13.4.2. Полярные сияния
Концентрация заряженных частиц во внутренних областях радиационных поясов позволяет образовываться вблизи полюсов Сатурна полярным сияниям, похожим на те, что мы можем видеть и на Земле. Они образуются путем генерации энергии, освобождающейся вследствие взаимодействия магнитосферы и солнечного ветра. В атмосфере Сатурна полярные сияния можно наблюдать в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Последние, из-за поглощения ультрафиолета земной атмосферой, могут наблюдаться только с помощью космических телескопов. На рис. 13.9 приведены типичные фотографии авроры Сатурна.
[more]
Рис. 13.9. Полярные сияния,
1 – http://b-nlo2012.narod.ru/images/sat/6.JPG ,
2 –http://www.geo.ru/sites/default/files/108476main_hst_saturn_full.jpg ,
3 – http://www.membrana.ru/particle/15909
Они сияют вокруг обоих полюсов, как видно на фотографии 1 (снимок сделан в ультрафиолете).
На изображении 2 показаны три фотографии авроры вокруг Южного полюса, полученные в оптической части спектра с интервалом между снимками всего в два дня. Из фотографий видно, как быстро меняются форма и вид полярных сияний Сатурна с течением времени. Расположение и яркость впрямую зависят от давления солнечного ветра: чем оно больше, тем сияния ярче и ближе к полюсу.
На фотографии 3 – снимок, сделанный космическим телескопом «Хаббл» в ультрафиолетовом диапазоне.
Полярные сияния (аврора) на Сатурне возникают вокруг полюсов на высоте в 1200 километров от поверхности планеты (полярные сияния Земли ‒ всего на 100-200 километров).
На некоторых фотографиях (рис. 13.10) выявляется несколько неожиданных особенностей, в том числе и яркие вращающиеся сгустки. На ряде снимков даже бывает запечатлена уникальная световая буря, при которой значительная часть полярной области полностью залита ярким сиянием. На фотографиях представлены:
1, 3, 4, 5 – кадры из ролика, который так и называется «Танец авроры на Северном полюсе Сатурна»;3, 4, 5 – замкнутое авроральное кольцо с перемещающимися и изменяющимися пятнами интенсивного свечения;
6 – фотография, полученная с помощью космического телескопа «Хаббл».
Рис. 13.10. Аврора Сатурна в УФ диапазоне,
1, 3, 4, 5 ‒ https://www.nasa.gov/jpl/cassini/saturn-aurora-20140211/#.Vzg7nR_m_ys ,
2 ‒ https://i.ytimg.com/vi/LgwkLvftRZI/maxresdefault.jpg ,
6 – http://sdnnet.ru/n/5424/?post=8453897_1594
В работе http://planetologia.ru/saturn/39-saturns-auroras.html сделано интересное заключение:
Ошеломляющие огни над Сатурном ставят в тупик ученых. Они считают, что полярные сияния Сатурна – совершенно уникальное явление, в них есть что-то особенное и еще невиданное. Исследователи пытаются объяснить их происхождение и считают, что это приведет к новым открытиям в физике.Обнадеживающее заявление.
Как пишет Ф. Дергачев в http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/05/18.html, во время пролета над Северным полюсом Сатурна были получены неожиданные данные:
…площадь полярного сияния меняется со временем, и в течение примерно 45 минут сияние практически полностью исчезает. Интересно, что каждые 45 минут мигает рентгеновский источник около северного магнитного полюса Юпитера- .
Там же Ф. Дергачев пишет, что Сатурн имеет уникальный собственный тип авроры, которая освещает полярную шапку, в отличие от любой другой планетарной авроры, известной в нашей Солнечной системе. А «…- причина возникновения полярного сияния неизвестного типа кроется в еще не изученных особенностях магнитосферы Сатурна и механизмах взаимодействия солнечного ветра и его атмосферы- ». Далее он ссылается на Тома Сталларда, английского ученого, работающего с данными «Кассини» (выделения Ф. Дергачева):
Мы никогда не видели аврору, подобную этой, в другом месте. Это не только - кольцо авроры, подобное тем, что мы видели на Юпитере или Земле. Эта аврора охватывает огромную область в районе полюса. В инфракрасном свете аврора иногда заполняет область примерно от 82- °- - с.ш. полностью до полюса. Наши текущие идеи относительно формы авроры на Сатурне предсказывают, что эта область должна быть пуста, так что обнаружение здесь такой яркой авроры – фантастическая неожиданность.Если сравнивать авроры Юпитера и Сатурна, то следует отметить, что главное авроральное кольцо Юпитера имеет постоянный размер, а - главная аврора Сатурна, вызванная солнечным ветром, существенно изменяет размер синхронно с изменением ветра. Наблюдаемая аврора на Сатурне не вписывается ни в одну категорию.
Далее Ф. Дергачев приводит слова другого английского ученого – Ника Ахиллеоса (выделения Ф. Дергачева):
Уникальные особенности аврорального сияния Сатурна сообщают нам: есть кое-что специальное и непредвиденное в магнитосфере этой планеты и путях, которыми она взаимодействует с солнечным ветром и атмосферой планеты. Попытки объяснить его происхождение без сомнения приведут нас к физике уникальных процессов в окружающей среде Сатурна.
Если бы выделения в воспроизведенных цитатах делала я, то сделала бы абсолютно то же самое.
Кольца авроры наблюдаются, как правило, на широте 70–80°. Южные кольца располагаются на широте в среднем 75 ± 1°, а северные – ближе к полюсу примерно на 1,5°, что может быть связано с различием магнитного поля в Северном и Южном полушариях. Это говорит о том, что магнитное поле распределено неравномерно.
Для сравнения хочу предложить полюбоваться фотографиями авроры на полюсах Сатурна во время окончания зимнего сезона (близкого к равноденствию) и Земли (рис. 13.11).
Рис. 13.11. Полярные сияния на Сатурне и Земле (1, 2, 3),
Сатурн ‒ http://fhotomanija.at.ua/_ph/28/671193762.jpg ,
1 ‒ http://kotlas-info.ru/news/196937 ,
2 ‒ https://i.ytimg.com/vi/lT3J6a9p_o8/maxresdefault.jpg ,
3 ‒ https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Aurora_australis_20050911.jpg
На композиции представлены: снимок Сатурна (космический телескоп «Хаббл»), снимки из космоса полярных сияний на Земле – 1, 2 северного и 3 южного.
В 2009 году Сатурн предоставил уникальную возможность для одновременного исследования авроры обоих полюсов. Дело в том, что наклон оси вращения Сатурна, составляющий почти 27°, определяет сезонные изменения на планете. С 1994 года к Земле был повернут только Южный полюс, в Северном полушарии царил зимний сезон, и зона Северного полюса нам была не видна. В январе 2009 года наступил период, который назвали сатурнианским равноденствием. Это нужно понимать следующим образом: для Земли Сатурн повернулся так, что его полюсы стали одинаково (и одновременно!) доступны для наблюдения, кольца превратились в линию, перпендикулярную оси вращения планеты, чем и воспользовались астрономы для сравнительного изучения авроры. Самое потрясающее оказалось в том, что именно такое исследование полярных сияний позволило получить уникальные сведения о магнитосфере Сатурна, о влиянии на нее ионосферы, об асимметрии магнитного поля, о его различии в полярных зонах и т.д.
Д. Николс с соавторами посвятили обсуждению полученных материалов исследования интереснейшую статью «Полярные сияния Сатурна в период равноденствия». (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2009GL041491/full). На ней я хочу остановиться подробнее, т.к. там есть ответы на вопросы, без которых в моем исследовании Сатурна просто не обойтись. Рисунки заимствованы также из этой статьи. Ниже я фрагментарно цитирую из нее важную информацию:
В начале 2009 года Сатурн приближался к равноденствию, и вид с Земли был экваториальным, создавая одинаковые возможности одновременного фотографирования обоих полярных регионов. Такие спаренные изображения предлагают бесценное понимание глобальной структуры и динамики планетарных магнитосфер.
…Полярное излучение одновременно присутствует на Северном и Южном полюсах с одинаковой морфологией и яркостью. Оба полюса обычно демонстрируют овалы с пограничным радиусом, равным примерно 15-20° [термин «овал» используется потому, что обычно фотографии полюсов делаются под углом и авроральный круг выглядит как эллипс или овал]. Когда северный овал становится ярче, то же самое происходит и с южным овалом. Это подтверждает, что процессы, стимулирующие полярные испускания Сатурна, полушарно симметричны. Однако, очевидны и важные асимметрии.
…Значимой характеристикой магнитного поля ионосферы Сатурна является разница между севером и югом, возникающая за счет значительного квадрупольного момента, вызванного смещением к северу магнитного диполя на величину, равную примерно 0,037 R.S [что составляет 2230 км], где R.S – это экваториальный радиус на уровне давления 1 бара, равного 60268 км.
Немного поясню информацию, которая раньше вскользь упоминалась: диполь сдвинут к северу. В цитируемой выше статье указывается, что причиной этого служит квадрупольный момент, являющийся результатом поля, вызванного ионосферными процессами. С дневной стороны ионосферы до самой магнитопаузы плазменный слой содержит энергичные ионы, наполняющие «токовые трубки», вносящие свой вклад в кольцевой ток (см. рис.11.8). Все это и приводит к добавлению ионосферой квадрупольного момента в магнитосферу Сатурна, и без того достаточно сложную.
Как сообщается в статье, в процессе исследования было установлено, что напряженность магнитного поля на полюсах весьма заметно отличается: для Северного полюса она равна 68360, а для Южного – 56808 нТл, разница составляет примерно 17%.
В статье приведен рис. 1 (здесь рис. 13.12), на котором демонстрируется пример связанных (одновременных) полярных сияний Сатурна. Что очень важно – на изображения нанесена координатная широтно-долготная сетка.
Рис. 13.12. Аврора на полюсах Сатурна в равноденствие (27. 01.2009)
Слева показано южное сияние, справа – северное. Верхний ряд – фотографии, полученные телескопом «Хаббл», внизу – планетоцентрические широтно-долготные проекции. Интенсивность показана на цветной шкале слева. На проекциях указано местное время, нулевой меридиан обозначен красным. По верхним фотографиям даже на глаз можно видеть, что по размеру и, следовательно, по широте, авроры между собой отличаются. Средний радиус аврорального круга составляет для Северного полюса примерно 16,3° и 17,8° – для Южного. Величина радиуса авроры для Южного полюса совпадает с предыдущими наблюдениями.
Все приведенные данные позволяют сделать заключение об асимметрии магнитного поля Сатурна, причина которой еще не установлена.
Авторы статьи высказывают предположение, что полярные сияния создаются механизмом, отличающимся от того, который работает на Земле и Юпитере. На Сатурне, по их мнению, он скорее инициируется продольным ускорением электронов магнитосферы в полярных регионах. Авторы считают также, что общее свечение авроры пропорционально напряженности поля ионосферы. Такое заключение не противоречит вышеприведенному значению разницы в напряженности магнитного поля ионосферы у полюсов, равной примерно 17%. Мощность сияний на севере усиливалась из-за увеличивавшейся напряженности магнитного поля в ионосфере.
Значимая асимметрия, кроме того, выражена и морфологией индивидуальных характеристик полярных сияний. Это демонстрируется рис. 3 в указанной работе (здесь – рис. 13.13). На нем приведены три примера изображений, демонстрирующих полушарные асимметричные формы полярных сияний. Формат изображений тот же, что и на рис. 13.12: слева – южное полярное сияние, справа – северное. Очевидные проявления асимметрии выделены красными кругами.
Рис. 13.13. Примеры асимметрии полярных сияний Сатурна
Подведем итог по статье:
Средний радиус аврорального кольца (в градусах по широте) составляет для Северного полюса примерно 16,3°, для Южного – 17,8° (что по широте соответствует 73,7° с.ш. и –72,2° ю.ш.). Радиус кольца северного полярного сияния примерно на 1,5° меньше, чем южного.
Общая напряженность магнитного поля Сатурна на полюсах определяется наличием, кроме основного диполя, значимого квадруполя, созданного дополнительным внутренним полем, индуцированным ионосферой. Для Северного полюса магнитная напряженность составляет 68360, а для Южного – 56808 нТ, разница равна примерно 17%.
Общее ультрафиолетовое свечение (при прочих равных полевых потоках) пропорционально напряженности магнитного поля, наведенного ионосферой. Соответственно, среднее общее ультрафиолетовое излучение приблизительно на 17% больше на севере, чем на юге.
Авроральное свечение зависит не просто от насыщения магнитосферы горячей плазмой, а и от ускорения электронов магнитосферы в ионосферных регионах выше поля продольных токов.
Авроральные одновременные овалы демонстрируют асимметрию, причины которой неизвестны.
(0)
