Уран – чудак среди планет Солнечной системы. В то время как ось вращения большинства планет перпендикулярна плоскости их орбиты, угол наклона Урана составляет 98 градусов. Он перевернулся на бок, вероятно, в результате древнего столкновения. Она также имеет ретроградную орбиту, противоположную другим планетам.
Ледяной гигант также имеет необычные отношения с Солнцем, которые отличают его от других планет.
Уникальность Урана распространяется и на его верхние слои атмосферы, называемые термосферой-короной. Температура в этом регионе превышает 500 градусов по Цельсию, и ответственные за это источники тепла озадачили астрономов. Корона простирается на высоту до 50 000 км над поверхностью, что также отличает ее от других планет. Что еще более странно, его температура падает.
Когда «Вояджер-2» пролетел мимо Урана в 1986 году, он измерил температуру термосферы. За прошедшие десятилетия телескопы постоянно измеряли температуру Урана. Все эти измерения показывают, что верхняя атмосфера планеты охлаждается, а температура снизилась вдвое. Ни на одной другой планете не произошло подобных изменений.
Ученые знают, что термосфера Урана представляет собой тонкий слой. Он имеет встроенную ионосферу и помогает астрономам измерять температуру термосферы. Это слой ионов, который отделяет нижние слои атмосферы от магнитосферы планеты. ЧАС3+ ионы в ионосфере быстро достигают теплового равновесия с окружающими нейтралами. Ионы излучают фотоны в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК), что позволяет астрономам контролировать температуру термосферы с помощью наземных телескопов, поскольку некоторые длины волн БИК проходят через атмосферу Земли. Вот откуда они знают, что верхняя атмосфера остывает, тогда как наблюдения за нижней атмосферой не показывают охлаждения.
Похолодание вызывает недоумение, и сезонные эффекты были исключены как причина падения температуры. То же самое произошло и с 11-летним солнечным циклом Солнца, в ходе которого меняется уровень энергии Солнца.
Новое исследование, опубликованное в журнале Geophysical Review Letters, дает объяснение температурному сдвигу. Оно озаглавлено «Энергия солнечного ветра, вероятно, управляет температурой термосферы Урана». Ведущий автор — доктор Адам Мастерс с факультета физики Имперского колледжа.
По мнению Мастерса и его коллег, за охлаждение Урана ответственен солнечный ветер. Солнечный ветер — это поток заряженных частиц, исходящий из самого внешнего слоя Солнца — короны. Это плазма, состоящая в основном из электронов и протонов, а также содержит атомные ядра и тяжелые ионы.
«Этот, очевидно, очень сильный контроль над верхней атмосферой Урана со стороны солнечного ветра не похож на то, что мы видели на любой другой планете нашей Солнечной системы», — сказал Адамс.
Хотя солнечный ветер не прекращается, его свойства постепенно меняются в течение времени, которое соответствует изменениям в верхних слоях атмосферы Урана. Примерно с 1990 года среднее внешнее давление солнечного ветра медленно, но значительно падало. Падение не коррелирует с известным 11-летним циклом Солнца, но оно тесно коррелирует с изменением температуры Урана.
Это позволило исследователям предположить, что, в отличие от Земли, температура Урана не контролируется фотонами.
Хорошо известный факт, что фотоны Солнца нагревают Землю. Это основа жизни. Хотя магнитосфера нашей планеты в значительной степени защищает Землю от солнечного ветра, фотоны не останавливаются.
Уран находится гораздо дальше от Солнца, чем Земля, почти на 3 миллиарда км, тогда как Земля находится всего в 228 миллионах км от Солнца. Количество фотонов, достигающих Урана, недостаточно, чтобы нагреть планету. Вместо этого уменьшение солнечного ветра позволяет магнитосфере Урана расширяться.
Поскольку магнитосфера защищает Уран от солнечного ветра, ее расширение затрудняет достижение солнечного ветра до планеты. Энергия течет через пространство вокруг планеты, в конечном итоге достигая термосферы и контролируя ее температуру.
«Снижение кинетической мощности солнечного ветра или почти идентичная общая мощность солнечного ветра должно означать ослабление нагрева термосферы Урана, что приводит к наблюдаемому долгосрочному снижению температуры», — объясняют авторы в своей статье.
Это означает, что на близких планетах, таких как Земля, звездный свет контролирует температуру термосферы, а на более удаленных планетах берет верх солнечный ветер.
Это открытие может повлиять на предлагаемую будущую миссию на Уран. Десятилетний обзор планетарной науки и астробиологии 2023-2032 годов определил миссию на Уран в качестве главного приоритета, хотя до сих пор ни одна из них не была одобрена. Концепция миссии называется Uranus Orbiter and Probe (UOP), и одной из ее основных целей является изучение атмосферы ледяного гиганта.
Миссия должна была раскрыть тайну охлаждения Урана, но ученые изо всех сил пытались ее понять. Эти результаты означают, что цели миссии могут быть обновлены, и возникает вопрос, как энергия солнечного ветра попадает в необычную магнитосферу Урана.
Это исследование не только отвечает на загадочный вопрос об Уране, но также распространяется на экзопланеты. Если такое охлаждение солнечным ветром может произойти здесь, оно может произойти и в другом месте.
«За пределами Солнечной системы это объяснение охлаждения термосферы Урана подразумевает, что экзопланеты-компаньоны, на которых расположены звезды без сильного локального движения (как у Юпитера) и с достаточно большими магнитосферами, будут подвергаться преимущественно электродинамическому взаимодействию со своей родительской звездой», — пишут авторы. Для этих экзопланет тепловую эволюцию верхних слоев атмосферы будет сильно определять звездный ветер, а не звездное излучение. Звездный ветер также может вызывать определенные типы полярных сияний.
«Это сильное взаимодействие звезды и планеты на Уране может иметь значение для установления того, генерируют ли разные экзопланеты сильные магнитные поля в своих недрах – важный фактор в поиске обитаемых миров за пределами нашей Солнечной системы», – заключил Адамс.
