То, как астрономы изучают планеты в нашей Солнечной системе, удивительно похоже на то, как они изучают экзопланеты, несмотря на то, что последние находятся на несколько порядков дальше. Ключом к успеху является спектроскопия – изучение длин волн света, которые достигают телескопа из атмосферы планеты. Разные молекулы пропускают волны разной длины, создавая уникальные узоры в спектре и давая ученым подсказку о составе атмосферы.
Конечно, о близлежащих планетах мы можем получить более подробную информацию, посетив их – но это дорого и сложно – мы не посещали Уран, например, со времен «Вояджера-2» в 1986 году, так что, по сути, изучение Урана сегодня завершено. так же, как изучение экзопланеты: с помощью телескопа.
Недавний обзор планетарных атмосфер в нашей Солнечной системе и в других местах раскрывает невероятную сложность и разнообразие погоды в нашей Солнечной системе, а также то, что мы можем ожидать найти вокруг других звезд, а также то, чего мы еще не понимаем в нашей ближайшей звезде. соседи: много неизвестного.
Итак, давайте совершим экскурсию по Солнечной системе с помощью метеоролога:
Мы пропускаем Меркурий – там не так уж много атмосферы, о которой можно было бы говорить, когда вы находитесь так близко к Солнцу.
Но у Венеры есть атмосфера, и она не так уж и проста. Сокрушительный суп из парниковых газов на Венере, по-видимому, имеет переменный уровень диоксида серы. Планетологи предполагают, но пока не могут доказать, что это результат активного вулканизма на поверхности. Венера также недавно дразнила астрономическое сообщество перспективой открытия указывающей на жизнь молекулы фосфина – результат сейчас под вопросом, но все еще не решен. В более широком смысле астрономы узнали, что атмосфера планеты неоднородна. Он имеет уникальные слои на разных высотах: одни из них состоят из толстых облаков, другие — более туманных и изменчивых. В одном из более плотных слоев есть загадочная особенность, которая поглощает синий ультрафиолетовый свет, вызывая сильный нагрев. Астрономам хотелось бы поближе взглянуть на то, что вызывает это поглощение: на данный момент это загадка.
Двигаясь дальше, мы приходим к Марсу, который, помимо Земли, имеет наиболее хорошо изученные погодные условия в Солнечной системе. Его атмосфера представляет собой тонкую завесу из углекислого газа, которая иногда образует тонкие облака на водной основе. Иногда туман может образовываться во время марсианской зимы или на рассвете и в сумерках и даже оседать в виде земного инея. Но Марс не всегда спокоен. Здесь регулярно происходят масштабные пылевые бури, охватывающие всю планету, подобные той, которая убила марсоход НАСА «Оппортьюнити» в 2018 году. Также, по-видимому, существуют сезонные колебания содержания перекиси водорода и метана в атмосфере, намекающие на возможность существования микроскопической жизни.
Следующим идет Юпитер, и его красочные полосы раскрывают бурную природу его атмосферы. Светлые полосы появляются там, где газ поднимается снизу, а более темные области показывают опускающийся воздух. Гигантские штормы, подобные Большому Красному Пятну, поднимают обширные территории, а в других местах аммиачная дымка конденсируется в слякоть и град, засасывая эти молекулы глубоко в недра атмосферы.
На Сатурне тоже случаются гигантские бури (так называемые большие белые пятна), хотя они, похоже, формируются только в северном полушарии. Астрономы задаются вопросом, могут ли они в долгосрочной перспективе образоваться и на юге. Мягкий, однородный цвет Сатурна (по сравнению с Юпитером) во многом объясняется тем, что атмосфера Сатурна «выше» и менее компактна, создавая туманный слой по всей поверхности и скрывая внутреннюю сложность.
Нам также необходимо остановиться на спутнике Сатурна Титане, чья богатая азотом атмосфера имитирует Землю. Здесь формируются облака конденсированного метана, которые выпадают обратно на поверхность и собираются в мелких озерах. Астрономы хотели бы узнать больше о погодных циклах Титана, включая вполне реальную возможность гроз.
Наконец, Уран и Нептун имеют атмосферу из водорода и гелия, но они не идентичны. Нептун излучает тепло, в то время как Уран находится в равновесии: похоже, он исчерпал всю внутреннюю энергию и практически не имеет конвективной активности. Однако в обоих случаях наблюдаются сезонные изменения, и долгосрочные исследования помогут понять эти различия.
Так какое же это имеет отношение к экзопланетам?
Наши с трудом заработанные знания о планетах Солнечной системы позволяют нам точно моделировать погодные условия и динамику жидкости – и, что немаловажно, видеть, где наши модели неадекватны. Юпитер, например, имеет более сложные характеристики, чем первоначально предсказывали погодные модели. Модели не учитывали смешивание химических компонентов – важный урок, который следует усвоить, прежде чем применять простые модели погоды к более отдаленным мирам.
Экзогазовые гиганты должны вести себя как Юпитер и Сатурн, с большим количеством водорода и гелия, а также тяжелых металлов внутри. Но есть дополнительные соображения в отношении так называемых «горячих юпитеров», которые вращаются по орбите ближе к своим звездам и, таким образом, ведут себя по-другому в отношении своих тепловых условий. К счастью, Горячие Юпитеры являются одними из экзопланет, о которых легче всего получить хорошие данные, и в сочетании с тем, что мы знаем о нашем собственном Юпитере, они уже стали достаточно хорошо изучены.
В настоящее время растущий интерес вызывает поведение «супер-Земли» и «мини-Нептунов», типа планет среднего размера, не встречающихся в нашей Солнечной системе. Есть ли у этих планет атмосфера? Если да, то сможем ли мы узнать их состав?
Частью проблемы в понимании планет такого размера является возможное присутствие аэрозолей, которые создают туманные слои, мало чем отличающиеся от слоев на Венере, которые скрывают данные о химическом составе. Аэрозоли затрудняют спектроскопию, поэтому характеристика погодных условий на этих планетах может оказаться сложной задачей. Вот почему понимание Венеры так важно, и космические агентства сделали ее посещение приоритетом на ближайшие годы.
Ледяные гиганты нашей солнечной системы — это вопиющее упущение в нашей способности изучать планеты вблизи, по крайней мере, с 1980-х годов. Поэтому мы знаем очень мало о внешних планетах, условно говоря, и авторы недавнего обзора утверждают, что миссии к внешним планетам должны стать приоритетом в ближайшие годы – не только для того, чтобы понять Уран и Нептун, но и для того, чтобы мы могли понять и своих коллег на экзопланетах.
Последний вывод обзора касается меняющихся отношений между учеными-планетологами и специалистами по экзопланетам. На данный момент изучение Солнечной системы формирует наши ожидания относительно экзопланет.
Но по мере того, как мы собираем больше данных об экзопланетах, поток знаний, вероятно, обратится вспять. Большая популяция экзопланет, которую предстоит изучить, расскажет нам больше о месте планет нашей Солнечной системы в более широком галактическом населении.
В результате сотрудничество между исследователями Солнечной системы и экзопланет станет намного интереснее.
Прочтите обзор:
Агустин Санчес-Лавега, Патрик Ирвин, Антонио Гарсия Муньос, «Динамика и облака в планетарных атмосферах по данным телескопических наблюдений». Препринт ArXiv.
