Полярные сияния юпитера кратко
Обновлено: 03.07.2024
Наверняка те, кто хоть раз в жизни видел своими глазами северное (или южное) полярное сияние, скажут, что это просто фантастическое зрелище. Чудо природы планетарного масштаба, грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле невооруженным глазом. Свечение атмосферы на высотах в сотни и на удалении в тысячи километров настолько разноцветно и динамично, что производит впечатление чего-то живого, движущегося, дышащего…
Но только ли наша планета может похвастать этим грандиозным зрелищем? Могут ли, если не коренные жители, то будущие колонисты, к примеру Марса или спутников Юпитера, наблюдать что-либо подобное?
Что вообще нужно, чтобы на какой-либо планете возникли полярные сияния?
По определению, полярные сияния — это свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.
Итак, нам требуется:
1. Солнечный ветер, представляющий из себя поток заряженных частиц — протонов, электронов, ядер гелия и др. — Имеется всегда во всей Солнечной системе.
У планет или их спутников:
2. Атмосфера, с атомами которой будет взаимодействовать солнечный ветер.
3. Магнитное поле, направляющее заряженные частицы в определенную область планеты (не обязательно в полярную, — угол между магнитной осью и осью вращения планеты, может быть значительным.)
Посмотрим, как это работает на Земле.
Земля
Землю можно рассматривать как большой магнит, южный полюс которого располагается вблизи северного географического полюса, а северный — вблизи южного. Силовые геомагнитные линии Земли немного сжаты со стороны Солнца вследствие давления солнечного ветра и оттянуты в противоположном направлении, образуя у Земли магнитосферный хвост.
А как ведут себя частицы солнечного ветра при взаимодействии с магнитосферой планеты? — В околоземном пространстве все происходит как со сверхзвуковым самолетом. — Поток солнечного ветра на сверхзвуковой скорости (400-700 км\сек) набегает на магнитосферу планеты, в результате чего образуется так называемая, головная ударная волна. — (Скорость солнечного ветра на орбите Земли примерно в 10 раз больше скорости звука в околоземной плазме.)
Головная ударная волна — это, таким образом, магнитное препятствие, которое отклоняет заряженные частицы солнечного ветра по траекториям вокруг планеты. Налетая на нее, большинство заряженных частиц просто обтекает магнитосферу.
Некоторая часть солнечной плазмы попадает в магнитные ловушки радиационных поясов Земли,- заряженным частицам затруднительно двигаться поперек силовых линий и они просто наматываются на них и могут болтаться от полюса к полюсу десятилетиями.
А ещё часть беспрепятственно проникает в полярную ионосферу через полярные каспы — воронкообразные области, расширяющиеся от Земли до магнитопаузы, возникающие в результате взаимодействия солнечного ветра и магнитного поля Земли.
Магнитосфера Земли
Эти области представляют собой два овала (в северном и южном полушариях), удаленные от геомагнитных полюсов ночью приблизительно на 20°, а днем на 10°. Протяженность этих овальных областей по широте составляет всего несколько сот километров.
При интенсивной магнитной буре овал сильно смещается по направлению к экватору.
И если в периоды спокойного Солнца интенсивность полярных сияний мягко говоря невелика, дело усугубляется во время солнечной активности. Выбросы корональной массы (плазмы из короны Солнца) многократно увеличивают интенсивность солнечного ветра.
Поскольку солнечный ветер и выбросы корональной массы Солнца — это по большей части протоны и электроны, соответственно различают два типа полярных сияний.
Электронные полярные сияния,
вызываемые потоками электронов и преобладающие на Земле. Это всем привычные зеленые или фиолетово-малиновые дуги, лучистые полосы, ленты, занавесы и прочие образования, имеющие достаточно четко выраженную структуру.
Как образуются. — Электроны солнечной плазмы, прорвавшись в верхние слои атмосферы Земли, спускаются до высот 400—100 км над уровнем моря. Здесь под их действием происходит ионизация нейтральных атмосферных газов (кислорода и азота), а также возбуждение их атомов и молекул. В ответ на это молекулы, атомы и ионы кислорода и азота атмосферы излучают кванты света на строго определенной длине волны.
Это обуславливает цвет полярных сияний: например, за зеленый цвет отвечает кислород (его наиболее сильная линия), а за фиолетовый, синий или красный — азот. Вообще же, у каждого сияния своя неповторимая палитра цветов, зависящая от постоянно меняющегося процентного химического состава атмосферы.
Потоки электронов вызывают на Земле полярные сияния, регистрируемые не только в видимом диапазоне.
Редкие на Земле, но встречающиеся ещё только на Юпитере, — рентгеновские авроры.
Сильнейшее рентгеновское полярное сияние, зафиксированное 11 апреля 1997 года орбитальным спутником Polar. На картинке видны рентгеновские лучи (в условных цветах), порожденные в верхней атмосфере и обусловленные потоками электронов высоких энергий.
Протонные полярные сияния
Тоже достаточно редкое явление на Земле и его вклад в свечение неба Земли относительно невелик.
Протоны, попадая в атмосферу Земли, также сталкивается с молекулами и атомами атмосферных газов, возбуждая и ионизуя их. Но при этом протон может захватить свободный электрон и произойдет процесс перезарядки. В результате образуется нейтральный атом водорода, который может испускать фотоны в видимом и УФ-диапазонах.
Самая обычная форма протонных полярных сияний — довольно широкая дуга, вытянутая в направлении с востока на запад, шириной от 300 до 1000 км. Также встречаются арки и просто диффузные пятна.
Красная протонная арка, штат Мичиган
Теперь посмотрим, как обстоит дело с полярными сияниями на других планетах.
Меркурий
Несмотря на имеющееся магнитное поле, интенсивность которого, правда, в 100 раз меньше земного, атмосфера на планете фактически отсутствует. Она настолько разрежена, что сами частицы солнечного ветра и составляют атмосферу планеты, вкупе с атомами, выбитыми с поверхности. Атомы атмосферы чаще сталкиваются с планетой, чем друг с другом.
Венера
Не так все плохо, как могло бы показаться.
Ситуация, противоположная Меркурию — густая и плотная атмосфера и отсутствие глобального магнитного поля. Но несмотря на это, слабая магнитосфера у Венеры имеется — она индуцирована самим солнечным ветром, а не планетой.
В 2000-х аппарат Venus Express обнаружил, что за Венерой тянется магнитосферный хвост, аналогичный земному. В нем тоже происходит перезамыкание силовых линий магнитного поля. — Разнонаправленные линии движущейся солнечной плазмы оказываются слишком близко друг от друга и замыкаются.
Солнечный ветер, управляемый процессом перезамыкания, совершенно беспрепятственно взаимодействует с атмосферными газами Венеры. Поэтому полярное сияние здесь не совсем полярное, вернее, совсем не полярное, и представляет собой светлые и диффузные пятна различной формы и интенсивности. Иногда они затрагивают весь планетарный диск. Особенно хорошо видны на ночной стороне планеты.
На Марсе глобального магнитного поля тоже нет, однако наблюдается остаточная локальная намагниченность коры, особенно в горной местности южного полушария.
Атмосфера у Марса тонкая и разреженная, в основном состоящая из углекислого газа. При взаимодействии с электронами солнечного ветра, которые ускоряется вдоль линий локальных магнитных полей, можно наблюдать редкие и кратковременные ультрафиолетовые электронные полярные сияния.
14 августа 2004 года инструментом SPICAM на борту орбитальной станции Mars Express в районе Киммерийской земли было зафиксировано такое явление. Общий размер излучающей области составлял около 30 км в поперечнике, и примерно 8 км в высоту.
Локальные магнитные поля Марса
А вот протонные полярные сияния, впервые зафиксированные во время солнечной бури 12-13 сентября 2017 года орбитальным аппаратом MAVEN, не в пример более мощные и глобальные. Они могут охватывать практически всю планету.
Марс окружен обширной короной из нейтрального водорода. Протоны солнечного ветра, прошедшие процесс перезарядки в короне, уже в виде нейтральных атомов проникают сквозь головную ударную волну (она задерживает только заряженные частицы) и взаимодействуют с атомами и молекулами атмосферных газов в нижней термосфере (на высотах 110-130 км), порождая ультрафиолетовое свечение.
Так что во время солнечных бурь колонистам на Марсе лучше куда-то прятаться.
Ультрафиолетовые данные наложены на снимок Марса на ночной стороне до (слева) и во время (справа) события. Авроральное излучение кажется наиболее ярким на краю снимка планеты вдоль линии светящегося слоя атмосферы.
Газовые гиганты
Четыре планеты-гиганта Солнечной системы имеют в наличии всё для появления полярных сияний — и мощные атмосферы, и сильные магнитные поля.
Неприятной особенностью наблюдений с Земли (и вообще из внутренних областей Солнечной системы) планет-гигантов является то, что они обращены к наблюдателю освещённой Солнцем стороной. Поэтому в видимом диапазоне их полярные сияния теряются в отражённом солнечном свете.
Система Юпитера
Нужно ли говорить, что самая большая планета Солнечной системы имеет и самые мощные полярные сияния? К тому же, в отличие от Земли, авроры Юпитера имеют постоянный характер.
Также удивительной особенностью аврор Юпитера является то, что они возникают не только из-за солнечного ветра, но и из-за потоков частиц, выбрасываемых спутниками планеты: Ио, Ганимедом и Европой (на этих спутниках тоже наблюдаются полярные сияния).
Особенно сильно сказывается присутствие Ио, поскольку этот спутник вулканически активен и у него есть своя ионосфера.
Маленькая Ио играет важную роль в формировании магнитного поля гиганта Юпитера. — Ее вулканы выбрасывают в атмосферу массу ионизированных и нейтральных серы, кислорода, хлора, атомарного натрия и калия, молекулярного диоксида серы, а также пыли хлорида натрия. Все это вещество вытягивается магнитосферой Юпитера из тонкой атмосферы Ио со скоростью 1 тонна в секунду.
При этом в зависимости от ионизации эта материя улетучивается или в разреженное нейтральное облако вокруг спутника (желтое пятно на рисунке), или в плазменный тор, окружающий весь Юпитер (красная область там же).
Схема магнитосферы Юпитера и воздействия Ио: плазменный тор (красное), нейтральное облако (жёлтое), потоковая трубка (зелёное) и линии магнитного поля (голубые)
Анимация, созданная из снимков космического телескопа Хаббл, весна 2005 года. Справа виден след Ио
Подобным же образом, но в гораздо меньшей степени, влияют на авроры Юпитера два других его спутника — Европа и Ганимед. Их горячие авроральные пятна образуются за счёт высокозаряженных ионов кислорода, серы и, возможно, углерода, которые активно обмениваются зарядами.
Авроральные или горячие пятна (в ультрафиолете) Ио, Ганимеда и Европы — следы магнитных силовых линий, соединяющих ионосферы спутников с ионосферой Юпитера.
Яркие пятна внутри основных колец, появляющиеся время от времени, как считается, связаны с взаимодействием магнитосферы и солнечного ветра.
К тому же, рентгеновское излучение Юпитера пульсирует. На южном полюсе — каждые 11 минут, а вот на северном сияние неустойчиво и меняет свою активность независимо и с другой периодичностью – в разные периоды времени – от 12 до 26 и даже до 40–45 минут.
Причины таких рассинхронизации и пульсации пока неясны.
И ещё вопрос, — как Юпитер наделяет частицы в своей магнитосфере огромными энергиями, необходимыми для создания постоянного потока рентгеновских лучей?
Взаимодействующие с солнечным ветром газы в верхних слоях атмосферы нагреваются, как и на Земле. Однако нагрев юпитерианской атмосферы происходит в два или три раза глубже, чем на Земле, достигая нижнего уровня стратосферы.
Ну и нельзя не отметить Ганимед — крупнейший спутник в Солнечной системе и единственный, имеющий собственную магнитосферу. Она очень мала и погружена в магнитосферу Юпитера. Однако наличие у Ганимеда ещё и слабой кислородной атмосферы обуславливают и наличие ультрафиолетовых полярных сияний.
По расчётам учёных, глубина океана – 100 километров, то есть он примерно в 10 раз глубже, чем океаны Земли. Правда, океан Ганимеда похоронен под 150-170-километровым панцирем льда.
Система Сатурна
На Сатурне тоже имеются полярные сияния, куда ж они денутся.
Часть этого водяной пара ионизируется и в объеме 100 кг в секунду пополняет магнитосферу Сатурна различными гидро-, водородными, кислородными и пр. ионами и радикалами.
Однако их не хватает, чтобы раздуть магнитосферу гиганта до размеров юпитерианской. Поэтому полярные сияния на Сатурне зависят гораздо сильнее, чем на Юпитере, от интенсивности солнечного ветра. В этом они схожи с земными.
Полярные сияния на Сатурне, как и на Земле, образуют замкнутые или неполные кольца вокруг магнитных полюсов.
Уран и Нептун
И поскольку орбитальных миссий у ледяных гигантов не было, то в случае с Ураном первую аврору удалось зафиксировать только в 2011 году.
Полярные сияния возникают, когда поток заряженных частиц от Солнца (так называемый солнечный ветер) наталкивается на магнитосферу планеты и в результате частично увлекается вдоль силовых линий в области около магнитных полюсов. Попадая в верхние слои атмосферы, частицы солнечного ветра возбуждают молекулы атмосферных газов и заставляют их светиться. Этот процесс наглядно показан, например, на этом видео.
Радиус орбиты Ио примерно равен 420 000 км, что всего в 7 раз больше радиуса Юпитера. Из-за такой близости к планете-гиганту гравитации Ио не хватает для удержания полноценной атмосферы, несмотря на два постоянных источника ее пополнения — вулканическую активность (в результате которой происходят выбросы вещества и газов) и сублимацию вещества с поверхности. Газ из атмосферы Ио вытягивается Юпитером (со скоростью около 1 тонны в секунду), улетучиваясь или в разреженное нейтральное облако вокруг спутника (желтое пятно на верхнем рисунке), или в плазменный тор, окружающий всю орбиту Ио (красная область там же).
Как и на Земле, полярные сияния на других планетах Солнечной системы также существуют и наиболее хорошо изучены они на Юпитере и Сатурне.
Следует напомнить, что полярное сияние (или аврора) возникает вследствие того, что атмосфера планет, обладающих магнитосферой, сталкивается с заряженными частицами Солнечного ветра и излучает свечение (люминесценция). Они наблюдаются преимущественно в полярных регионах планет (исключение Уран, из-за наклона оси) или там где сходятся магнитные силовые линии (магнитный полюс).
Юпитер и Сатурн
Видео создано на основе УФ снимков телескопа Хаббл.
Полярные сияния у газовых гигантов, как и Земные, возникают в результате взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром. Однако луны Юпитера, особенно Ио, также являются его источником на Юпитере. Оно возникает от электрических токов, идущих вдоль силовых линий магнитного поля, генерируемых в результате движения планеты и Ио.
Этот активный спутник постоянно извергает материал в ионосферу, из-за чего генерируется сильное радиоизлучение, найденное еще в 1955 году.
Кстати, на Уране и Нептуне также были найдены полярные сияния.
На других планетах
Хотя Венера и не имеет достаточно сильного магнитного поля, они появляются в виде светлых и диффузных пятен различной формы и интенсивности, иногда затрагивающие весь планетарный диск. Сияния на Венере образуются путем соударений электронов солнечного ветра и атмосферы планеты и особенно хорошо видны на ночной стороне атмосферы.
Они также были обнаружены и на Марсе, 14 августа 2004 г., инструментом SPICAM на борту Mars Express. Оно находилось в районе Terra Cimmeria. Общий размер излучающей области составлял около 30 км в поперечнике, и примерно 8 км в высоту. Анализируя карту разломов коры, скомпилированную из данных космического аппарата Mars Global Surveyor, ученые заметили, что области выбросов соответствуют району, где локализовано магнитное поле. Это указывает на то, что обнаруженное световое излучение было потоком электронов, движущихся вдоль силовых линий магнитного поля в верхние слои атмосферы Марса.
Ну и напоследок, наиболее впечатляющий, комбинированный снимок авроры на Сатурне, полученный аппаратом Кассини.
На Земле полярные сияния четко управляются солнечным ветром, потоки которого несутся мимо планеты. Но гигантские полярные сияния Юпитера многократно превосходят по мощности Земные авроры.
Комбинируя наблюдения трех космических кораблей, ученые из Центра RIKEN Nishina показали, что картина за возникновение полярных сияний на Юпитере отвечают более сложные процессы. Так, вулканы на Ио, одном из спутников Юпитера, делают его самом активным вулканическим телом в нашей Солнечной системе. Скорее всего, именно эти вулканы ответственны за формирование ярких утренних полярных сияний на крупнейшем газовом гиганте через взаимодействия с ударной волной, спровоцированной прибытием солнечного ветра.
В исследовании ученым помогали ультрафиолетовый японский спутник Hisaki, космический корабль Juno и космический телескоп имени Хабблa.
Анализ данных показал, энергия от выброса газа спутником Ио была так или иначе передана Юпитеру на скорости 400 - 800 километров в секунду в экваториальной области пространства вокруг Юпитера.
Предыдущие наблюдения, сделанные космическими аппаратами Hisaki и HST, пришло к заключению, что солнечный ветер имел мало общего с полярными сияниями.
Однако новые исследования показали, что солнечный ветер наряду с Ио оказывают большое влияние на возникновение полярных сияний на Юпитере.
Читайте также: