Зная долю солнечной радиации, поглощаемую планетой, нетрудно оценить, какую температуру должна иметь планета, находящаяся на заданном расстоянии от Солнца. Уран получает от Солнца почти в 400 раз меньшее количество энергии на единицу поверхности, а Нептун - почти в 1000 раз меньшее по сравнению с получаемым Землей. В среднем по всему спектру обе планеты-гиганты отражают не более 30-50% падающего солнечного излучения и, следовательно, поглощают около 50-70% этого излучения. Равновесная температура Урана при этом должна быть около 54-58 К, а Нептуна значительно ниже (из-за большей удаленности от Солнца) - около 43-46 К.
Что же дают измерения теплового излучения этих планет?
Прежде всего отметим, что, измеряя инфракрасное излучение планеты, окруженной мощной атмосферой, в каком-то узком участке спектра, можно получить разные результаты в зависимости от того, насколько прозрачна или непрозрачна атмосфера для излучения в разных длинах волн. Даже сильно нагретый газ не будет излучать в тех участках спектра, где он совершенно прозрачен: наиболее интенсивное тепловое излучение газа будет происходить там, где расположены присущие этому газу полосы поглощения. С другой стороны, чем более непрозрачен газ в атмосфере планеты, тем сильнее он поглощает излучение, идущее из более глубоких слоев. Поэтому в полосах поглощения мы наблюдаем в основном излучение более высоких слоев атмосферы.
Таким образом, измеряя тепловое излучение в разных участках инфракрасного спектра, мы как бы зондируем атмосферу, определяя температуру на разных ее глубинах. Температура же всей планеты, соответствующая полному потоку ее излучения (эту температуру называют эффективной), может быть найдена из измерений лишь в достаточно широкой области спектра, скажем, в диапазоне от 5 до 500 мкм.
Температуру, определяемую по излучению в отдельных длинах волн, называют яркостной температурой: она соответствует температуре абсолютно черного тела, излучающего в данной длине волны такое же количество энергии, как исследуемая планета. Измерений яркостных температур Урана и Нептуна пока сделано очень немного и в небольшом количестве участков спектра, в основном в области от 11 до 20 мкм. Как и следовало ожидать, яркостные температуры в разных длинах волн получаются неодинаковыми, отражая различие в уровнях эффективного формирования теплового излучения в атмосферах планет.
Характерной особенностью Нептуна оказалась повышенная яркостная температура в области полосы поглощения метана 7,7 мкм и вблизи 12,2 мкм, где находится полоса этана. На первый взгляд, в полосах поглощения температура должна бы быть ниже, поскольку она соответствует более высоким и более холодным слоям атмосферы. Но получившееся противоречие не смутило исследователей, уже подготовленных к возможности такого факта результатами наблюдений Юпитера и Сатурна. И у этих планет наблюдалась та же особенность, получившая вполне логичное и естественное объяснение, о котором мы поговорим позже, когда речь пойдет о строении атмосфер.
Сейчас же нам интересно было бы выяснить, каковы наблюдаемые эффективные температуры Урана и Нептуна. Для определения полного потока излучения планеты в широком интервале длин волн наземные наблюдения не годятся. Земная атмосфера не пропускает инфракрасное излучение в целом ряде участков спектра, занятых полосами поглощения водяного пара, кислорода, углекислого газа. Поэтому необходимо выносить аппаратуру за пределы атмосферы или по крайней мере поднимать ее на достаточно большую высоту, чтобы основная масса поглощающих газов земной атмосферы оставалась внизу.
В 1975 г. группа астрофизиков (Г. Фазио, В. Трауб, Ф. Лоу и др.) осуществила такие измерения с помощью 102-сантиметрового телескопа, поднятого на баллоне (аэростате) на высоту 28,7 км. Телескоп был оснащен болометром, принимающим тепловое излучение планеты в диапазоне от 40 до 250 мкм. Эффективная температура Урана оказалась равной 55 + 3 К. В 1977 г. та же группа ученых провела еще один запуск баллонного телескопа, получив данные о тепловом излучении как Урана, так и Нептуна. Было найдено, что эффективная температура Урана равна 58,5 + 2 К, т. е. практически такая же, как при наблюдениях 1975 г. Эффективная температура Нептуна получилась очень близкой --59,7 + 4 К. Независимо другая группа астрономов (Р. Левенштейн, Д. Харпер и X. Мозли), работавшая с 91 - сантиметровым телескопом, установленным на борту самолетной обсерватории, также произвела оценку эффективной температуры Нептуна, правда, в несколько суженном интервале длин волн: от 53 до 179 мкм. Но результат оказался почти таким же - 55,5 + 2,3 К.
Итак, в пределах ошибок измерений эффективные температуры Урана и Нептуна получаются практически одинаковыми (около 56 К). Очевидно, что эта оценка хорошо совпадает с теоретически найденной равновесной температурой Урана. Но для Нептуна измеренная эффективная температура весьма существенно превосходит расчетную. Это означает, что Нептун излучает энергии больше, чем та солнечная энергия, которая поглощается планетой и идет на ее разогрев. Фактически Нептун излучает приблизительно в 2-2,5 раза больше, чем получает от Солнца.
С таким явлением в семействе планет-гигантов астрономы уже давно знакомы: еще в конце 60-х годов выяснилось, что Юпитер и Сатурн также имеют эффективные температуры, превосходящие их расчетные равновесные величины, и тоже излучают примерно вдвое большее количество энергии по сравнению с тем, которое поглощается из приходящего солнечного излучения. На этих планетах, следовательно, должен существовать какой-то источник внутренней тепловой энергии, вызывающий дополнительный разогрев планеты. Наиболее убедительным объяснением для Юпитера и Сатурна сейчас считают разогрев недр этих планет в результате гравитационного сжатия.
Какой механизм действует на Нептуне, пока неясно. Странно то, что Уран, хоть и более массивная планета, чем Нептун, не имеет внутреннего источника тепла, судя по измерениям эффективной температуры, т. е. роль гравитационного сжатия в разогреве недр у планет-гигантов, по-видимому, неодинакова. Возможно, обе планеты оставались бы относительно холодными при прочих равных условиях. Но у Нептуна есть крупный спутник - Тритон, который обращается вокруг планеты в направлении, противоположном ее вращению. При таком движении приливные силы должны создавать серьезные возмущения на Нептуне и могут служить источником дополнительного разогрева недр в результате внутреннего трения и диссипации приливной энергии внутри планеты. Задача эта пока не решена окончательно, очевидно лишь, что Уран и Нептун по своим особенностям отнюдь не являются близнецами. В этом мы еще будем иметь возможность убедиться в дальнейшем.
С глубиной температура в атмосферах Урана и Нептуна растет, о чем свидетельствуют измерения теплового радиоизлучения этих планет. Это радиоизлучение выходит из более глубоких слоев атмосферы, чем инфракрасное тепловое излучение, и в сантиметровом и дециметровом диапазонах яркостные температуры обеих планет получаются значительно выше их эффективной температуры. Уже в субмиллиметровом диапазоне, на длине волны около 750 мкм, яркостная температура Урана составляет, по наблюдениям на обсерваториях Сьерро-Тололо и Мауна-Кеа, 94 + 16 К, а Нептуна - 117 +24 К.
На длине волны 8,2 мм яркостная температура Урана по измерениям, проведенным с помощью 22-метрового радиотелескопа ФИАН СССР (А. Д. Кузьмин, Б. Я. Лосовский), оказалась равной 131 + 15 К. В области длин волн от 1 до 10 см яркостные температуры обеих планет уже достигают 200 К и более. Как видно на рис. 4, с увеличением длины волны радиояркостная температура Урана возрастает. Это означает, что атмосфера планеты становится все более прозрачной для радиоизлучения. Предполагают, что основное поглощение радиоволн в атмосферах Урана и Нептуна в сантиметровом и дециметровом диапазонах создается газообразным аммиаком, который может находиться на тех глубинах, где температура уже достаточно высока, чтобы аммиак не вымерзал.
По оценкам ряда исследователей, атмосфера Урана несколько прозрачнее, чем это можно было бы ожидать, если бы относительное количество аммиака в ней соответствовало характерным для Солнца относительным содержаниям азота и водорода. Другими словами, аммиака в атмосфере Урана меньше, чем следовало бы из данных о космической распространенности химических элементов. Как уже отмечалось, спектральные наблюдения вообще не обнаруживают аммиака на Уране и Нептуне, но это само по себе еще не говорит о его низкой концентрации в тех областях атмосферы, где он уже находится в виде газа, но куда почти не проникает солнечное излучение.
Радионаблюдения, скорее всего, подтверждают присутствие аммиака на Уране, если, конечно, "радиопрозрачность" атмосферы этой планеты не связана с какими-либо другими, пока не отождествленными молекулами более сложных химических соединений. По-видимому, аналогичная ситуация имеет место и на Нептуне, но радионаблюдений Нептуна меньше, чем Урана, и поэтому пока нельзя сделать каких-либо окончательных выводов на основании данных о радиоизлучении этой планеты.
| << Предыдущая глава | Следующая глава >> |
