Атмосфера на Плутон

Атмосферата на Плутон — слаб слој на гасови што го опкружуваат Плутон. Се состои главно од азот (N<sub>2</sub>), со мали количини на метан (CH<sub>4</sub> ) и јаглерод моноксид (CO), од кои сите се испаруваат од нивните мразови на површината на Плутон. Содржи слоевита магла, веројатно составена од потешки соединенија кои се формираат од овие гасови поради високоенергетското зрачење. Атмосферата на Плутон е забележлива по нејзините силни и не целосно јасни сезонски промени предизвикани од особеностите на орбиталната и осната ротација на Плутон.
Површинскиот притисок на атмосферата на Плутон, измерен од ''Нови Хоризонти'' во 2015 година, е околу, приближно 1/100.000 од атмосферскиот притисок на Земјата. Температурата на површината е од 40 to 60 K (−230 to −210 °C), но брзо расте со надморска височина поради ефектот на стаклена градина генериран од метан. Во близина на надморска височина од достигнува , а потоа полека се намалува.
Плутон е единствениот заднептунски објект со позната атмосфера. Неговиот најблизок аналог е атмосферата на Тритон, иако во некои аспекти наликува дури и на атмосферата на Марс.
Атмосферата на Плутон е проучувана уште од 1980-тите преку земјено набљудување на прикривањата на ѕвездите од Плутон и спектроскопија. Во 2015 година, била проучувана од блиска далечина од вселенското летало ''Нови Хоризонти''.
1 Состав
Главната компонента на атмосферата на Плутон е азот. Содржината на метан, според мерењата на ''Нови Хоризонти'', е 0,25%. За јаглерод моноксид, проценките засновани на Земјата се (201) и (2015). Под влијание на високоенергетско космичко зрачење, овие гасови реагираат за да формираат посложени соединенија не испарливи на температурите на површината на Плутон), вклучувајќи етан(C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>), етилен C<sub>2</sub>H<sub>4</sub> ), ацетилен C <sub>2</sub>H<sub>2</sub> ), потешки јаглеводороди и нитри и цијановодород (HCN) (количината на етилен е околу 0,0001%, а количината на ацетилен е околу 0,0003%). Овие соединенија полека се таложат на површината. Тие веројатно вклучуваат и толини, кои се одговорни за кафеавата боја на Плутон (како и некои други тела во надворешниот Сончев Систем).
Најиспарливото соединение на атмосферата на Плутон е азот, второто е јаглерод моноксид и третото е метан. Индикаторот за испарливост е притисок на заситена пареа (притисок на сублимација). На температура од (блиску до минималната вредност за површината на Плутон) изнесува околу за азот, за јаглерод моноксид и за метан. Брзо се зголемува со температурата и на (блиску до максималната вредност) се приближува до , и соодветно. За јаглеводороди потешки од метан, вода, амонијак, јаглерод диоксид и цијановодород, овој притисок останува незначително низок (околу или сè уште помал), што укажува на отсуство на испарливост во условите на Плутон (барем во ладна пониска атмосфера).
Метанот и јаглерод моноксидот, поради нивното помало изобилство и нестабилност, може да се очекува да покажат посилни отстапувања од рамнотежата на притисокот со површинските мразови и поголеми временски и просторни варијации на концентрацијата. Но, всушност, концентрацијата на пример, на метан, не зависи значително од висината (барем, во пониските 20–30 km), географска должина или време. Но, температурната зависност на испарливоста на метанот и азот сугерира дека концентрацијата на метан ќе се намали додека Плутон ќе се движи подалеку од Сонцето. Забележливо е дека набљудуваната концентрација на метан е за 2 реда по големина поголема од очекуваното од законот на Раул врз основа на неговата концентрација во површинскиот мраз и односот на сублимациските притисоци на метанот и азот. Причините за ова несовпаѓање се непознати. Тоа може да се должи на постоењето на одделни дамки со релативно чист метан мраз, или поради зголемената содржина на метан во најгорниот слој на вообичаениот мешан мраз.
Сезонските и орбиталните промени на инсолацијата резултираат со миграција на површинските мразови: тие се сублимираат на некои места, а на други се кондензираат. Според некои проценки, тоа предизвикува промени во големината во нивната дебелина. Ова (но и промените во геометријата) резултира со значителни промени во осветленоста и бојата на Плутон.
Метанот и јаглерод моноксидот, и покрај нивното мало изобилство, се значајни за топлинската структура на атмосферата: метанот е силно средство за загревање а јаглерод моноксидот е средство за ладење (иако количината на ова ладење не е целосно јасна).
2 Магла
''Нови Хоризонти'' откриле во атмосферата на Плутон повеќеслојна магла, која ја покрива целата џуџеста планета и достигнува надморска височина над 200 км. Најдобрите слики покажуваат околу 20 слоеви на магла. Хоризонталниот обем на слоевите не е помал од 1000 км. Дебелината на слоевите варира од 1 до >10 км, а вертикалното растојание меѓу нив е околу 10 км. Во северните региони маглата е 2-3 пати погуста отколку во близина на екваторот.
И покрај многу малата густина на атмосферата, маглата е прилично забележлива: таа дури расфрла доволно светлина за да овозможи фотографирање на некои детали од ноќната страна на Плутон. Некаде на маглата се гледаат долги сенки од планините. Неговата нормална оптичка длабочина се проценува како 0,004 или 0,013 (со тоа, го намалува интензитетот на вертикалниот зрак светлина за или ;). Висината на скалата на маглата е ; приближно се совпаѓа со висината на притисокот на скалата во средната атмосфера. На височините од се намалува на 30 км.
Големината на честичките магла е нејасна. Нивната сина боја укажува на полупречник на честички близу 10 nm, но односот на осветленоста при различни фазни агли укажува на полупречник кој надминува 100 nm. Ова може да се објасни со агрегација на мали (десетици nm) честички во поголеми (стотици nm) кластери.
Маглата веројатно се состои од честички на неиспарливи соединенија, кои се синтетизираат од атмосферските гасови под влијание на космичкото високоенергетско зрачење. Слоевите покажуваат присуство на атмосферски бранови (чие присуство е исто така сугерирано од набљудувањата на прикривањата), и такви бранови може да се создадат со ветер што дува над грубата површина на Плутон.
Маглата е најверојатната причина за свиткување во кривата на интензитетот на светлината наспроти времето добиено од ''Нови Хоризонти'' за време на летот низ сенката на Плутон (видете ја сликата десно) – под надморска височина атмосферата ја намалува светлината многу посилна од горе. Слично извиткување било забележано за време на ѕвезденото прикривање во 1988 година. Прво, исто така било толкувано како слабеење на светлината поради магла, но сега се смета дека е главно резултат на силниот инверзен температурен градиент во пониска атмосфера. За време на подоцнежните прикривања (кога атмосферата на Плутон веќе изнесувала ≥2 погуста) оваа кривина била отсутна.
Друг доказ за маглата е добиен во 2002 година поради ново прикривање. Ѕвездената светлина која успеала да стигне до Земјата за време на прикривањето (поради прекршувањето во атмосферата на Плутон), покажала зголемување на интензитетот со брановата должина. Ова било протолкувано како сигурен доказ за расејување на светлината од аеросоли (слично на црвенилото на изгрејсонцето). Сепак, оваа одлика била отсутна за време на подоцнежните затемнувања (вклучувајќи го онаа на 29 јуни 2015 година), и на 14 јули 2015 година, ''Нови Хоризонти'' открил дека маглата е сина.
Во последната серија на слики добиени од Нови Хоризонти, биле забележани голем број потенцијални облаци.
3 Температура и топлинска структура
Плутон нема или речиси нема тропосфера; набљудувањата на ''Нови Хоризонти'' сугерираат само тенок тропосферски граничен слој. Неговата дебелина на местото на мерење изнесувала 4 km, а температурата била 37±3 К. Слојот не е континуиран.
Над него се наоѓа слој со брзо зголемување на температурата со висината, односно стратосферата. Температурниот градиент се проценува на 2,2, или 5,5 степени на км. Тоа е резултат на ефектот на стаклена градина, предизвикан од метанот. Просечната температура на површината е (измерена во 2005 г.), а средната вредност за целата атмосфера е (2008).
На висина од температурата го достигнува својот максимум (; стратопауза), а потоа полека се намалува (околу ; мезосфера). Причините за ова намалување се нејасни; тоа може да биде поврзано со ефектот на ладење на јаглерод моноксид, или цијановодород, или други причини. Над 200 km температурата достигнува приближно и потоа останува константна.
Температурата на горните слоеви на атмосферата не покажува забележителни временски промени. Во 1988, 2002 и 2006 година била приближно константна и еднаква на (со несигурност околу ), и покрај двојното зголемување на притисокот. Зависноста од географската широчина или условите наутро/навечер исто така отсуствува: температурата е иста над секој дел од површината. Тоа е во согласност со теоретските податоци, кои предвидуваат брзо мешање на атмосферата. Но, постојат докази за мали вертикални хетерогености во температурата. Тие се откриваат во остри и кратки сјајни врвови за време на ѕвездените прикривања. Амплитудата на овие хетерогености се проценува дека е на скалата од неколку километри. Тие можат да бидат предизвикани од атмосферски гравитациски бранови или турбуленции, кои можат да бидат поврзани со струење или ветер.
Интеракцијата со атмосферата значително влијае на температурата на површината. Пресметките покажуваат дека атмосферата, и покрај нејзиниот многу низок притисок, може значително да ги намали дневните варијации во температурата. Но, сè уште остануваат температурни варијации од околу – делумно поради ладење на површината поради сублимација на мразот.
4 Притисок
Притисокот на атмосферата на Плутон е многу низок и силно зависи од времето. Набљудувањата на ѕвездените прикривања од страна на Плутон покажуваат дека таа се зголемила околу 3 пати помеѓу 1988 и 2015 година, иако Плутон се оддалечува од Сонцето од 1989 година. Ова веројатно е предизвикано од северниот пол на Плутон кој дошол на сончева светлина во 1987 година, што го интензивирало испарувањето на азот од северната полутопка, додека неговиот јужен пол е сè уште премногу топол за кондензација на азот. Апсолутни вредности на површинскиот притисок е тешко да се добијат од податоците за прикривање, бидејќи овие податоци обично не допираат до најниските слоеви на атмосферата. Значи, површинскиот притисок треба да се екстраполира, а тоа е донекаде нејасно поради висинската зависност од температурата и, следствено, притисокот не е целосно јасен. Мора да се знае и полупречникот на Плутон, но тој бил слабо ограничен пред 2015 година. Значи, прецизни вредности на површинскиот притисок на Плутон било невозможно да се пресметаат во претходните времиња. За некои прикривања од 1988 година, притисокот бил пресметан за референтно ниво од од центарот на Плутон (кој подоцна се покажал дека е 88±4 km од површината).
Кривите на притисок наспроти растојанието од центарот, добиени од прикривањата во 1988 и 2002 година, во комбинација со сега познатиот полупречник на Плутон даваат вредности од околу за 1988 година и за 2002 година. Спектралните податоци обезбедиле вредности во 2008 година и во 2012 година за растојание од центарот (1±4 km од површината). Прикривањето на 4 мај 2013 година дало податоци речиси прецизно за нивото на површината (1190 км од центарот, или 3±4 km од површината): . Прикривање на 29/30 јуни 2015 година, само 2 недели пред средбата на ''Нови Хоризонти'', обезбедила површински притисок од .
Првите директни и сигурни податоци за најдолните слоеви на атмосферата на Плутон биле добиени од ''Нови хоризонти'' на 14 јули 2015 година поради мерењата на радиоприкривање. Површинскиот притисок бил проценет на ( при влезот на леталото зад Плутон и на излезот). Ова е во согласност со податоците за прикривањето од претходните години, иако некои од претходните пресметки врз основа на овие податоци дале околу 2 пати повисоки резултати.
Ѕвезденото прикривање на 17 јули 2019 година покажала дека атмосферскиот притисок на Плутон паднал за околу 30% од максималните вредности во 2015 година, достигнувајќи Pa. 6 јуни 2020 година било измерено дополнително намалување на притисокот до 0,91
5 Сезонски промени
Поради орбиталната ексцентричност, во афелот Плутон добива 2,8 пати помалку топлина отколку во перихелот. Тоа треба да предизвика силни промени во неговата атмосфера, иако деталите за овие процеси не се јасни. Прво, се сметало дека во афел атмосферата мора во голема мера да замрзне и да падне на површината (ова се сугерира со силната температурна зависност од притисокот на сублимација на неговите соединенија), но подетални модели предвидуваат дека Плутон има значителна атмосфера во текот на целата година.
Последниот премин на Плутон низ неговиот перихел бил на 5 септември 1989 година. Од 2015 година, тој се оддалечува од Сонцето и неговото целокупно површинско осветлување се намалува. Сепак, ситуацијата е комплицирана поради неговиот голем осен наклон (122,5°), што резултира со долги поларни денови и ноќи на големи делови од неговата површина. Непосредно пред перихелот, на 16 декември 1987 година, Плутон поминал низ рамноденица, а неговиот северен пол излегол од поларната ноќ, која траела 124 Земјини години.
Податоците, постоечки од 2014 година, им овозможиле на научниците да изградат модел на сезонски промени во атмосферата на Плутон. За време на претходниот афел (1865) значително количество испарливи мразови биле присутни и на северната и на јужната полутопка. Приближно во исто време, се случила рамноденицата и јужната полутопка станала навалена кон Сонцето. Локалните мразови почнале да мигрираат на северната полутопка, а околу 1900 година јужната полутопка станала главно без мраз. По следната рамноденица (1987), јужната полутопка се оддалечила од Сонцето. Сепак, нејзината површина веќе била значително загреана, а нејзината голема топлинска инерција (обезбедена од неиспарливиот воден мраз) во голема мера го забавила ладењето. Затоа гасовите, кои сега интензивно испаруваат од северната полутопка, не можат брзо да се кондензираат на јужната и да продолжат да се акумулираат во атмосферата, зголемувајќи го нејзиниот притисок. Околу , јужната полутопка ќе се олади доволно за да дозволи интензивна кондензација на гасовите, и тие ќе мигрираат таму од северната полутопка, каде што е поларен ден. Тоа ќе трае до рамноденица во близина на афелион (околу 2113 година). Северната полутопка нема целосно да ги изгуби испарливите мразови, а нивното испарување ќе ја снабдува атмосферата дури и кај афелот. Целокупната промена на атмосферскиот притисок кај овој модел е околу 4 пати; минимумот бил постигнат во близина на , а максимумот ќе биде во близина на 2030 година. Целосниот температурен опсег е само неколку степени.
Во јули 2019 година, прикривање на Плутон покажало дека нејзиниот атмосферски притисок, спротивно на очекувањата, паднал за 20% од 2016 година Во 2021 година, астрономите од Југозападниот истражувачки институт го потврдиле резултатот користејќи податоци од прикривање во 2018 година, кои покажале дека светлината се појавува помалку постепено од зад дискот на Плутон, што укажува на разредување на атмосферата.
6 Загуба на молекули
Почетните податоците сугерираат дека атмосферата на Плутон губи молекули на азот во секунда, износ што одговара на губење на површинскиот слој на мраз. Сепак, последователните податоци од ''Нови Хоризонти'' откриле дека оваа бројка е преценета за најмалку четири реда на големина; Атмосферата на Плутон моментално губи само 1× <sup>1023</sup> молекули азот и 5× <sup>1025</sup> молекули метан секоја секунда. Ова претпоставува загуба од неколку сантиметри азотен мраз и неколку десетици метри мраз од метан за време на животот на Сончевиот Систем.
Молекулите со доволно голема брзина, кои бегаат во вселената, се јонизираат од сончевото ултравиолетово зрачење. Како што сончевиот ветер наидува на препреката формирана од јоните, тој се забавува и пренасочува, веројатно формирајќи ударен бран спротиводно од Плутон. Јоните се „собрани“ од сончевиот ветер и се носат во својот тек покрај џуџестата планета за да формираат јонска или плазма-опашка. Инструментот „Сончев ветер околу Плутон“ (SWAP) на вселенското летало ''Нови Хоризонти'' ги направил првите мерења на овој регион на атмосферски јони со ниска енергија веднаш по неговото најблиско приближување на 14 јули 2015 година. Ваквите мерења ќе му овозможат на тимот на SWAP да ја одреди брзината со која Плутон ја губи својата атмосфера и, за возврат, ќе дадат увид во еволуцијата на атмосферата и површината на Плутон.
Црвеникаво-кафеавата капа на северниот пол на Харон, најголемата од месечините на Плутон (Мордор Макула), може да се состои од толини, органски макромолекули произведени од метан, азот и други гасови ослободени од атмосферата на Плутон и пренесени преку околу 19,000 километри растојание до месечината што орбитира. Моделите покажуваат дека Харон може да прими околу 2,5% од гасовите што ги губи Плутон.
7 Историја на проучување
Уште во 1940-тите, Џерард Кајпер барал докази за атмосферата во спектарот на Плутон, но без успех. Во 1970-тите, некои астрономи ја проследиле хипотезата за густа атмосфера, па дури и дека постојат неонски океани: според некои гледишта од тоа време, сите други гасови што ги има во изобилство во Сончевиот Систем или ќе замрзнат или ќе избегаат. Сепак, оваа хипотеза била заснована на многу преценета маса на Плутон. Во тоа време не постоеле податоци за набљудување за нејзината атмосфера и хемиски состав.
Првиот силен, иако индиректен доказ за атмосферата се појавил во 1976 година. Инфрацрвената фотометрија од 4-метарскиот телескоп Никола У. Мајал открил метан мраз на површината на Плутон, кој мора значително да сублимира на плутонските температури.
Постоењето на атмосферата на Плутон ило докажано преку ѕвездено прикривање. Ако ѕвезда е прикриена од тело без атмосфера, нејзината светлина нагло исчезнува, но прикривањата на Плутон покажуваат постепено намалување. Ова главно се должи на атмосферско прекршување (не апсорпција или расејување). Првите такви набљудувања биле направени на 19 август 1985 година од Ноа Брош и Хајм Менделсон во Израел. Но, квалитетот на податоците бил прилично низок поради неповолните услови за набљудување (покрај тоа, деталниот опис бил објавен само 10 години подоцна). На 9 јуни 1988 година, постоењето на атмосферата било убедливо докажано со окултациски набљудувања од осум локации (најдобрите податоци ги добил Воздухопловната опсерваторија Кајпер ). Била измерена висината на скалата на атмосферата, со што било овозможено да се пресмета односот на температурата со средната молекуларна маса. Самите температури и притисок биле невозможно да се пресметаат во тоа време поради отсуството на податоци за хемискиот состав на атмосферата и големата неизвесност во полупречникот и масата на Плутон.
Прашањето за составот било одговорено во 1992 година преку инфрацрвените спектри на Плутон од 3,8-метарскиот инфрацрвен телескоп на Обединетото Кралство. Површината на Плутон се покажала дека е покриена главно со азотен мраз. Бидејќи азотот е, дополнително, поиспарлив од метанот, оваа опсервација подразбира преваленца на азот, исто така, во атмосферата (иако гасовитиот азот не е забележан во спектарот). Понатаму, откриена е мала мешавина на замрзнат јаглерод моноксид. Истата година, набљудувањата од 3,0-метарскиот инфрацрвен телескоп на НАСА го откриле првиот убедлив доказ за гасовитиот метан.
За да се разбере состојбата на атмосферата потребно е да се знае температурата на површината. Најдобрите проценки се изведени од мерењата на топлинската емисија на Плутон. Првите вредности, пресметани во 1987 година од набљудувањата на IRAS, биле околу , а последователните студии сугерираа Во 2005 година, набљудувањата од Submillimeter Array успеле да ги разликуваат емисиите на Плутон и Харон, а просечната температура на површината на Плутон била измерена на. Било околу поладно од очекуваното; разликата може да се должи на ладење од сублимација на азотен мраз,. Понатамошните истражувања откриле дека температурата е силно различна во различни региони: од 40 до
Околу 2000 година, Плутон влегла во полињата богати со ѕвезди на Млечниот Пат, каде што ќе престојува до 2020-тите. Првите ѕвездени прикривања по 1988 година биле на 20 јули и 21 август 2002 година од тимови предводени од Бруно Сикарди од Париската опсерваторија и Џејмс Л. Елиот од МИТ. Атмосферскиот притисок се покажал дека е околу 2 пати поголем отколку во 1988 година. Следното прикривање било забележано на 12 јуни 2006 година со подоцнежните кои се случувале почесто. Обработката на овие податоци покажува дека притисокот продолжува да се зголемува. Прикривање на исклучително светла ѕвезда, околу 10 пати посветла од самото Сонце, била забележана на 29/30 јуни 2015 година. – само 2 недели пред средбата ''на Нови Хоризонти.''
На 14 јули 2015 година, вселенското летало ''Нови Хоризонти'' ги направило првите истражувања на атмосферата на Плутон од блиска далечина, вклучувајќи мерења на радиоприкривање и набљудувања на слабеење на сончевото зрачење за време на летот низ сенката на Плутон. Ги обезбедило првите директни мерења на параметрите на долната атмосфера. Површинскиот притисок се покажал дека е .