Собственное радиоизлучение планет и комет

4.2. Собственное радиоизлучение планет и комет

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

                                    (4.4)

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:

(4.5)

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

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 < w_p – 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 T_b достигает в некоторых эпизодах 10¹⁷ K. Для объяснения столь высоких величин T_b 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 T_b 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 T_b ~ 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.

Рис. 4.3. Карты нетеплового дециметрового радиоизлучения Юпитера для разных значений долготы центрального меридиана.

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, T_ИК = 120 K, T_b(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 T_b: 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 S_n = 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 T_b = 87 ± 13 и 99 ± 35 K, близкие к равновесным. Однако измерения на l =3.3 мм дали T_b = 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 T_b ~ 112–128 K (при r_opt = 985 км), в то время как равновесная температура по формуле (4.5) T_eq = 165 K. Радиоданные можно примирить с величиной T_eq, 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.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Методы управления и факторы, окидывающие воздействие на персонал.

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⁺.