Наука и технологии России

Вход Регистрация

Российский учёный создал самую точную модель атмосферы Титана

Пока европейско-американская межпланетная станция «Кассини» собирает информацию о спутнике Сатурна Титане, российский учёный из Физтеха Владимир Краснопольский разработал теоретическую модель, с помощью которой можно дистанционно узнать о том, что представляет собой атмосфера Титана. Такой модели, работающей с наименьшими погрешностями, у астрофизиков ещё не было: она рассчитывает вертикальные профили 83 веществ и 33 ионов, используя только два параметра – плотности азота и метана у поверхности. Результаты, полученные по этой модели, хорошо согласуются с данными экспериментов. Работа опубликована в журнале Planetary and Space Science.

Если вдуматься, экспериментальное изучение атмосферы удалённой планеты или её спутника кажется чем-то невероятным. По тусклому, различимому только для специальной техники сигналу человек старается определить пропорции компонентов, скажем, воздушной оболочки Марса. Или же готовит специальные космические программы, как, например, европейско-американская экспедиция «Кассини–Гюйгенс», рассчитанная на регистрацию этих сигналов уже вблизи объекта.

Владимир_Краснопольский
Владимир Краснопольский. Профессор МФТИ и Католического университета Америки (Вашингтон). Здесь и далее – иллюстрации предоставлены Владимиром Краснопольским

Наряду с этим методом, направленным на установление зыбких связей с изучаемым космическим телом, развивается «земной» – моделирование удалённых атмосфер. Он также позволяет создать представление о воздушных оболочках планет и выдвинуть конкретные гипотезы, которым затем можно найти (или не найти) экспериментальное подтверждение.

Данные об удалённых атмосферах могут помочь в понимании многих процессов, происходящих на Земле. «Человек исследует окружающий мир, даже если, на первый взгляд, это не приносит практической пользы, – замечает в интервью STRF.ru Владимир Краснопольский, профессор МФТИ и Католического университета Америки, авторитетнейший астрофизик, на статьи которого ссылаются авторы Nature. – Это позволяет прояснить многие важные для нас закономерности. Например, влияние хлора на атмосферу Венеры было исследовано гораздо раньше нобелевских работ Крутцена, Молины и Роуланда по земной атмосферной химии».

Один из самых любопытных космических источников информации – спутник Сатурна Титан. Он обладает самой большой атмосферой среди всех естественных спутников планет Солнечной системы. По массе она даже превосходит земную, а состоит в основном из азота (95%) и различных углеводородов (4%), что опять же наводит на земные аналогии. Именно такой представляется нам ранняя, ещё не насыщенная кислородом, атмосфера нашей планеты.

Титан
Снимок Титана в натуральных цветах, полученный на «Кассини»

Происходящие на Титане процессы непосредственно изучал зонд «Гюйгенс» из экспедиции, о которой уже говорилось в начале статьи. 15 октября этой миссии исполнилось ровно 15 лет, что стало поводом для очередного подведения итогов. Учёные опять заговорили о том, что на одном из самых загадочных небесных тел, о которых хоть что-то знают земляне, может быть вода в виде льда и другие привычные для нас соединения.

Пока аппараты собирают на спутнике Сатурна информацию, астрофизики на Земле разрабатывают различные модели исследования атмосферы Титана. На сегодняшний день имеется несколько моделей, в том числе и за авторством Владимира Краснопольского. Однако идеальной, которая по результатам полностью совпадала бы с экспериментальными данными и, следовательно, могла бы стать надёжным инструментом изучения атмосферы далёких небесных тел, пока никто не получил. Все работают со значительными погрешностями. Критерием совпадения между экспериментом и моделью служит фактор F, суммирующий относительные отклонения полученных концентраций от экспериментальных данных. Если F=1, это означает полное совпадение эксперимента с моделью. Во всех имеющихся на сегодняшний день моделях атмосферы значение фактора F колеблется около 5.

Модель_атмосферы_титана_График Высотные профили концентраций угарного газа (чёрная линия), углекислого газа (синяя), воды (красная) и формальдегида (зелёная) в атмосфере Титана. Кислород приносится в атмосферу с малыми количествами воды на метеоритах и ничтожными потоками О+ ионов. Тонкие линии – модель без О+; цифрами обозначены результаты измерений

Владимир Краснопольский разработал модель, в которой F=3,16. Предложенная им техника позволяет рассчитать зависимости концентраций от высоты над поверхностью Титана (вплоть до 1600 км) 83 веществ и 33 ионов с помощью всего двух параметров – плотности азота и метана у поверхности спутника Сатурна. Также в модели увеличилось количество изучаемых веществ, а старые, часто разрозненные данные могут служить подложкой, источником информации о приповерхностных концентрациях метана и азота для более точных вычислений.

«Два основных допущения в модели остались прежними: произвольный выбор коэффициента турбулентного перемешивания и предположение, что газы после конденсации на 40–150 км не возвращаются в атмосферу ниже 40 км», – поясняет Владимир Краснопольский.

Особое внимание в модели уделено кислородсодержащим веществам, которые впервые были обнаружены на Титане в 1983 году (угарный газ). Изначально кислород попадает в атмосферу Титана двумя путями – либо вместе с водой в составе метеоритов, либо после появления ионов в результате взаимодействий с магнитосферой Сатурна (сам Титан магнитосферой не обладает). В исследовании Краснопольского были рассмотрены подходы, учитывающие как полностью метеоритный, так и оба способа появления кислорода. Более точным оказался последний. Полученные в модели результаты сравнивались с экспериментальными данными, в основном – результатами измерений межпланетной станции «Кассини» и спущенного на Титан аппарата «Гюйгенс», и показали совпадение, к которому до сих пор никто не мог подобраться.

Новая модель атмосфер Титана хорошо соответствует новейшим экспериментальным данным с миссий «Кассини» и «Гюйгенс» и может помочь развитию аппарата дистанционного определения состава атмосферы космических тел. Кроме того, данные модели полезны и в изучении куда более близкой нам земной атмосферы.

Источник информации:

Vladimir A. Krasnopolsky, Titan photochemical model: Further update, oxygen species, and comparison with Triton and Pluto. Planetary and space science, 2012.

РЕЙТИНГ

4.33
голосов: 9

Галереи

Дом-музей Константина Циолковского в Калуге

Дом, в котором Константин Циолковский с семьёй с 1904 по 1933 год. Практически сразу после его смерти, в 1936 году, здесь был создан дом-музей, где можно вплотную познакомиться с весьма скромным бытом учёного и его родственников. Сейчас это филиал Государственного музея истории космонавтики.

36 фото

Обсуждение