Главная - Радиоастрономия - Собственное радиоизлучение планет и комет


Собственное радиоизлучение планет и комет
Наука - Радиоастрономия

Интенсивность теплового радиоизлучения планет отражает температуру их поверхности. Равновесную температуру планеты, определяемую балансом энергии солнечного облучения и энергии, излучаемой планетой, можно оценить так:

В левой части первый множитель – количество солнечной энергии на единицу площади на расстоянии R планеты от Солнца, из этой энергии планета радиусом r перехватывает долю pr2/4pR2; A – альбедо планеты. Предполагается быстрое вращение планеты, когда вся поверхность за время оборота успевает прогреться, и вся полученная энергия чернотельно излучается со всей поверхности изотропно (правая часть уравнения). Подставив константы, получим:

где R выражено в астрономических единицах.

В таблице 3 приведены краткие данные об истории открытия теплового радиоизлучения планет (в том числе двух астероидов – Цереры и Паллады). Результаты по нетепловому радиоизлучению Земли, Юпитера и Сатурна более подробно обсуждаются в тексте.

Таблица 3

Тепловое радиоизлучение планет

Планета

Год

l, см

Tb, K

Меркурий

1962

3.6

320

Венера

1956

3.15

750

Марс

1956

3.15

210

Юпитер

1955

3.15

145

Сатурн

1957

3.5

106 ± 21

Уран

1971

3.7

11.1

189 ± 7

195 ± 30

Нептун

1971

3.7

11.1

190 ± 20

201 ± 40

Плутон

1986

0.12

39–43

Церера

1982

6

2

112 ± 40

128 ± 40

Паллада

1982

6

2

Меркурий. Обнаружена (так же, как и у Луны) фазовая вариация. По величине вариации яркостной температуры определено отношение глубин проникновения электромагнитной и тепловой волны d. Величина d для Меркурия оказалась в 2 раза больше, чем для Луны, что соответствует большему содержанию SiO2 в грунте Меркурия (на Луне больше базальта). Тепловая инерция поверхности велика (с увеличением l инерция уменьшается). Значит, грунт сильно раздроблен; степень раздробленности падает с глубиной.

Венера. Первые измерения радиоизлучения Венеры в 1956 г. дали исключительно высокую яркостную температуру ~750 K. Как было выяснено позже (в том числе прямыми измерениями на поверхности Венеры при помощи спускаемых аппаратов), температура поверхности действительно очень высока. Это вызвано парниковым эффектом в атмосфере Венеры. Атмосфера на 90% состоит из углекислого газа, обладающего высокой непрозрачностью в ИК-диапазоне на 2.3–4.6 мкм, как раз там, где находится спектральный максимум собственного излучения планеты.

Вследствие этого ИК-излучение запирается в приповерхностных слоях атмосферы, что приводит к перегреву планеты. Из-за большой оптической толщи в ИК температура планеты, измеряемая в этом диапазоне, –45°C, в то время как в радиодиапазоне она гораздо выше. На волнах длиннее 20 см начинается завал яркостной температуры Венеры. С чем он связан, пока неясно. Одна из гипотез – поглощение радиоизлучения на более длинных волнах в ионосфере Венеры.

Земля. Магнитосфера Земли и заряженные частицы высоких энергий, захваченные земным магнитным полем – источник мощного нетеплового радиоизлучения. Насчитывается множество видов магнитосферного радиоизлучения. Однако большая часть их генерируется в области выше земной ионосферы на низких частотах w < wp – характерной плазменной частоты ионосферы, обрезающей спектр космического радиоизлучения снизу. Поэтому эти виды излучения могут исследоваться только с космических аппаратов. Наиболее мощное из них – авроральное километровое излучение (АКР). Название связано с тем, что АКР возникает в полярных областях магнитосферы, где часто наблюдается аврора – полярные сияния. Диапазон частот АКР – сотни килогерц (длины волн порядка километров). АКР обязано своим происхождением энергичным частицам солнечных космических лучей. Яркостная температура АКР Tb достигает в некоторых эпизодах 1017 K. Для объяснения столь высоких величин Tb необходимо использование механизма когерентного усиления – циклотронного мазера (§2.4).

Марс. Анализ наблюдений собственного радиоизлучения довольно сложен. Планета вращается быстро (1 оборот за 24 ч 37 мин). К тому же, орбита обладает большим эксцентриситетом. Данные радионаблюдений свидетельствуют, что электропроводность марсианского грунта примерно вдвое выше, чем у лунного, так как много окислов железа (отсюда красноватый цвет планеты). Основу марсианского грунта составляет кремнезем.

Юпитер. Радиоизлучение Юпитера впервые наблюдалось в 1955 г. Берком и Франклином на волне 22 м. Излучение было обнаружено случайно, по неожиданным помехам во время испытаний новой антенной решетки. Как выяснилось в дальнейшем, длинноволновое излучение планеты (на метровых и декаметровых волнах) имеет спорадический характер, плотность потока достигает 106 Ян. После Солнца Юпитер – самый мощный радиоисточник Солнечной системы в этом диапазоне. Юпитер выделяется своим сильным магнитным полем (дипольная составляющая 7 Гс) и мощными радиационными поясами, что и обуславливает наличие сильного радиоизлучения на низких частотах.

Длительность спорадических всплесков Юпитера 0.1–1 с (иногда до 15 с). Всплески происходят в диапазоне частот от 5 до 43 МГц, чаще всего – около 18 МГц. Яркостная температура во время всплесков достигает 1015 K. Всплески сильно поляризованы, особенно по кругу, степень поляризации достигает 100%. Каждый отдельный всплеск узкополосен, Dn~1 МГц. Наблюдается модуляция излучения близким спутником Юпитера Ио, вращающимся внутри магнитосферы: вероятность появления всплеска больше, когда Ио находится вблизи элонгации по отношению к Юпитеру. Монохроматический характер излучения говорит о выделенной частоте, скорее всего гирочастоте. Высокая яркостная температура требует привлечения коллективных эффектов (циклотронный мазер, §2.4).

На миллиметровых и коротких сантиметровых волнах излучение Юпитера – чисто тепловое, хотя и с Tb несколько выше равновесной, что предполагает поток тепла из недр. Начиная с волн ~9 см яркостная температура возрастает – появляется нетепловая составляющая, связанная с синхротронным излучением релятивистских частиц со средней энергией ~30 МэВ в магнитном поле Юпитера. На волне 70 см Tb ~ 5×104 K. Источник излучения не связан с диском планеты, а имеет вид двух протяженных лопастей по обе стороны от планеты (рис. 4.3). Такой вид радиокарты – прямое указание на магнитосферное происхождение излучения.

Уникальное событие в магнитосфере Юпитера имело место 16–22 июля 1994 г., когда произошло столкновение с фрагментами кометы Shoemaker–Levy 9. Выпадение фрагментов кометы на Юпитер вызвало возмущение в радиационных поясах планеты. В течение 4–7 суток наблюдалось повышенное на 20–30% синхротронное излучение на дециметровых волнах. Картографирование на VLA (l = 20 и 90 см) показало значительную асимметрию в направлении восток–запад по сравнению с картиной, изображенной на рис. 4.3. В то же время на более длинных, декаметровых волнах (n = 7–34 МГц) последствия столкновения зарегистрировать не удалось.

Сатурн. Тепловое радиоизлучение Сатурна аналогично излучению Юпитера на сантиметровых волнах. Равновесная температура планеты, согласно (4.5), 80 K, TИК = 120 K, Tb(3.5 см) = 106 K. Вероятно, имеется поток тепла из недр планеты. На волнах длиннее 9 см появляется нетепловая составляющая, но гораздо меньшая, чем у Юпитера. Мощных спорадических всплесков у Сатурна не обнаружено.

Уран. Излучение, обнаруженное в 1971 г., имело температуру около 190 K. В 1978 г. наблюдались гораздо более высокие значения Tb: на 2.8 см – 228±2 K, на 4.8 см – 243±9 K, на 6 см – 245±12 K. Повышение температуры, возможно, было связано с тем, что Уран вращается вокруг оси, наклоненной к плоскости орбиты почти на 90°. Около 1978 г. полюс планеты был как раз обращен к Земле. Отсюда следует, что приполярные области планеты более нагреты, чем экваториальные, либо вблизи полюса мы можем заглянуть в более глубокие слои атмосферы. После 1978 г. начался спад яркостной температуры Урана.

Нептун. Радиоизлучение чисто тепловое, яркостная температура выше равновесной; излучение, вероятно, исходит из более нагретых подповерхностных слоев.

Плутон. Радиоизлучение Плутона было зарегистрировано только в 1986 г. Планета наблюдалась на 30-метровом радиотелескопе Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM) в Испании на n = 250 ГГц. Расстояние до Земли было 28.78 а.е. Поток Sn = 15.5±0.5 мЯн. Равновесная температура планеты 39–43 K. Она согласуется с наблюдаемым потоком, если принять радиус Плутона равным 1244 км (правда, в этих наблюдениях Плутон и его спутник Харон не разделялись) [Altenhoff W. et al., A Ap, 1988, 190, L15].

Спутники планет. Найдено радиоизлучение от наиболее крупных спутников Юпитера – галилеевых и от спутника Сатурна Титан. Среди галилеевых спутников наиболее интересный результат получен на радиотелескопе РАТАН-600 для Ио: на l = 2 и 3.9 см измерены яркостные температуры заметно выше равновесных, 190 и 600 K соответственно. Следовательно, спутник сильно нагрет, а его спектр отличается от рэлей–джинсовского. По данным космических аппаратов Вояджер , недра спутника Ио, который обращается на близкой орбите и не имеет синхронного вращения, находятся в расплавленном состоянии из-за диссипации вращательной энергии при его приливном взаимодействии с Юпитером. Расплавление недр подтверждается наличием натриевых вулканов на поверхности Ио. Титан наблюдался на VLA (l = 6 и 3.8 см), получены значения Tb = 87 ± 13 и 99 ± 35 K, близкие к равновесным. Однако измерения на l =3.3 мм дали Tb = 220 ± 40 K; возможно, эта величина относится к более глубоким и нагретым слоям атмосферы Титана.

Астероиды. На конец 1997 г. было внесено в каталоги 6678 астероидов. Радиоизлучение наблюдалось от многих наиболее крупных и близких к Земле астероидов. Высокоточные измерения их координат обнаружили невязки до 0.8² с существующими эфемеридами. Возможно, это связано с неточной взаимной привязкой систем оптических координат (каталоги FK4, FK5) и радиокоординат (основанной на удаленных внегалактических радиоисточниках). Радионаблюдения некоторых астероидов привели к пересмотру их физических параметров, найденных из оптических измерений. Так, уже первые наблюдения Цереры на l = 6 и 2 см дали величину Tb ~ 112–128 K (при ropt = 985 км), в то время как равновесная температура по формуле (4.5) Teq = 165 K. Радиоданные можно примирить с величиной Teq, если принять, что диаметр Цереры 818 км.

Кометы. Основой кометы является кометное ядро – глыба льда с включением твердых частиц. Большинство комет движется по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. У известных периодических комет периоды обращения вокруг Солнца – от нескольких лет до нескольких тысяч лет. Наблюдаются и апериодические кометы с параболическими или гиперболическими орбитами. Когда комета приближается к перигелию, начинается интенсивное испарение вещества ядра с выбросом молекулярного газа и пылевых частиц. Вокруг ядра появляется голова кометы, или кома. Под давлением солнечного излучения пылевые частицы и газ ускоряются в направлении, противоположном Солнцу. Образуется один или несколько хвостов кометы, которые тянутся иногда на миллионы километров. Хвосты наблюдаются в оптическом диапазоне за счет рассеяния солнечного света на пылевой составляющей и флуоресценции в спектральных линиях молекул. Молекулярный состав сложен и меняется с изменением расстояния от Солнца. В оптических спектрах комы найдены полосы молекул CN, C2, OH, NH, CH; в хвостах наблюдаются молекулярные ионы CO+, N2+, CO2+. Радионаблюдения комет в непрерывном спектре (а также радиолокация комет) дают информацию в первую очередь о внутренней коме, в то время как спектральные наблюдения молекулярных радиолиний – о внешней коме и о хвостах комет. Радиоконтинуум был зарегистрирован лишь от немногих, наиболее близких к Земле комет, радиолинии обнаруживаются гораздо чаще.

Радиоизлучение в континууме впервые наблюдалось от кометы Kohoutek 1973f в декабре 1973 г. на волне 1.4 мм и в январе 1974 г. на волне 3.71 см. Излучение исходило от околоядерного облака ледяных частиц, диаметр облака ~850 км, яркостная температура на l = 3.71 см 313 ± 80 K. Плотность радиопотока быстро падала с увеличением расстояния от Солнца, указывая на уменьшение скорости производства пыли ядром.

Близко к Земле проходила комета IRAS–Araki–Alcock 1983d. У нее в континууме на 1.3 см наблюдался точечный источник 9 мЯн. Особенности радиоизлучения гало этой кометы трудно объяснить наличием только частиц миллиметровых размеров. Приходится предположить наличие в радиусе около 100 км вокруг ядра глыб размером до 1 м.

Много внимания было уделено комете P/Halley (период 76 лет), которая в очередной раз проходила через перигелий в 1986 г. Впервые континуум от нее был зарегистрирован на 22 и 43 ГГц; данные согласуются с излучением гало диаметром 1000 км с температурой частиц 300 K. Дальнейшие наблюдения в миллиметровом диапазоне подтвердили этот вывод. Интересный результат был получен при наблюдениях на километровых волнах с космических аппаратов. Километровое излучение кометы P/Halley может возникать при взаимодействии кометной плазмы с солнечным ветром на расстояниях до 2·106 км от ядра кометы.

Из наиболее выдающихся комет последних лет следует назвать кометы Hale–Bopp C/1995 O1 и Hyakutake C/1996 B2 (самая яркая и близкая комета за последние 400 лет), которые наблюдались в диапазоне 30–860 ГГц вблизи прохождения через перигелий. Размер ядра Hale–Bopp оценен в 44.2 км, в то время как ядро кометы Hyakutake меньше 2.1 км. Спектральные индексы у обеих комет составляют 2.8, то есть больше рэлей–джинсовского значения. Это служит указанием на присутствие частиц размеров порядка длины волны для широкого диапазона частот.

Радиоизлучение от комет в спектральных линиях молекул (см. §5.5) было найдено в основном от комы и хвостов. Чаще всего обнаруживается излучение в линиях OH и HCN. Сведения о молекулярных линиях в кометах дают уникальную информацию о движениях и химических процессах в кометном газе. Первое наблюдение радиолиний относится к комете Kohoutek 1973f, в которой были найдены в излучении линии L-удвоения молекул CH (l=9 см) и OH (l=18 см) и вращательная линия HCN J=1–0 (l=3.4 мм). Наблюдения дали оценку скорости производства соответствующих молекул кометным ядром (1028–1030 с–1). При этом протяженность хвоста, содержащего молекулы OH, достигает нескольких сот тысяч километров. У кометы West 1975n также наблюдались линии OH 1665 и 1667 МГц, вначале в эмиссии, затем линия 1665 МГц перешла в поглощение. Была разработана модель, в котором излучение в линиях 1665 и 1667 МГц возникает при переходах молекул OH под действием УФ-излучения Солнца с l~3080 Å в первое возбужденное электронное состояние и последующим радиационным переходом в основное состояние. При этом создается инверсия населенностей уровней L дублета OH 18 см и слабый мазерный эффект (§2.8, 5.5 и 5.6). С изменением гелиоцентрического расстояния кометы и ее скорости относительно Солнца условия резонансного возбуждения молекул OH изменяются. В случае кометы West 1975n это привело к тому, что линия 1665 МГц перешла из эмиссии в поглощение. В комете d’Arrest соотношение между линиями 1667 и 1665 МГц оказалось обратным. В комете Bradfield 1978c обе линии менялись синхронно.

У единственной кометы Bradfield 1974b был найден в эмиссии вращательный переход 616–523 H2O, которому соответствует длина волны l = 1.35 см. Слабая линия H2O, возможно, наблюдалась также в комете IRAS–Araki–Alcock 1983d. У источников в областях звездообразования этот переход наблюдается только с мазерным эффектом (§5.6).

Многочисленные данные по радиолиниям молекул получены для кометы P/Halley. Наблюдалось излучение HCN J=1–0. Скорость производства HCN хорошо коррелирует с видимой яркостью кометы, то есть соответствует скорости производства газа и пыли ядром кометы. При этом содержание HCN относительно мало, всего лишь ~0.1% от содержания H2O, найденного по оптическим спектрам. Линия в основном имеет доплеровское смещение по направлению к наблюдателю, что объясняется выбросом газа со стороны ядра, обращенной к Солнцу. Аналогичный результат получен по линиям OH. Излучение OH испытывало медленные вариации, на которые накладывались короткие (~ нескольких суток) вспышки, связанные с возбуждением мазерного эффекта. При прохождении головы кометы на фоне галактических радиоисточников в линии OH 1667 МГц наблюдалось сильное поглощение. Из других молекул, найденных в P/Halley, отметим линию 111–110 формальдегида H2CO на длине волны l = 6 см.

В радиолиниях подробно исследовались уже упомянутые кометы Hale–Bopp C/1995 O1 и Hyakutake C/1996 B2. Комета Hale–Bopp была картографирована на интерферометре Plateau de Bure с угловым разрешением 1.5²–3.5² в линиях молекул HCN, HNC, CO, H2CO, CH3OH, H2S, CS и SO. В линии J=2–1 CO обнаружены колебания лучевой скорости с периодом вращения кометного ядра (11.4 ч). Они интерпретируются как вращающиеся газовые струи, исходящие из ядра. В комете Hyakutake впервые найдена линия аммиака NH3. Обе кометы были также картографированы в линии молекулярного иона HCO+.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Планеты соседи:

Фотосфера

News image

Видимая поверхность Солнца. Достигая толщины около 0,001 RD (200-300 км), пл...

Нептун. Общие сведения

News image

Нептун - восьмая по счету планета Солнечной системы. Средняя удаленность Не...

Строение Солнца

News image

ЯДРО - где температура в центре равна 27 м...

Меркурий

News image

Меркурий - самая близкая к Солнцу планета. Среднее расстояние от Ме...

В космосе...

Мой взгляд на космические журналы. Космонавт У Цзе о «Н

News image

Уже достаточно давно у меня сформировалось определенное отношение к космическим журналам. В 1997 г. я приехал учиться в российский Центр по...

Новая гипотеза образования воды на Луне

News image

Американский ученый предложил новую гипотезу образования воды на Луне, которая предполагает, что в недрах спутника содержатся значительные запасы воды. Сразу тр...

Марсоход Спирит застрял окончательно

News image

Американское космическое агентство (NASA) решило отказаться от дальнейших попыток вызволить марсоход Спирит (Spirit), застрявший в песке Красной планеты в ...

Следы недавних вулканических извержений на Меркурии

News image

Астрономы обнаружили очередные доказательства недавнего вулканического прошлого Меркурия. Свои результаты они представили на съезде Американского геологического общества в Портленде, а кр...

Авторизация



Новости космонавтики:

Купить игровую мышь: рекомендации экспер

News image

Регулярная работа за ноутбуком имеет кучу своих плюсов. Однако существуют и недостатки, так как, например, транспортировка его держа в руках – далеко не всегда хорошая ...

Шпунт л 5 (технические характеристики, Г

News image

Фактически за все время своего существования человек что-то строил. С каждым днем разрабатываются новые технологии строительства зданий и конструкций самых различных масштабов.  Работа экспертов на ...

Выбрать и купить шарико винтовую пару ил

News image

Практически каждый директор предприятия обязательно должен иметь на вооружении мелкий или крупный набор деталей для производственных машин. Это могут быть как детали или механизмы для ...

Как выполняется демонтаж металлоконструк

News image

Демонтаж металлоконструкций – так называется процесс по резке, разборке либо распилу металла на части, в будущем его используют повторно, либо отправляют в специальный пункт приема ...