо более синий цвет, тогда как Уран имеет бледный оттенок голубого. Теперь у астрономов есть объяснение, почему две планеты имеют разный цвет.

Новое исследование предполагает, что слой концентрированной дымки, существующий на обеих планетах, на Уране толще, чем аналогичный слой на Нептуне, и «отбеливает» внешний вид Урана больше, чем Нептуна. ^[1] Если бы в атмосферах Нептуна и Урана не было дымки , они оба казались бы почти одинаково голубыми. ^[2]

Этот вывод следует из модели ^[3] , разработанной международной группой под руководством Патрика Ирвина, профессора планетарной физики Оксфордского университета, для описания аэрозольных слоев в атмосферах Нептуна и Урана. ^[4]

Предыдущие исследования верхних атмосфер этих планет были сосредоточены на появлении атмосферы только на определенных длинах волн. Однако эта новая модель, состоящая из нескольких атмосферных слоев, соответствует наблюдениям с обеих планет в широком диапазоне длин волн. Новая модель также включает частицы дымки в более глубоких слоях, которые ранее считались содержащими только облака метана и сероводородных льдов.

«Это первая модель, которая одновременно соответствует наблюдениям за отраженным солнечным светом от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона», — говорят ученые. «Это также первое объяснение разницы в видимых цветах между Ураном и Нептуном».

Модель состоит из трех слоев аэрозолей на разной высоте. ^[5] Ключевым слоем, влияющим на цвета, является средний слой, представляющий собой слой частиц дымки (называемый в статье слоем Aerosol-2), который на Уране толще, чем на Нептуне.

Ученые подозревают, что на обеих планетах метановый лед конденсируется на частицах в этом слое, затягивая частицы глубже в атмосферу в виде дождя из метанового снега. Поскольку у Нептуна более активная и турбулентная атмосфера, чем у Урана, ученые считают, что атмосфера Нептуна более эффективно взбивает частицы метана в слой дымки и производит этот снег. Это удаляет больше дымки и делает слой дымки на Нептуне тоньше, чем на Уране, а это означает, что синий цвет Нептуна выглядит насыщенней.

«Мы надеялись, что разработка этой модели поможет нам понять облака и дымку в атмосферах ледяных гигантов», — говорят исследователи. «Объяснение разницы в цвете между Ураном и Нептуном было неожиданным бонусом!»

Чтобы создать эту модель, ученые проанализировали ряд наблюдений планет, охватывающих ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны волн (от 0,3 до 2,5 микрометров), сделанных с помощью спектрометра интегрального поля ближнего инфракрасного диапазона (NIFS) на телескопе Gemini North на Гавайях.

Инструмент NIFS на Gemini North был особенно важен для этого результата, поскольку он может предоставлять спектры — измерения того, насколько ярким является объект на разных длинах волн — для каждой точки в его поле зрения. Это дало подробные измерения того, насколько отражательна атмосфера обеих планет как по всему диску планеты, так и по диапазону длин волн ближнего инфракрасного диапазона.

Модель также помогает объяснить темные пятна, которые иногда видны на Нептуне и реже обнаруживаются на Уране.

Хотя астрономы уже знали о наличии темных пятен в атмосферах обеих планет, они не знали, какой аэрозольный слой вызывает эти темные пятна или почему аэрозоли в этих слоях обладают меньшей отражательной способностью.

Исследование группы проливает свет на эти вопросы, показывая, что затемнение самого глубокого слоя их модели приведет к образованию темных пятен, подобных тем, что видны на Нептуне и, возможно, на Уране.

Заметки

1. Этот эффект отбеливания похож на то, как облака в атмосферах экзопланет тускнеют или «сглаживают» детали в спектрах экзопланет.
2. Красные цвета рассеянного от дымки солнечного света и молекулы воздуха больше поглощаются молекулами метана в атмосфере планет. Этот процесс, называемый рассеянием Рэлея, делает небо на Земле голубым (хотя в земной атмосфере солнечный свет в основном рассеивается молекулами азота, а не молекулами водорода). Рэлеевское рассеяние происходит преимущественно на более коротких и голубых длинах волн.
3. Аэрозоль представляет собой взвесь мелких капель или частиц в газе. Общие примеры на Земле включают дымку, сажу, дым и туман. На Нептуне и Уране частицы, произведенные солнечным светом при взаимодействии с элементами атмосферы (фотохимические реакции), ответственны за аэрозольные туманы в атмосферах этих планет.
4. Научная модель — это вычислительный инструмент, используемый учеными для проверки предсказаний о явлениях, которые было бы невозможно сделать в реальном мире.
5. Самый глубокий слой (называемый в статье слоем Aerosol-1) толстый и состоит из смеси сероводородного льда и частиц, образующихся при взаимодействии атмосфер планет с солнечным светом. Верхний слой представляет собой расширенный слой дымки (слой Aerosol-3), похожий на средний слой, но более тонкий. На Нептуне над этим слоем также образуются крупные частицы метанового льда.