Уран — странность среди планет Солнечной системы. В то время как ось вращения большинства планет перпендикулярна плоскости их орбиты, у Урана экстремальный угол наклона в 98 градусов. Он перевернулся на бок, вероятно, из-за древнего столкновения. У него также ретроградная орбита, противоположная другим планетам. У ледяного гиганта также необычные отношения с Солнцем, что отличает его от других планет.
Уникальность Урана распространяется на его верхнюю атмосферу, называемую термосферой-короной. Температура этой области превышает 500 градусов по Цельсию, а ответственные за это источники тепла озадачили астрономов. Корона простирается на 50 000 км над поверхностью, что также отличает ее от других планет. Еще более странно, что ее температура падает.
Когда Voyager 2 пролетал мимо Урана в 1986 году, он измерил температуру термосферы. В последующие десятилетия телескопы непрерывно измеряли температуру Урана. Все эти измерения показывают, что верхняя атмосфера планеты охлаждается и температура упала вдвое. Ни одна из других планет не испытала таких же изменений.
Ученые знают, что термосфера Урана — это разреженный слой. Он имеет встроенную ионосферу, и она помогает астрономам измерять температуру термосферы. Это слой ионов, который отделяет нижнюю атмосферу от магнитосферы планеты. Ионы H 3+ в ионосфере быстро достигают теплового равновесия с окружающими нейтралами. Ионы испускают фотоны в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК), которые позволяют астрономам контролировать температуру термосферы с помощью наземных телескопов, поскольку некоторые длины волн БИК проходят через атмосферу Земли. Вот откуда они знают, что верхняя атмосфера охлаждается, в то время как наблюдения за нижней атмосферой не показывают охлаждения.
Охлаждение озадачивает, и сезонные эффекты были исключены как причина падения температуры. То же самое было и с 11-летним солнечным циклом, который показывает изменение уровня энергии Солнца.
Новое исследование, опубликованное в Geophysical Review Letters, объясняет температурный сдвиг. Ведущий автор —Адам Мастерс из Имперского колледжа.
По словам Мастерса и его коллег, солнечный ветер ответственен за охлаждение Урана. Солнечный ветер — это поток заряженных частиц, который исходит из внешнего слоя Солнца, короны. Это плазма, состоящая в основном из электронов и протонов, а также содержащая атомные ядра и тяжелые ионы.
«Этот, по-видимому, очень сильный контроль солнечного ветра над верхними слоями атмосферы Урана не похож на то, что мы видели на любой другой планете в нашей Солнечной системе», — сказал Адамс.
В то время как солнечный ветер не прекращается, его свойства постепенно меняются в течение времени, соответствующего изменениям в верхней атмосфере Урана. Примерно с 1990 года среднее внешнее давление солнечного ветра медленно, но существенно падает. Падение не коррелирует с известным 11-летним циклом Солнца, но оно тесно коррелирует с изменением температуры Урана.
Это навело исследователей на мысль, что, в отличие от Земли, температура Урана не контролируется фотонами.
Общеизвестный 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 в 3 млрд км, в то время как Земля находится всего в 228 млн км от Солнца. Количество фотонов, достигающих Урана, недостаточно для нагрева планеты. Вместо этого уменьшающийся солнечный ветер позволяет магнитосфере Урана расширяться.
Поскольку магнитосфера защищает Уран от солнечного ветра, ее расширение затрудняет достижение планеты солнечным ветром. Энергия течет через пространство вокруг планеты, в конечном итоге достигая термосферы и контролируя ее температуру.
«Снижение кинетической мощности солнечного ветра или почти идентичная полная мощность солнечного ветра должны означать ослабление нагрева термосферы Урана, что приведет к наблюдаемому долгосрочному снижению температуры», — объясняют авторы в своей статье.
Это означает, что для близких планет, таких как Земля, звездный свет контролирует температуру термосферы, в то время как для более удаленных планет основную роль играет солнечный ветер.
Это открытие может повлиять на предлагаемую будущую миссию к Урану. Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023-2032 определил миссию к Урану как главный приоритет, хотя до сих пор ни одна из них не была одобрена. Концепция миссии называется Uranus Orbiter and Probe (UOP), и одной из ее главных целей является изучение атмосферы ледяного гиганта.
Миссия должна была раскрыть тайну охлаждения Урана, но ученые с трудом ее поняли. Эти открытия 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 загадку Урана, но и распространяется на экзопланеты. Если это солнечно-ветровое охлаждение может произойти здесь, оно может произойти и в другом месте.
«За пределами Солнечной системы это объяснение охлаждения термосферы Урана подразумевает, что экзопланеты-компаньоны, которые содержат звезды без сильного локального движения (как у Юпитера) и с достаточно большими магнитосферами, будут претерпевать преимущественно электродинамическое взаимодействие со своей родительской звездой», — пишут авторы. Для этих экзопланет звездный ветер будет в значительной степени определять тепловую эволюцию верхней атмосферы, 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 выяснения того, генерируют ли различные экзопланеты сильные магнитные поля в своих недрах — важный фактор в поиске пригодных для жизни миров за пределами нашей Солнечной системы», — заключил Адамс.
