Аерозольна складова атмосфери Урана за даними комбінаційного розсіяння

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

АЕРОЗОЛЬНА СКЛАДОВА АТМОСФЕРИ УРАНА ЗА ДАНИМИ КОМБІНАЦІЙНОГО РОЗСІЯННЯ

Костогриз Надія Михайлівна

Київ-2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Головній астрономічній обсерваторії Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник Відьмаченко Анатолій Петрович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України, м. Київ, завідувач відділу фізики тіл Сонячної системи.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Кручиненко Віталій Григорович,

Науково-дослідна лабораторія “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету

Київського національного університету імені Тараса Шевченка; кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Корохін Віктор Валентинович, НДІ астрономії Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна МОН України; завідувач відділу фізики Сонця, Місяця та планет.

Захист відбудеться “ 15 ” травня 2008 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії Національної академії наук України за адресою: ГАО НАНУ, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ГАО НАНУ за адресою: ГАО НАНУ, 03680 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, 27.

Автореферат розісланий “ 11 ” квітня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук І.Е. Васильєва

АНОТАЦІЯ

Костогриз Н.М. Аерозольна складова атмосфери Урана за даними комбінаційного розсіяння. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.03 - Геліофізика і фізика Сонячної системи. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2007.

В дисертаційній роботі проведено дослідження впливу комбінаційного розсіяння в планетних атмосферах з урахуванням їх спостережної температурної залежності з глибиною. В результаті проведених досліджень було розроблено новий механізм визначення оптичних параметрів атмосфери за даними про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння з урахуванням температурного профілю атмосфери Урана. Було отримано, що неврахування зміни температури з глибиною в атмосферах планет-гігантів приводить до значних похибок при визначенні оптичних параметрів атмосфери, таких як відношення аерозольної розсіювальної складової оптичної глибини до газової, а також відношення поглинальної до розсіювальної складових оптичної глибини.

Оскільки ефекти комбінаційного розсіяння в атмосферах планет-гігантів приводять до зменшення геометричного альбедо, а, відповідно, і альбедо однократного розсіяння в синій області спектра, то нами було визначено значення альбедо однократного розсіяння, яке виправлене за ефект комбінаційного розсіяння.

Досліджено ймовірну причину довгоперіодичних змін геометричного альбедо Урана. Проводячи моделювання із застосовунням запропонованого нами методу до спостережних даних, отриманих в різні роки (1981, 1993, 1995), виявлено зміни оптичних параметрів атмосфери Урана з часом і їх залежність від видимого положення Урана на орбіті. Проаналізовано сучасні фотометричні спостереження диску Урана, виконані на найбільших телескопах світу, що зареєстрували появу і зникнення аерозольних хмар на різних широтах з часом. Зроблено висновок, що саме неоднорідний розподіл аерозолю в атмосфері Урана в залежності від широти може бути можливою причиною довгоперіодичних змін геометричного альбедо.

Ключові слова: атмосфера Урана, комбінаційне розсіяння в атмосферах планет, оптичні параметри атмосфери Урана, довгоперіодичні зміни геометричного альбедо Урана.

ABSTRACT

уран аерозоль планета атмосфера

Kostogryz N.M. The aerosol components of Uranus' atmosphere using Raman scattering data. - Manuscript.

Thesis for PhD degree by the specialty 01.03.03 - Heliophysics and physics of the Solar System. - The Main Astronomical Observatory of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2007.

The investigation of Raman scattering influence in the planetary atmospheres with accounting their observational temperature-depth dependence was taken in the PhD Thesis. As a result of our investigations, a new mechanism of the atmospheric optical parameters determinations using Raman scattering data with taken into account the temperature profile of Uranus' atmosphere was developed. We obtained that when we didn't take into account the temperature-depth dependence in the giant planet atmospheres, we've got the huge errors in the atmospheric optical parameters determinations such as the ratio of aerosol to gas scattering components of the optical depths and also the ratio of absorbing to scattering components of the optical depths.

As Raman scattering effects in the giant planet atmospheres lead to geometric albedos and also single scattering albedos decreasing in the blue spectral region, so we've determined the values of the single scattering albedos which are corrected for Raman scattering effects.

The possible reason of long-period variations of the geometric albedos of Uranus was investigated. Leading our modeling and applying our method to the different year observational data (1981, 1993, 1995), we revealed the optical parameters of Uranus' atmosphere changing with a time and also with Uranus' position on its orbit. There were analyzed the contemporary photometric observations of Uranus' disc which were obtained with the largest telescopes of all world and which registered appearance and disappearance of the aerosol clouds on the difference latitudes. We proposed the conclusion that exactly heterogeneous aerosol distribution in the Uranus' atmosphere on the difference latitudes may be the possible reason of the long-period geometric albedos variations.

Key words: the atmosphere of Uranus, Raman scattering in the planetary atmospheres, the optical parameters of Uranus' atmosphere, long-period geometric albedos variation of Uranus.

АННОТАЦИЯ

Костогрыз Н.М. Аэрозольная составляющая атмосферы Урана по данным комбинационного рассеяния. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.03 - Гелиофизика и физика Солнечной системы. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 2007.

В диссертационной работе исследовано влияние комбинационного рассеяния в планетных атмосферах с учетом их наблюдаемой температурной зависимости от глубины. Поскольку интенсивность деталей комбинационного рассеяния света на молекулах водорода уменьшается с увеличением относительной концентрации других газов, то мы использовали эти данные для оценок относительных концентраций аэрозоля в атмосферах планет-гигантов. Для того, чтобы проследить, насколько сильно влияет неучет температурного профиля на определение оптических параметров атмосферы, таких как значение отношений составляющих оптических глубин: аэрозольной и газовой рассеивающей (ф_a/ф_R), а также поглощательной и рассеивающей (ф_k/(ф_a+ф_R)) составляющих оптических глубин, рассчитаны данные параметры атмосферы для модельной задачи. Было получено, что ошибки определения оптических параметров очень большие, более 70%.

Рассчитаны оптические параметры атмосферы с учетом температурного профиля планет и наблюдательных спектральных значений геометрического альбедо Урана. В результате проведенных исследований был разработан новый механизм определения оптических параметров атмосферы по данным об интенсивности деталей комбинационного рассеяния с учетом температурного профиля атмосферы Урана [2]. Используя уже реальные наблюдательные значения геометрического альбедо Урана, по нашей методике было получено, что неучет изменения температуры с глубиной в атмосферах планет-гигантов приводит к значительным погрешностям (около 50%) при определении оптических параметров атмосферы (ф_a/ф_R) и (ф_k/ф_S), где ф_S = ф_a + ф_R.

Так как эффекты комбинационного рассеяния в атмосферах планет-гигантов приводят к уменьшению геометрического альбедо, а соответственно и альбедо однократного рассеяния, в синей области спектра, то были определены значения альбедо однократного рассеяния, исправленного за эффект комбинационного рассеяния.

Исследована вероятная причина долгопериодических изменений геометрического альбедо Урана. Проводя моделирование и применяя наш метод к наблюдательным данным разных годов (1981, 1993, 1995), определены изменения оптических параметров атмосферы Урана со временем и их зависимость от положения Урана на орбите. Проанализированы современные фотометрические наблюдения диска Урана, которые проводятся на самых больших телескопах мира. По этим данным было зарегистрировано появление и исчезновение аэрозольных облаков на разных широтах в разное время. Именно неоднородное распределение аэрозоля в атмосфере Урана в зависимости от широты может быть вероятной причиной долгопериодических изменений геометрического альбедо.

Ключевые слова: атмосфера Урана, комбинационное рассеяние в атмосферах планет, оптические параметры атмосферы Урана, долгопериодические изменения геометрического альбедо Урана.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В атмосферах планет-гігантів визначення і врахування залежності поглинання світла в неперервному спектрі від довжини хвилі є складною проблемою особливо в короткохвильовій області спектра Урана, що зумовлена впливом ефектів комбінаційного розсіяння (КРС) в його воднево-гелієвій атмосфері. Крім ефектів зменшення глибини фраунгоферових ліній (псевдоемісій) і появи їхніх „духів” (псевдодепресій) комбінаційне розсіяння також зумовлює зменшення геометричного альбедо Ag в короткохвильовій області спектра, що може трактуватися як псевдопоглинання в неперервному спектрі. В довгохвильовій області спектра комбінаційне розсіяння приводить до збільшення значення геометричного альбедо. Ефекти комбінаційного розсіяння найбільше проявляються в водневій атмосфері і послаблюються при наявності в атмосфері інших газів та аерозолю [20]. Тому при аналізі спектрофотометричних вимірювань в короткохвильовій області спектра їх обов'язково необхідно враховувати.

В останній час багато уваги приділялось врахуванню КРС в спектрах планет. При цьому звичайно розглядалася модель ізотермічної атмосфери, тоді як реальні атмосфери планет-гігантів характеризуються досить складними температурними профілями [30]. Проведені нами оцінки показали, що навіть в оптично однорідній неізотермічній атмосфері інтенсивність комбінаційного розсіяння буде залежати від глибини формування інтенсивності дифузно-відбитого випромінювання і що неврахування реальних температурних профілів при аналізі інтенсивності деталей комбінаційного розсіяння приводить до помилкових значень оптичних параметрів атмосфери, які визначаються. Тому врахування неізотермічної атмосфери при обчисленні впливу ефектів комбінаційного розсіяння світла є важливою задачею у вивченні фізичних характеристик планетних атмосфер.

Уран є унікальною планетою серед зовнішніх планет-гігантів: у нього дуже слабке внутрішнє джерело енергій, а його вісь обертання лежить майже в площині орбіти. Через слабке внутрішнє джерело теплової енергії до недавнього часу вважалося, що атмосфера Урана є досить однорідною і стаціонарною. Після прольоту космічного апарату „Вояджер-2” біля Урана, який показав малу атмосферну активність, зацікавленість цією унікальною планетою дещо вщухла. Проте в 1994 р. на космічному телескопі Габбла почала реалізовуватись програма з пошуку слабких супутників в системі Урана [36]. В результаті цих спостережень було виявлено крім яскравої південної полярної шапки Урана, ще й смугасту структуру на нижчих широтах, які найвиразніше спостерігаються в близькій інфрачервоній області спектра (700-1000 нм). Несподіване відкриття дискретних хмар на планеті відновило цікавість до її атмосфери [24]. Тому визначення відношення кількості аерозолю до кількості газу в атмосфері планети, що може підтвердити існування аерозольних хмар дуже актуальне в сучасній планетній астрофізиці. Адже поява і зникнення аерозольних хмар на різних широтах може бути можливою причиною довгоперіодичних змін геометричного альбедо Урана.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертації дослідження виконувалися згідно планів таких наукових тем відділу фізики тіл Сонячної системи Головної астрономічної обсерваторії НАН України:

1. „Нестаціонарні процеси на Сонці, в Сонячній системі та космічній плазмі”, шифр 1.4.6/6-204-Ц, № держ. реєстрації 0102U003757, 2002-2006 рр.

2. „Розробка програми спектрополяриметричного експерименту на борту МКС та його наземного супроводження”, шифр 1.4.6/5-206-В, № держ. реєстрації 0103U001180, 2003-2005 рр.

3. „Розробка перспективних методик та створення нового покоління приладів для проведення позаатмосферних астрономічних спостережень”, шифр 1.4.6/5-212-Кт, № держ. реєстрації 0103U008378, 2003-2008 рр.

4. „Вертикальна структура атмосфер Урана і Нептуна за даними спектральних спостережень та виготовлення спектрополяриметричної апаратури для наземних спостережень небесних об'єктів”, шифр 1.4.6/5-225-В, № держ. реєстрації 0106U004542, 2006-2008 рр.

Здобувачка брала участь у виконанні цих досліджень в якості аспірантки.

Мета і завдання дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є визначення відносного внеску аерозольного розсіяння і поглинання в атмосфері Урана. Це визначення велося за даними про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння та з врахуванням реального температурного профілю планети.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. розробити і побудувати метод врахування неізотермічності атмосфери при обчисленні ефектів комбінаційного розсіяння в атмосферах планет-гігантів;

2. вдосконалити метод визначення оптичних параметрів атмосфер планет-гігантів за даними про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння в їхніх спектрах з урахуванням реального температурного профілю;

3. проаналізувати отримані значення оптичних параметрів в атмосфері Урана;

4. виявити ймовірні причини довгоперіодичних змін геометричного альбедо Урана;

5. розробити алгоритми та програмні засоби для виявлення похибок при обчисленні впливу ефектів комбінаційного розсіяння світла в атмосферах планет, які виникають при неврахуванні реального температурного профілю.

Об'єкт дослідження: атмосфери планет-гігантів, зокрема Урана.

Предмет дослідження: комбінаційне розсіяння в атмосфері Урана.

Методи дослідження: чисельне моделювання впливу ефектів комбінаційного розсіяння в неізотермічній атмосфері Урана.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено метод врахування неізотермічності атмосфери планет-гігантів (на прикладі планети Урана) при визначенні оптичних параметрів атмосфери за даними про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння, та на його основі визначені спектральні значення відношень складових оптичних глибин: аерозольної і газової (ф_a/ф_R) та поглинальної і розсіювальної (ф_k/(ф_a+ф_R)), де ф_a, ф_R - аерозольна й газова розсіювальні складові і ф_k - поглинальна складова ефективної оптичної глибини формування інтенсивності дифузно-відбитого випромінювання.

2. Модифіковано вираз для альбедо однократного розсіяння, який більш точно враховує ефект комбінаційного розсіяння світла в атмосферах планет-гігантів.

3. Із дистанційних спектральних спостережень Урана виявлено нерівномірний розподіл дискретних аерозольних хмар по диску планети.

4. Виявлено ймовірну причину довгоперіодичних змін геометричного альбедо Урана.

5. Вперше досліджено величини похибок визначення оптичних параметрів атмосфери (в тому числі і альбедо однократного розсіяння), до яких приводить неврахування температурного профілю планети при аналізі ефектів комбінаційного розсіяння світла на молекулах водню в атмосферах планет-гігантів (до 50% для Урана і до 70% для Нептуна).

Практичне значення отриманих результатів. Дослідження ефектів комбінаційного розсіяння світла на молекулах водню в неізотермічних атмосферах планет-гігантів дозволило краще зрозуміти фізику атмосфер планет-гігантів. В роботі запропоновано методику (алгоритм та комп'ютерну програму), що дозволяє обчислювати оптичні параметри атмосфери за даними про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння в неізотермічних атмосферах планет-гігантів. Ця методика може бути використана для інтерпретації спектральних даних геометричного альбедо усіх планет-гігантів.

Особистий внесок здобувача. Більшість результатів, викладені в дисертаційній роботі, були отримані автором самостійно [2-9, 12-17]. В роботах [1, 10, 11, 18, 19] авторові належать розробка програмного забезпечення, проведення чисельних експериментів. Автором самостійно написані програми для розрахунку оптичних параметрів неізотермічної атмосфери за даними про інтенсивність деталей КРС.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на наступних конференціях, симпозіумах і семінарах:

· 11-та, 12-та, 13-та, та 14-та Міжнародна астрономічна конференція для молодих вчених (Київ, Україна, 2004, 2005, 2006, 2007 рр.)

· 34-та, 35-та, та 36-та Міжнародна студентська конференція „Фізика космосу” (Коуровка, Уральський університет, Росія, 2005, 2006, 2007 рр.)

· меморіальна Міжнародна конференція „Астрономія і фізика космосу” присвячена 100-літтю Всехсвятського та 160-літтю АО КНУ (Київ, Україна, 2005 р.)

· Міжнародний симпозіум „Астрономія - 2005: Статус і перспективи” (Москва, Росія, 2005 р.)

· конференція Європейського астрономічного товариства JENAM (Льєж, Бельгія, 2005 р.)

· Міжнародна Байкальська конференція для молодих вчених (Іркутськ, Росія, 2005 р.)

· 200-тий колоквіум Міжнародного астрономічного товариства (Ніца, Франція, 2005 р.)

· Міждисциплінарний семінар „Форум молодих вчених” (Честохова, Польша, 2006 р.)

· 26-та Генеральна Асамблея Міжнародного астрономічного союзу (Прага, Чехія, 2006 р.)

· семінари відділу фізики тіл Сонячної системи Головної астрономічної обсерваторії НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей, у тому числі: 3 статті в рецензованих наукових виданнях [1-3], 4 статті у матеріалах конференцій [4-7] та 12 робіт у тезах конференцій [8-19].

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 3 розділів, висновків та списку використаної літератури, що містить 161 найменування. Загальний обсяг дисертації складає 125 сторінок, в тому числі 29 рисунків та 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подається загальна характеристика роботи, обґрунтовується актуальність теми досліджень, формулюються мета і задачі дослідження, визначаються наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, приводяться відомості стосовно апробації роботи, cтруктури та обсягу дисертації.

Розділ 1. Фізичні характеристики атмосфери Урана. Перший розділ присвячений огляду літератури по темі дисертації. Головна увага приділена наступним проблемам.

Перша проблема стосується сезонних змін блиску Урана. Оскільки, завдяки положенню осі обертання Урана на орбіті за весь 84-літній період можна спостерігати різні області Урана, то не виключалась наявність малоамплітудних довгоперіодичних змін з періодом близько 84 років [20]. Аналіз кривих яскравості [23] показав як короткоперіодичні (6-11 років), так і довгоперіодичні (42 роки) зміни зоряної величини у візуальних променях відповідно з амплітудами 0.12^m та 0.14^m. Короткоперіодичні зміни приписувалися змінам сонячної активності та внутрішнім процесам на планеті, а довгоперіодичні пов'язувалися зі сплющеністю планети та великим кутом нахилу осі її обертання.

Атмосферні зміни Урана в основному залежать від видимих сезонних змін (зміни кута видимості Урана), що підтверджується не тільки результатами фотометрії у видимій ділянці спектра, але також і даними радіоспостережень в мікрохвильовій області. Однак не всю криву світності Урана можна пояснити цим ефектом [24].

Крім сплюснутості планети, на варіації яскравості можуть впливати і зміни самих оптичних характеристик диску Урана.

Внаслідок малих кутових розмірів диску планети Урана (радіус менше 2) лише в поодиноких працях робилися спроби виявити характер розподілу яскравості по диску. Тільки після прольоту космічного апарату (КА) „Вояджер-2” можна було достеменно сказати про неоднорідність диску Урана. Обробка зображень Урана, отриманих з КА „Вояджер-2” [34] і подальший аналіз [32] показали наявність південної полярної шапки з відносно потужних хмар, які складаються з метанового льоду, що поширюється до широт пд.ш. Більш детальний аналіз зображень показав ще й присутність горизонтальної структури в полярній шапці: дуже темна область на полюсі у фіолетовій області, відносно широка яскрава в усіх фільтрах область біля пд.ш. і мінімум яскравості біля пд.ш. [34].

В 1994 р. на космічному телескопі Габбла розпочалася довготривала програма по пошуку слабких супутників в системі Урана [36]. В результаті цих спостережень було виявлено дискретні хмари на Урані.

Відмічено, що протягом останнього десятиліття кількість дискретних хмар в атмосфері Урана зростає. У жовтні 2003 р. Хаммел та ін. [25] провели ряд наземних спостережень на 10-м телескопі Кек і виявили смугасту зональну структуру Урана і десятки дискретних хмар на ньому.

У 2003 і 2004 р. Сромовскі і Фрай [35] отримали спостережні дані на Кек телескопі і зареєстрували велику кількість дискретних хмар. Також вони зареєстрували широкий діапазон життя хмар на Урані: декілька хмар існували біля одного дня, багато хмар жили не менше одного місяця, і одна хмара на широті 34є пд.ш. (яку називають S34) існувала протягом 20 днів. Реєстрація і поступове зникнення хмари вказує на швидкий динамічний процес локалізованої вертикальної аерозольної структури.

Атмосферна активність Урана проявляється також і в спектрах. Зміни спектральних значень геометричного альбедо з часом дуже помітне. Так, в 1981 р. [31] значення геометричного альбедо було значно нижче, ніж в 1993 і 1995 рр. [27, 29]. Саме ці зміни ми і пояснили в розділі 3.

Наступним розглянуто питання про теплові властивості атмосфер планет-гігантів і їх газові складові. Спостереження на великих радіотелескопах, які забезпечували високу просторову роздільну здатність (менше 1), дали змогу визначити характер розподілу температури по диску. Інверсійним методом, за даними інтенсивності спектра теплового випромінювання, були побудовані моделі вертикальної структури температури [26].

Основною газовою складовою атмосфери є молекулярний водень з відносною концентрацією на рівні 0.85, на другому місці - гелій з відносною концентрацією 0.1550.015 [26].

Зрештою, розглянута проблема аерозольної складової і вертикальної структури атмосфери Урана. Приведені означення всіх параметрів атмосфери, які необхідні для визначення будь-якого газово-аерозольного середовища, такі як об'ємні коефіцієнти розсіяння у_S та поглинання у_k (інколи вживають термін „істинне поглинання”), а також індикатриса розсіяння (фазова функція) ч(б), яка визначає ймовірність розсіяння кванта в заданому напрямку, де б - фазовий кут. Приведено означення альбедо однократного розсіяння, що характеризує ймовірність виживання кванта за одноразового розсіяння і визначається згідно виразу:

щ = у_S / у_ext,

де у_ext = у_S + у_k - коефіцієнт ослаблення, або екстинкції.

Наявність хмар в атмосфері Урана припускалася ще в позаминулому столітті, але достовірних доказів цьому не було. Всі висновки щодо властивостей аерозольної складової атмосфери і її наявності взагалі роблять з аналізу спектральної залежності геометричного альбедо, інтенсивності молекулярних смуг поглинання метану на різних довжинах хвиль і квадрупольних ліній водню. У такому разі, вибір моделі вертикальної структури ускладнено відсутністю достовірних даних щодо розподілу інтенсивності молекулярних смуг поглинання по диску. В даному розділі досить детально описано різні методи виявлення аерозолю, а також різні моделі вертикальної структури атмосфери Урана.

Оригінальні результати подано в розділах 2-3.

Розділ 2. Комбінаційне розсіяння в атмосферах планет-гігантів. В другому розділі досліджено вплив ефектів комбінаційного розсіяння в планетних атмосферах, яке приводить до таких спостережних ефектів:

1. Інтенсивність фраунгоферових ліній у дифузно-відбитому атмосферами планет сонячному випромінюванні менша, ніж у спектрі Сонця, а тому під час виключення розподілу енергії Сонця зі спектра планети, на місці фраунгоферових ліній з'являються псевдоемісійні деталі. У високодисперсних спектрах псевдоемісії потужних фраунгоферових ліній Н і К Са ІІ можуть досягати 20 %.

2. З обох боків фраунгоферових ліній на деякій відстані можуть з'явитися їхні “духи”, тобто стоксова і антистоксова компоненти комбінаційного розсіяння. Внаслідок того, що антистоксове розсіяння значно слабше від стоксового (приблизно на два порядки величини), звичайно, спостерігають лише останні.

3. Через те, що у розподілі енергії в спектрі Сонця максимум припадає приблизно на довжину хвилі 550 нм, неврахування комбінаційного розсіяння спричинює заниження відбивної здатності планети при   550 нм (особливо сильне для ультрафіолетової ділянки спектра) та завищення при   550 нм. Внаслідок цього виникає оманливий ефект наявності ультрафіолетового поглинання (псевдопоглинання) в атмосферах планет. Цим, до речі, якщо не повністю, то хоча б частково, пояснюється різке зменшення відбивної здатності Урана у фіолетовій та ультрафіолетовій ділянках спектра [24].

Цей розділ повністю присвячений розробці методу визначення оптичних параметрів атмосфери, який ґрунтується на використанні даних про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння. Для врахування ефекту комбінаційного розсіяння, у моделі однорідного газово-аерозольного шару використовувався модифікований нами вираз для альбедо однократного розсіяння [1]:

,

де фⁱ_R - оптичні глибини комбінаційного розсіяння молекулами газу, ф_a - аерозольна розсіювальна компонента оптичних глибин, ф_k - поглинальна компонента оптичних глибин, ф_R - оптичні глибини релеївського розсіяння молекулами газу, f_лi - інтенсивності сонячного випромінювання на довжинах хвиль л_i, л_i - довжини хвиль, з яких відповідними переходами в процесі комбінаційного розсіяння світловий квант перенесено на довжину хвилі л₀, f_л0 - інтенсивність сонячного випромінювання на довжині хвилі л₀. В цьому розділі описано, з яких причин ми вирішили модифікувати вираз для альбедо однократного розсіяння, який був отриманий раніше Поллаком і ін. [33], і як саме це було зроблено.

Інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння на молекулах водню зменшується зі збільшенням відносної концентрації інших газів або аерозольних частинок. Це наштовхнуло на думку про можливість використання цих спостережних даних для оцінок відносних концентрацій аерозолю. Спочатку таку методику розробив Дементьєв [21], а пізніше удосконалив Мороженко [22] для моделі ізотермічної атмосфери. Оскільки реальні планетні атмосфери не є ізотермічними, то завдяки зміні з глибиною в атмосферах температури будуть змінюватися також кількості молекул водню в орто- і пара-станах, а, значить, і комбінаційне розсіяння, на що ми [1] і звернули увагу. За результатами наших досліджень виявлено, що неврахування реального температурного профілю в атмосфері при аналізі інтенсивності деталей комбінаційного розсіяння приводить до значних помилок параметрів, що визначаються. При використанні реальних спостережних даних, метод Мороженка [22] не підходив для обчислення спектральних значень параметрів атмосфери, тому нами було розроблено новий метод визначення значень атмосферних параметрів із врахуванням її неізотермічності, який детально описаний в розділі 2.2.6.

Аналіз наслідків комбінаційного розсіяння в атмосферах планет-гігантів показав, що такий тип спостережень може бути незалежним методом оцінки ймовірного значення відношень оптичних глибин аерозольної та газової складових атмосфери, а також відношень поглинальної та розсіювальної складових оптичних глибин аерозолю.

Оскільки для Урана практично відсутня інформація про фізичні властивості хмарових частинок, а тому і про ймовірні значення індикатриси розсіяння, то розрахунки проводилися для двопараметричної індикатриси розсіяння, при розкладі в ряд за поліномами Лежандра якої значення першого коефіцієнта дорівнювало нулю. Ми отримали середнє значення відношення (ф_a/ф_R), яке дорівнює 0.96 для моделі неізотермічної атмосфери. Для порівняння оптичних параметрів, що отримані в рамках моделі неізотермічної атмосфери і в рамках моделі ізотермічної атмосфери, ми провели розрахунки за нашою методикою ще й для моделі ізотермічної атмосфери. Як виявилося, значення відношення (ф_a/ф_R) було рівне 1.5 (рис.1), що більше, ніж на половину перевищує значення, отримане при використанні моделі неізотермічної атмосфери. А отже, неврахування температурного профілю приводить до помилок понад 50%.

Щоб порівняти наші дані з іншими, отриманими раніше для моделі ізотермічної атмосфери, і тим самим перевірити нашу методику, ми розглянули результати роботи Мороженка [22], де використовувалася модель ізотермічної атмосфери і така ж індикатриса розсіяння. В роботі [22], значення відношення (ф_a/ф_R) = 1.35. Як видно, значення цього відношення в роботі [20] досить близьке до того, що отримане нами для моделі ізотермічної атмосфери, проте різниця все ж достатньо велика, якщо порівнювати його з нашим значенням (ф_a/ф_R) =0.96 для моделі неізотермічної атмосфери.

Неврахування ефекту комбінаційного розсіяння приводить до зменшення альбедо однократного розсіяння, а отже, і значення геометричного альбедо. Після отримання значення (ф_a/ф_R) , величина альбедо однократного розсіяння виправлялась за ефект комбінаційного розсіяння і оцінювалося виправлене за ефект комбінаційного розсіяння значення ю для газово-аерозольного середовища за допомогою виразу

.

На рис.2 представлені результати цих обчислень в порівнянні зі спостережними даними. Як видно із рис.2, неврахування ефекту комбінаційного розсіяння приводить до зменшення альбедо однократного розсіяння і геометричного альбедо. Ці дані вказують на відмічений раніше факт, що ефект комбінаційного розсіяння в атмосфері планет-гігантів приводить до зменшення його геометричного альбедо в короткохвильовій області спектра, яке може трактуватися як псевдопоглинання в неперервному спектрі.

В цьому розділі зроблено наступні висновки:

1. Використовуючи спостережні дані про геометричне альбедо Урана [27] і спостережний температурний профіль атмосфери Урана [30], ми підтвердили, що неврахування температурного профілю приводить до помилкових значень параметрів атмосфери і що такі помилки складають біля 50%.

2. Використовуючи розроблений нами метод, отримано виправлені за ефект комбінаційного розсіяння спектральні значення альбедо однократного розсіяння в неізотермічній атмосфері Урана в діапазоні довжин хвиль 350-450 нм. Отримані результати показали, що неврахування ефекту комбінаційного розсіяння приводить до зменшення альбедо однократного розсіяння. Саме ефектом комбінаційного розсіяння можна частково пояснити поглинання в короткохвильовій області спектра планети Урана.

3. Модифіковано вираз для альбедо однократного розсіяння, який більш точно враховує ефект комбінаційного розсіяння в атмосферах планет.

4. За результатами модельних розрахунків визначення оптичних параметрів атмосфер планет-гігантів, що ґрунтуються на використанні даних про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння з урахуванням реального температурного профілю в планетній атмосфері, показано, що інтенсивності деталей комбінаційного розсіяння будуть значно відрізнятися (до 70% для планети Нептун) в залежності від рівня формування інтенсивності дифузно-відбитого випромінювання.

Розділ 3. Визначення характеристик аерозольної складової атмосфери Урана. Мета третього розділу - дослідити ймовірну причину довгоперіодичних змін геометричного альбедо Урана.

Проаналізовано значення геометричного альбедо Урана за різні роки спостережень [27, 29, 31] і, використовуючи розроблену нами методику, отримано значення (ф_a/ф_R) і (ф_k/ф_S)_л (рис.3). Отримано, що значення (ф_a/ф_R) в різні роки спостережень приймають різні значення і по-різному залежать від довжини хвилі. В наших роботах [1, 2] так само як і в роботі Мороженка [22], приймалося середнє значення відношення (ф_a/ф_R) на ділянці спектра 350-450 нм, але це відношення змінюється з довжиною хвилі. Тому в роботі [3], ми вже враховували той факт, що для кожного спектрального інтервалу 10 нм відношення (ф_a/ф_R) приймає різні значення.

На рис.3 представлено спектральну залежність (ф_k/ф_S)_л для різних років спостережень, де суцільною лінією показано значення(ф_k/ф_S)_л , які розраховувались за нашою методикою, а значення (ф_a/ф_R) приймалися ті, що розраховані для кожного спектрального інтервалу.

Оскільки основним джерелом поглинання в синій області є аерозоль, то збільшення співвідношення (ф_a/ф_R) супроводжується збільшенням (ф_k/ф_S). Дані (ф_a/ф_R) і (ф_k/ф_S), які приведені в таблиці, ілюструють це для довжини хвилі 393 нм. При максимальному значенні відношення (ф_a/ф_R), яке дорівнює 3.00 в діапазоні довжин хвиль 390-399 нм для спостережень проведених у 1981 р., значення (ф_k/ф_S) для довжини хвилі 393 нм теж приймає максимальне значення, яке дорівнює 0.028. А для спостережень, проведених в 1995 р., значення (ф_a/ф_R)=1.85 мінімальне серед трьох років спостережень і (ф_k/ф_S), яке дорівнює 0.019, також мінімальне.

В таблиці також приведені співвідношення значень (ф_a/ф_R) і відношення геометричного альбедо A^Ф_g для фраунгоферової лінії К Са ІІ і для її „духа” A_g^дух. Як відомо, зі збільшенням величини відношення (ф_a/ф_R) доля комбінаційного розсіяння зменшується, що в свою чергу приводить до зменшення відношення A^Ф_g / A_g^дух, що і показано в таблиці. Так, для 1981 р. спостережень, значення відношення A^Ф_g / A_g^дух найменше і дорівнює 1.065, а відношення (ф_a/ф_R) приймає найбільше значення і дорівнює 3.00. І навпаки, для спостережень, проведених в 1995 р., коли відношення A^Ф_g / A_g^дух приймає найбільше значення - 1.188, відношення (ф_a/ф_R) приймає найменше значення - 1.85.

Таблиця. Значення (ф_a/ф_R) в діапазоні 390-399 нм для різних спектральних спостережних даних, значення (ф_k/ф_S) для довжини хвилі 393 нм, а також відношення A^Ф_g для фраунгоферової лінії К Са II і її „духа” A_g^дух.

Дата спостережень, роки	Значення (фa/фR) для діапазону довжин хвиль 390-399 нм	Значення (фk/фS) для довжини хвилі 393 нм	AФg/Agдух
1981	3.00	0.028	1.065
1993	1.97	0.020	1.165
1995	1.85	0.019	1.188

Проаналізувавши зміни (ф_a/ф_R) в різні роки спостережень і зміни положення Урана на орбіті (рис.4), неважко помітити, що значення (ф_a/ф_R) збільшується в помірних широтах і зменшується в області екватора, тобто оптичні характеристики верхньої атмосфери змінюються з часом.

Порівнюючи спектральні значення геометричного альбедо Урана, видно, що значення альбедо в 1981 р. було найнижче і йому відповідає найвище значення (ф_a/ф_R). Чим нижче значення геометричного альбедо, тим більшим є значення (ф_a/ф_R). І це зрозуміло, оскільки чим більше аерозолю в атмосфері Урана, тим сильніше випромінювання поглинається і тим нижче буде значення геометричного альбедо. Отже, зміну значення (ф_a/ф_R), а відповідно і значення геометричного альбедо, можна пояснити неоднорідним розподілом аерозолю в атмосфері Урана в залежності від широти, яке, в свою чергу, може бути зумовлене положенням осі обертання Урана на його орбіті. В помірних широтах Урана відношення (ф_a/ф_R) і (ф_k/ф_S) більші, ніж в області екватора і полюса. Це також можна пояснити геометричним ефектом. Оскільки планета не плоска, а має форму близьку до сферичної, то у випадку, коли Уран повернутий до спостерігача областю полюса або екватора, всі хмари проектуються на край видимого диску, і тому за таких умов видима кількість аерозолю в цих областях зменшується.

Основні результати та обговорення наведені у наступних висновках до розділу:

1. Значення (ф_a/ф_R) і (ф_k/ф_S)_л змінюються з часом і залежать від положення Урана на орбіті: в помірних широтах Урана ці величини більші, ніж в області екватора і полюса. Довгоперіодичні коливання блиску можна пов'язати з великим кутом нахилу осі обертання Урана.

2. Ймовірною причиною довгоперіодичних змін геометричного альбедо Урана є неоднорідний розподіл аерозолю в його атмосфері в залежності від широти.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі проведено дослідження впливу комбінаційного розсіяння в планетних атмосферах з урахуванням їхньої реальної температурної залежності з глибиною. В результаті проведених досліджень було розроблено новий механізм визначення оптичних параметрів атмосфери за даними про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння з урахуванням реального температурного профілю атмосфери.

Основними результатами дисертаційної роботи є такі:

1. Для моделі неізотермічної атмосфери Урана розроблено метод визначення параметрів атмосфери за даними про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння. Використовуючи спостережні дані про геометричне альбедо Урана [27] і спостережний температурний профіль атмосфери Урана [30], підтверджено, що неврахування температурного профілю приводить до помилкових значень параметрів атмосфери і що такі помилки складають біля 50%.

2. Використовуючи розроблений нами метод, були отримані виправлені за ефект комбінаційного розсіяння спектральні значення альбедо однократного розсіяння в неізотермічній атмосфері Урана в діапазоні довжин хвиль 350-450 нм. Отримані результати показали, що неврахування ефекту комбінаційного розсіяння приводить до зменшення альбедо однократного розсіяння. Саме ефектом комбінаційного розсіяння можна частково пояснити існуюче поглинання в короткохвильовій області атмосфери Урана. Використовуючи методику визначення параметрів атмосфери за даними про деталі комбінаційного розсіяння, що розроблена в наших роботах [1, 2] і описана в розділі 2, отримано значення (ф_a/ф_R) і (ф_k/ф_S)_л в різних довжинах хвиль для моделі неізотермічної атмосфери для даних за різні роки спостережень.

3. Модифіковано вираз для альбедо однократного розсіяння, який більш точно враховує ефект комбінаційного розсіяння в атмосферах планет-гігантів.

4. Виявлено, що значення (ф_a/ф_R) і (ф_k/ф_S)_л змінюються з часом і залежать від положення Урана на орбіті: в помірних широтах Урана ці величини більші, ніж в області екватора і полюса. Ймовірною причиною довгоперіодичних змін геометричного альбедо Урана є неоднорідний розподіл аерозолю в його атмосфері в залежності від широти.

5. За допомогою модельних розрахунків визначення оптичних параметрів атмосфер планет-гігантів, що ґрунтуються на використанні даних про інтенсивність деталей комбінаційного розсіяння з урахуванням реального температурного профілю в планетній атмосфері, показано, що інтенсивності деталей комбінаційного розсіяння будуть значно відрізнятися (до 70% для планети Нептун) в залежності від рівня формування інтенсивності дифузно-відбитого випромінювання.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Мороженко А.В., Костогрыз Н.М. Особенности формирования деталей комбинационного рассеяния в неизотермической атмосфере // Кинематика и физика небесных тел. - 2005. - Т.21, № 2. - С. 114-120.

2. Костогрыз Н.М. Комбинационное рассеяние в спектре атмосферы Урана с учетом ее неизотермичности // Кинематика и физика небесных тел. - 2006.- Т.22, № 4. - С. 254-259.

3. Костогрыз Н.М. Вероятные причины долгопериодических изменений геометрического альбедо Урана // Кинематика и физика небесных тел. - 2007. - Т.23, № 5. - С. 295-303.

4. Костогрыз Н.М. Формирование комбинационного рассеяния в неизотермических атмосферах Урана и Нептуна // Труды VIII конференции молодых ученых „Астрофизика и физика околоземного космического пространства”, Иркутск (Россия), 2005. - С. 198-201.

5. Kostogryz N.M. Raman scattering in the non-isothermal giant planet atmospheres // Proceedings of IAU Colloquium N200, Nice (France), 2005. - P. 181-184.

6. Kostogryz N.M. Optical parameters of the nonisothermal Uranus' and Neptune's atmospheres // Proceedings of the 13th Young Scientists Conference on Astronomy and Space Physics, Kyiv (Ukraine), 25-29 April 2006. Режим доступу http://arxiv.org/abs/astro-ph/0607182.

7. Kostogryz N.M. Raman scattering and optical parameters of the nonisothermal Uranus's atmosphere // Proceedings of Forum mlodych nauki, Chestochowa (Poland), 2006. - P. 119-124.

8. Костогрыз Н.М. Формирование деталей комбинационного рассеяния в неизотермической атмосфере // Труды 34-й Международной студенческой научной конференции „Физика Космоса”, Екатеринбург (Россия), 31 января-4 февраля 2005. - С. 254.

9. Костогрыз Н.М. Моделирование Рамановского рассеяния в неизотермических планетных атмосферах // Тезисы докладов Восьмого съезда астрономического общества и Международного симпозиума „Астрономия-2005: Состояние и перспективы развития”, Москва (Россия), 2005. - С. 85.

10. Костогрыз Н.М., Видьмаченко А.П., Мороженко А.В. Учет высотного температурного профиля на формирование комбинационного рассеяния в атмосфере Нептуна // Міжнародна астрономічна конференція „Астрономічна школа молодих вчених”, Біла Церква (Україна), 19-21 травня 2004. - C. 21.

11. Костогрыз Н.М., Мороженко А.В., Видьмаченко А.П. Учет высотного температурного профиля на формирование комбинационного рассеяния в атмосфере Юпитера // Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2004 „Горизонты Вселенной”, Москва (Россия), 3-10 июня 2004. - C. 85.

12. Kostogryz N.M. The manifestations of Raman scattering in the non-isothermic Neptune atmosphere // Abstracts 12th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space physics, Kyiv (Ukraine), 19-23 April 2005. - P. 73.

13. Kostogryz N.M. Raman Scattering in the non isothermal Uranus atmosphere // Abstracts JENAM-2005 „Distant Worlds”, Liege (Belgium), 4-8 July 2005.

14. Kostogryz N.M. The optical parameters of nonisothermal Uranus atmosphere using the data of intensities of Raman scattering details // Abstracts 35th International Student Scientific Conference “Space Physics”, Ekaterinburg (Russia), 30 January-3 February 2006. - P. 250.

15. Kostogryz N.M. The possible reason of the optical parameters changing in the Uranus's atmosphere // Abstracts International Astronomical Union “IAU XXVIth General Assembly”, Prague (Czech republic), 14-25 August 2006.- P. 253.

16. Kostogryz N.M. The possible reason of long-period variation of geometric albedo changing of Uranus // Abstracts 36th International Student Scientific Conference “Space Physics”, Ekaterinburg (Russia), 29 January-2 February 2007. - P. 237.

17. Kostogryz N.M. The reason study of geometric albedo variations of Uranus and Neptune // Abstracts 14th Open Young Scientists' Conf. on Astronomy and Space physics, Kyiv (Ukraine), 23-28 April 2006. - P. 44.

18. Kostogryz N.M., Morozhenko O.V. Comparison of Raman Scattering detail in non-isothermic atmospheres of Uranus and Neptune // Abstracts Memorial International conference ”Astronomy and Space Physics at Kyiv University”, Kyiv (Ukraine), 2005. - P. 98.

19. Kostogryz N., Morozhenko A., Vidmachenko A. The formation of Raman scattering in the Jupiter's atmosphere with taking into account the temperature profile // Abstracts 11th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space physics, Kyiv (Ukraine), 20-24 April 2004. - P. 43.

20. Гаррис Д.Л. Интегральная фотометрия и колориметрия планет и спутников // Планеты и спутники.- М.: Изд-во иностр. лит., 1963. - С. 241-305.

21. Дементьев М.С. Оценка относительного содержания аэрозоля и радиуса частиц в атмосфере Урана // Кинематика и физика небесных тел. - 1992. - Т.8, № 2. - С. 25-35.

22. Мороженко А.В. Комбинационное рассеяние в атмосферах планет-гигантов и оптические свойства атмосферного аэрозоля // Кинематика и физика небесных тел. - 1997. - Т.13, № 4. - С. 22-33.

23. Becker Von W. Der physische lichtwechsel der planeten Saturn und Uranus // Astron Nachr. - 1949. - Vol. 277, № 1. - P. 65-72.

24. Belton M.J.S., McElroy M.B., Price M.J. The atmosphere of Uranus // Astrophys. J. - 1971. - Vol. 164, № 1. - P. 191-209.

25. Hammel H.B., de Pater I., Gibbard S., et al. Uranus in 2003: Zonal winds, banded structure, and discrete features // Icarus. - 2005. - Vol. 175, № 2. - P. 534-545.

26. Hanel R., Conrath B., Flasar M., et al. Infrared observations of the Uranian system // Science. - 1986. - Vol. 233, № 4759. - P. 70-74.

27. Karkoschka E. Spectrophotometry of the Jovian planets and Titan at 300 to 1000 nm wavelength: The methane spectrum // Icarus. - 1994. - Vol. 111, № 3. - P. 967-982.

28. Karkoschka E. Clouds of High Contrast on Uranus // Science. - 1998. - Vol. 280. - P. 570-572.

29. Karkoschka E. Methane, Ammonia, and temperature Measurements of the Jovian Planets and Titan from CCD-Spectrophotometry // Icarus. - 1998. - Vol. 133. - P. 134-146.

30. Lindal G.F., Lyons J.R., Sweetman D.N., et al. The atmosphere of Uranus: Results of radio occultation measurements with Voyager 2 // J. Geophys. Res. - 1987. - Vol. A92, № 3. - P. 14987-15001.

31. Neff J.S., Humm D.C., Bergstralh J.T., et al. Absolute Spectrophotometry of Titan, Uranus, and Neptune: 350-1050 nm // Icarus. - 1984. - Vol. 60, № 2. - P. 221-235.

32. Rages K., Pollack J.B., Tomasko M.G., et al. Properties of scatterers in the troposphere and lower stratosphere of Uranus based on Voyager imaging data // Icarus. - 1991. - Vol. 89. - P. 359-376.

33. Pollack J.B., Rages K., Baines K.H., et al. Estimates of the bolorimetric albedos and radiation balance of Uranus and Neptune // Icarus. - 1986. - Vol. 65, № 2/3.- P. 442-466.

34. Smith B.A., Soderblom L.A., Beebe R., et al. Voyager 2 in the Uranian system - Imaging science results // Science. - 1986. - Vol. 233. - P. 43-64.

35. Sromovsky L.A., Fry P.M. Dynamics of cloud features on Uranus // Icarus. - 2005. - Vol. 179, № 2. - P. 459-484.

36. Zellner B., Seidelmann P.K., Pascu D., et al. Recovery of inner satellites of Uranus // Bull. Amer. Astron. Soc. - 1994. - Vol. 26. - P. 1163.

Размещено на Allbest.ru