Астрономи на основі даних спостережень наземних і космічних телескопів створили тришарову модель розподілу аерозолів в атмосферах Урану і Нептуна, яка дозволила пояснити різницю в їх кольорі і спостережуваних елементах атмосфер. Виявилося, що блідо-блакитний колір Урана можна пояснити сильно непрозорим шаром серпанку при тиску 1-2 бар, а у Нептуна є тонкий шар димки з частинок метанового льоду, що залягає при тиску 0,2 бар. Темні плями на Нептуні можна пояснити за рахунок затемнення або просвітлення самого нижнього шару аерозолів. Препринт роботи доступний на сайті arXiv.org.
Оновлено:у травні 2022 року стаття була опублікована в журналі.
Уран і Нептун при спостереженнях в оптичному діапазоні хвиль здаються блакитними або блакитно-зеленими, на відміну від більш жовто-червонуватих Юпітера і Сатурна. Подібна колірна гама виникає через схожість атмосфер Урана і Нептуна, які характеризуються аналогічними профілями температури тропосфери і співвідношенням He/H2, а також високим вмістом метану, який поглинає випромінювання в інфрачервоному діапазоні і червоній частині оптичного діапазону. Крім того, у разі крижаних гігантів сильно виражено релєєвське розсіяння в атмосфері з низьким вмістом аерозолів.
Однак колір обох планет все ж відрізняється один від одного, крім того, є відмінності і в спостережуваних деталях атмосфер. Наприклад, хмари метану можуть перебувати на Урані і Нептуні на різних висотах, крім того, в атмосфері Нептуна було помічено кілька темних плям, найбільш відомим з яких є антициклон Велика темна пляма, а на Урані спостерігалася лише одна темна пляма. Також Нептун здається менш яскравим при спостереженнях на довгих довжинах хвиль, а в ультрафіолетовому діапазоні відображає більше світла, ніж Уран.
Моделі атмосфер крижаних гігантів, покликані пояснити дані спостережень, містять, в основному, товстий аерозольний шар при тиску 2-4 бару (імовірно димка фотохімічного походження і, можливо, змішаний з льодом сірководень) і серпанок над нею. Однак у вчених досі немає достовірної інформації про те, з чого складаються аерозолі крижаних гігантів і які їх спектральні властивості, через що існує проблема перевірки поточних моделей на правильність.
Патрік Ірвін (Patrick Irwin) з Оксфордського університету і його колеги опублікували результати аналізу даних спостережень за Ураном і Нептуном наземних телескопів IRTF і «Джеміні», космічного телескопа «Хаббл» і апарату «Вояджер-2», що охоплюють діапазон довжин хвиль 0,3-2,5 мікрометрів і їх порівняння моделювань з моделювань. Метою вчених було отримати єдину модель розподілу аерозолів в атмосферах Урана і Нептуна, яка відповідала б спостереженням.
Підсумкова модель розподілу аерозолів виглядає наступним чином. У глибоких шарах атмосфери (при тиску більше 7 бар) залягає перший шар аерозолів, що складаються з субмікронних частинок туману і льоду на основі сірководню, створених за рахунок фотохімічних процесів. Ці частинки сильно розсіюють світло на довжині хвилі 500 нанометрів, але сильніше поглинають випромінювання як на більш коротких, так і на більш довгих хвилях. Другий тонкий шар аерозолю залягає поблизу рівня конденсації метану (при тиску 1-2 бар) і складається з мікронних частинок димки фотохімічного походження, які володіють меншою відображальною здатністю в оптичному діапазоні хвиль, ніж частинки з першого шару, а також сильніше поглинають випромінювання як на більш коротких, так і більш довгих хвилях. Третій шар аерозолів являє собою вертикально витягнутий серпанок з дрібних частинок, що починається при тиску 1-2 бар і простягається до стратосфери.
Таким чином, фотохімічна димка, що утворюється у верхніх шарах атмосфери обох планет, неухильно змішується з нижніми шарами, де концентрується у вертикально тонкому і статично стійкому шарі поблизу рівня конденсації метану. Метан так швидко конденсується на цих частинках серпанку, що випадає у вигляді снігу біля основи цього шару, опускаючись на більш низькі і теплі рівні, де випаровується, вивільняючи частинки серпанку, що ініціює утворення хмар з крижаних кристалів сірководню.
У разі Нептуна вчені прийшли до висновку, що в модель необхідно додати тонкий шар з мікронних частинок метанового льоду, що залягає при тиску 0,2 бар, щоб пояснити посилене відображення на більш довгих довжинах хвиль. Крім того, спектральні характеристики темних плям можна пояснити за рахунок затемнення або просвітлення самого нижнього шару аерозолів. У разі Урану непрозорість другого шару аерозолів в 2 рази більша, ніж у Нептуна, що пояснює нижчу відбивну здатність Урану в ультрафіолетовому діапазоні і то чому Уран здається людському оку блідо-блакитним.
Раніше ми розповідали про те, як «Чандра» вперше побачила рентгенівське випромінювання Урану і чому основний компонент хмар гіганта пахне тухлими яйцями.