Перiодичнi змiни параметрiв атмосфер Юпiтера i Сатурна

Саме в цих довжинах хвиль варiацiї прозоростi земної атмосфери вже не так сильно змiнюють сигнал вiд планет (як це є в ультрафiолетi в 316 нм), свiтловий потiк вiд планет стає значним для надiйної його реєстрацiї при електрофотометрiї з пiдрахунком фотонiв i за час бiля двох годин пiдйом повiтряних мас з швидкiстю wо = 30 cм/c, приводить до збiльшення альбедо в довжинi хвилi 400 нм, на величину до 0.001 при середньому значеннi 0.200 для екваторiальної областi Сатурна. Як показує наш досвiд багаторiчних спектроелектрофотометричних вимiрiв на горi Майданак, приведенi вище величини змiн вiдбивної здатностi атмосфер планет-гiгантiв є цiлком доступними для їх реєстрацiї при спостереженнях планетних атмосфер з пiдрахунком фотонiв у зазначеному дiапазонi спектра.

В зв'язку з викладеним вище, ми припускаємо, що процес коливань хмаротворчої дiяльностi є добрий засiб для реєстрацiї рiзноманiтних коливальних процесiв оптичних характеристик в атмосферах планет при їх дистанцiйних спостереженнях. Для спостережного вiдкриття таких варiацiй ми виконали спецiальний комплекс спостережної програми i розробили вiдповiдне прорамне забезпечення для виявлення перiодичних складових у фотометричних рядах астрономiчних даних. Поскiльки величина вертикальної швидкостi перемiщення повiтряних мас в атмосферi Юпiтера є визначальною при вивченнi коливальних процесiв у хмаротворчiй дiяльностi на планетi, ми оцiнили її розглянувши рiвнянння неперервностi атмосфери в безрозмiрному нормовано критерiальному виглядi;це дозволило виразити характернi масштаби шуканих величин аналiтично через унiверсальнi параметри подiбностi Голiцина. Сумiщення способу критерiальних рiвнянь і способу обезрозмiрювання нормуванням та використання наближення "нестискуваностi" газу дозволило нам отримати, що вертикальнi швидкостi в атмосферах планет в середньому в стiльки раз меншi горизонтальних (U), в скiльки раз добуток швидкостi звука на лiнiйну швидкiсть обертання планети - менший вiд квадрата першої космiчної швидкостi. Значення вертикальної швидкостi перемiщення повiтряних мас в атмосферi Юпiтера, вирахуване при значеннях U = 25 - 150 м/с, складає wо = 10 - 50 cм/с, що є цiлком задовiльним для можливостi реєстрацiї коливань хмаротворчої дiяльностi по запропонованому нами вище способу.

З метою виявити перiодичнi складовi в рядах даних нами була застосована методика обчислення значень перiодiв по параметричному методу максимальної ентропiї, який широко використовувався в ГАО НАН України у вiддiлi космiчної геодинамiки при вивченнi вiльної квазiдобової нутацiї i iнших перiодичних складових обертання Землi. Для вiдпрацювання комплексу програм i адаптацiї нашого програмного забезпечення для виявлення можливих перiодичних складових у фотометричних рядах даних при астрономiчних спостереженнях, ми виконали значну роботу по визначенню значень перiодiв у змiнi блиску комет та інших астрономічних об'єктів з допомогою нашої програми.

Земна атмосфера є головним джерелом рiзноманiтних шумiв при спробах реєстрацiї власних коливань блиску небесних об'єктiв iз астрономiчних спостережень на наземних обсерваторiях. Для врахування осциляцiй, що викликаються атмосферою Землi, нами була поставлена i виконана програма спецiальних спостережень по патрулюванню за прозорiстю земної атмосфери в експедицiї на горi Майданак (висота 2750 м.).

Спостереження проводилися з допомогою спектрополяриметра, встановленого на 60 см., телескопi фiрми Карл Цейсс (Йєна). В двох незалежних каналах (свiтло вiд зiрки роздiлялось напiвпрозорим дзеркалом) проводилося паралельне фотометрування в стандартному фiльтрi "В" i в дiлянцi спектра, центрованiй на довжину хвилi 555 нм. Час накопичування в обох каналах був однаковим, але дещо варiювався в рiзнi ночi: вiд 20 секунд до 1 хвилини. Результуюча статистична точнiсть накопиченого сигналу складала 0.0003. В якостi дослiджуваного об'єкта вибрана Полярна зiрка, розташування якої на небосхилi залишається практично незмiнним на протязi всього часу спостережень: декiлька ночей в жовтнi 1990, в березнi, в квiтнi i в липнi 1991 року по 6-8 годин безперервного патрулювання зiрки. Спектральний аналiз отриманих нами результатiв з достовiрнiстю краще 90% показав наявнiсть осциляцiй прозоростi атмосфери з перiодами 2.5, 3.6, 5.2, 8.9, 11.2, 16.5, 20.6, 48.0 i 107 хвилин. Сумарний спектр осциляцiй блиску варiює день вiд дня. Найстабiльнiшi перiоди 3.6 i 20.6 хвилин з амплiтудами, вiдповiдно, 0.0008-0.004m i 0.003-0.007m в рiзнi днi. Існування перiодiв 48 i 107 хвилин в чималiй мiрi залежить вiд наявностi чи вiдсутностi вiтру в приземному шарi. Тобто, спостереження Полярної зiрки дозволили нам зареєструвати змiни прозоростi земної атмосфери з перiодами близькими до перiодiв внутрiшнiх гравiтацiйних хвиль атмосфери Землi. Одержанi результати мали, також, дуже важливе значення для їх врахування при проведеннi роботи по визначенню значень перiодiв коливань оптичних характеристик атмосфер Юпiтера i Сатурна.

Із одержаних абсолютних спостережень екваторiальної областi Сатурна в перiоди 1977-1984 i 1986-1987 рр., найщiльнiшi ряди вимiрiв планети і двох зiрок порiвняння в кожну з ночей були отриманi в сiчнi-лютому 1979р. Паралельно з нами аналогiчну роботу по абсолютiй електрофотометрiї зональних морфологiчних деталей Юпiтера виконував В.М. Клименко, який люб'язно надав в наше розпорядження точнi моменти вимiрiв Пiвнiчної тропiчної зони в зазначений час. На першому етапi пiдготовки спостережних фотометричних рядiв до обробки ми врахували фазову залежнiсть по методицi, представленiй в роботі. Пiсля цього, використовуючи вирахуванi нами середнi за нiч значення спектральних коефiцiентiв прозоростi, всi iндивiдуальнi вiдлiки вiд планет i зiрок були приведенi до одиничної повiтряної маси M=1. Таким чином були пiдготовленi чотири основнi множини: {Ic},{I*1},{I*2} а також множини {Iю}, якi в подальшому ми аналiзували як кожен окремо, так i складаючи вiдповiднi вiдношення {In/Im}. Для виявлення можливих перiодичностей в одержаних рядах нами були використанi декiлька методик дослiджень.

Задаючи перiод Tk i початкову епоху, вираховувалися змiннi фази для кожної окремо взятої спостережної точки. Пiсля цього весь перiод Tk зi своїми фазами вiд нуля до одиницi ми розбили на 32 рiвнi частини i вираховували середнє значення для кожного ряду, пiсля чого розподiляли всi величин {Ik} по цим 32 фазовим iнтервалам обраного перiоду. По усереденим в кожному iнтервалi значенням проводилася середня крива i на наступному кроцi вираховувалися середньоквадратичнi вiдхилення вiд середньої кривої для всих вимiрiв i для кожного iз 32 iнтервалiв. Далi проводилася мiнiмiзацiя результуючої кривої до монохроматичної синусоїди з таким же перiодом Tk та деякою амплiтудою А0.

Крiм того, для вiдпрацювання методики роздiлення осциляцiй, викликаних змiною прозоростi атмосфери Землi i коливаннями блиска небесного об'єкта, а також для виявлення власних коливань атмосфер планет-гiгантiв, ми застосовували спектральний аналiз по ММЕ до цих же рядiв даних. На першому етапi процедура спектрального математичного аналiзу по ММЕ застосовувалася нами до найдовших рядiв даних, одержаних в ночi 19/20.01 i 31.01/01.02.79. Пiсля попередньої оцiнки значень перiодiв перевiрялося збереження фаз для кожного iз видiлених коливань. Враховуючи фази всiх основних перiодiв i використовуючи спосiб "зшивання", для кожного iз дослiджуваного в даний момент перiодичного процесу проводилася процедура зшивання рядiв даних за весь дослiджуваний перiод. До знов одержаних iндивiдуальних рядiв (фотометрiя Юпiтера, Сатурна, двох зiрок) i до рядiв складених iз їх вiдношень (планета/зiрка, планета/планета, зiрка/зiрка) знову застосовувалася описана вище обчислювальна процедура спектрального аналiзу ММЕ. В результатi використання двох вищеописаних процедур, ми отримали з достовiрнiстю краще 90% набiр перiодiв рiзної тривалостi. Перiоди Т = 105 * 1.8, 130 * 2.4, 207 * 5.7 хвилин проявляються тiльки у всiх iндивiдуальних рядах даних, але вiдсутнi в рядах, складених iз їх вiдношень, де вiдбувається їх взаємна компенсацiя. Це може говорити про те, що природа таких перiодичностей закладена в змiнi прозоростi земної атмосфери. Перiоди Т = 137 * 2.6, 179 * 3.6 хвилин характернi тiльки для Сатурна, а перiоди Т = 103 * 1.8, 142 * 2.9 хвилини - тiльки для Юпiтера.

З великою iмовiрнiстю їх можна вiднести до власних коливань атмосфер цих планет, оскiльки висока енергетика атмосфер планет-гiгантiв повинна приводити до породження власних осциляцiй. Тим бiльше, що одержанi нами значення перiодiв практично спiвпадають iз теоретично вирахуваними величинами перших двох гармонiк власних коливань Юпiтера i Сатурна. Амплiтуди коливань блиску планет-гiгантiв на довжинi хвилi 407 нм, знаходяться в межах 0.0008 - 0.004.

Таким чином, iз аналiзу спостережних рядiв даних по електрофотометрiї Юпiтера i Сатурна, двома незалежними методиками, з вiрогiднiстю краще 90% нами виявленi коливання блиску окремих дiлянок диску Юпiтера i Сатурна, що по величинi спiвпадають iз значеннями власних коливань їх атмосфер. Цей факт повинен мати величезне значення для становлення i розвитку сейсмологiї атмосфер планет-гiгантов.

У заключній частині зроблено висновки та намічено першочергові завдання для подальших досліджень атмосфер планет-гігантів.

ВИСНОВКИ

В Дисертацiї iз аналiзу спостережних даних, одержаних нами в перiод iз 1977 по 1995 рр., i численних спостережних даних, отриманих iншими дослiдниками атмосфер Юпiтера і Сатурна, проведено ретельне дослiдження по вивченню вiдображення рiзноманiтних перiодичних вимушуючих сил в їх атмосферах. Це дозволило виявити сезоннi варiацiї оптичних, кiнематичних i т. п., характеристик атмосфер цих планет-гiгантiв i довести, що саме сезонна змiна опромiнення планет Сонцем є вiдповiдальною за деякi iз спостережуваних варiацiй. Із аналiзу багаторiчних спостережних даних про змiну iнтегрального блиску Юпiтера у видимому свiтлi виявлено прояв 22.3-рiчного Хейловського магнiтного циклу Сонячної активностi та iснування вiкових змiн абсолютної зоряної величини Юпiтера.

Дослiдження показали також, що впроваджене нами вiдношення яскравостей Пiвнiчної і Пiвденної Тропiчних зон:

Aj = BNTrZ / BSTrZ

Є хорошим iндексом активностi атмосферних процесiв на Юпiтерi. Одержана наявнiсть циклiчностi в довгоперiодичних коливаннях Aj пiвкуль планети з перiодом 11.86 рокiв довела iснування сезонної перебудови в атмосферi Юпiтера.

Показано, що варiацiї вiдбивної здатностi хмарового шару Сатурна в ультрафiолетi i в смугах поглинання метаном можна пояснити наявнiстю сезонних змiн, викликаних нахилом осi обертання планети до еклiптики, а отже, варiацiями опромiнення планети Сонцем, що, в свою чергу, привели до змiни оптичних i фiзичних параметрiв атмосфери Сатурна на рiзних широтах. Проведенi нами обчислення для моментiв рiвнодень 1966 i 1980 рр., в рамках двошарової моделi атмосфери Сатурна показали, що широтнi пояси планети, якi щойно вийшли iз тiнi кiлець, вiдрiзняються вiд iнших поясiв значеннями розсiюючої складової оптичної товщини надхмарового газового шару, об'ємною концентрацiєю хмарового аерозоля i величиною уявної частини показника заломлення хмарових часток ni. Там, де тривалий час була зима (в пiвденнiй пiвкулi до 1966 р., i в пiвнiчнiй до 1980 р.), хмаровий шар є бiльш разрiдженим i його верхня границя знаходиться вище, нiж у пiвкулi, що "пережила" до цього лiтнiй сезон. Тi екваторiальнi областi Сатурна, що тривалий час були закритi кiльцями, вiдчуваючи дефiцит притоку в атмосферу сонячної радiацiї, вiдрiзняються вiд iнших широтних поясiв пiдвищеною кiлькiстю сильно поглинаючої кольорової домiшки.

В цьому дослiдженнi нами показано, що спостереження видимої поверхнi хмарового шару планети дозволяють дистанцiйно вивчати процеси у внутрiшнiх шарах глибоких атмосфер планет-гiгантiв, дослiджувати їх внутрiшню будову.

При цьому, iнерцiйнi приграничнi шари коло будь-якого стрибка густини в атмосферi планети можуть збуджувати iнерцiйнi моди в атмосферi. Показана принципова можливiсть утворення в атмосферах планет-гiгантiв iнерцiйних хвиль довжиною порядку радiуса Россбi.

Автором запропонована i обґрунтована iдея, що перша нестiйкiсть типу вихорiв Тейлора, що проявляється в тонкошаровiй сферичнiй течiї Куетта, є вiдповiдальною за спостережувану зональну структуру на Юпiтерi. Наслiдком цього стало визначення глибини газової атмосфери планети (h = 16270 км) i значення ефективного коефiцiенту кiнематичної в'язкостi для крупномасштабного перемiшування атмосфери Юпiтера.

На пiдставi гiдродинамiчного дослiдження розповсюдження хвильового збурення в обертовiй рiдинi показано, що свiтлi антициклонiчнi вихорi на широтах +47^о i -41^о становлять зовнiшнiй прояв квазiперiодичних збурень, що генеруються в iнерцiйному приграничному шарi Юпiтера в екваторiальнiй областi на рiвнi в атмосферi R = 0.765.

Знайденi межi допустимих значень перiодiв цих хвильових збурень:

Td = (50 - 150) * Tю

- для атмосфери Юпiтера.

Виконанi оцiнки товщини iнерцiйного приграничного шару, в якому збуджуються iнерцiнi коливання в атмосферi Юпiтера, що дозволило незалежним способом визначити значення ефективного коефiцiєнту кiнематичної в'язкостi його атмосфери K = (0.6 - 5.7) * 1011, що характеризує крупномасштабне перемiшування.

В зв'язку з тим, що знайдена нами величина вертикальної швидкостi wo = (10 - 50), що є iндикатором процесiв утворення i розпаду хмарових шарiв на планетi (вiдбувається змiна альбедо хмар планети з перiодами, якi спiвпадаюь iз значеннями, з якими вiдбувається змiна вертикальної швидкостi), - ми запропонували i обґрунтували iдею, що такий процес коливань хмаротворчої дiяльностi може бути спостережним способом для реєстрацiї рiзноманiтних коливальних процесiв в атмосферах планет при наявностi перiодичної змiни в швидкостi вертикального перемiщення повiтряних мас через iснування радiальних осциляцiй (власних коливань) планетних атмосфер. атмосфера планета зоряний

Для спостережного вiдкриття варiацiй блиску атмосфер Юпiтера i Сатурна автором була розроблена спецiальна методика спостережень, яка дозволила роздiлити осциляцiї прозоростi атмосфери Землi i коливання блиску вiд небесних об'єктiв, обґрунтовано вибiр вiдповiдних спектральних дiапазонiв для реєстрацiї власних коливань, проведенi необхiднi спостереження, створено i старанно дослiджено на численних прикладах необхiдне програмне забезпечення. Математичний спектральний та перiодогрмний аналiз спостережних рядiв даних по електрофотометрiї дiлянок дискiв Юпiтера і Сатурна дозволив нам з достовiрнiстю краще 90% виявити значення перiодiв T буде 103, 137, 142 i 179 хвилин, якi спiвпадають з величинами перiодiв власних коливань атмосфер Юпiтера i Сатурна. Із викладеного вище слiдує висновок про те, що дослiдження варiацiй оптичних, фiзичних, кiнематичних та iн. характеристик планетних атмосфер шляхом вивчення їх вiдбивних, поглинальних i випромiнювальних властивостей представляє собою дуже важливий i перспективний напрямок в планетологiї.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Видьмаченко А.П. Отражательная способность южной экваториальной области Сатурна в 1977-1981 гг. // Астрон. вестник. - 1984. - Т. 12, №3. - С. 191-198.

2. Видьмаченко А.П. Электрофотометрия Сатурна. II.Спектра-льное распределение яркости вдоль центрального меридиана // Астрометрия и астрофизика. - 1984. - №51. - С. 56-62.

3. Видьмаченко А.П., Стеклов А.Ф., Миняйло Н.Ф. О возможном периоде активности на Юпитере. Сезоны. // Письма в астрон. журнал. - 1984. - Т. 10, №9. - С. 691-695.

4. Видьмаченко А.П. Об активности процессов в атмосфере Юпитера // Кинематика и физика неб. тел. - 1985. - Т. 1, №5. - С. 91.

5. Видьмаченко А.П. О возможном влиянии колец на фотометрические свойства облачного слоя Сатурна // Кинематика и физика неб. тел. - 1985. - Т. 1, №6. - С. 12-15.

6. Видьмаченко А.П. Некоторые динамические параметры атмосферы Юпитера // Кинематика и физика небесных тел. - 1986. - Т. 2, №1. С. 48-51.

7. Видьмаченко А.П., Селайя Х.А. Фотометрия и спектральные наблюдения Сверхновой 1987 // Кинематика и физ. неб. тел. - 1988. - Т. 3, №3. - С. 89-91.

8. Видьмаченко А.П. Наблюдения Сверхновой в Большом Магеллановом облаке // Кинематика и физ. неб. тел. - 1987. - Т. 3, №5. - С. 84-85.

9. Видьмаченко А.П. Проявление сезонных изменений в атмосфере Сатурна. // Кинематика и физика неб. тел. - 1987. - Т. 3, №6. - С. 10-12.

10. Видьмаченко А.П. Наблюдаемые проявления внутренних волновых процессов в атмосфере Юпитера // Кинематика и физика неб. тел. - 1988. - Т. 3, №4. - С. 40-46.

11. Видьмаченко А.П., Гнедин Ю.Н., Ларионов В.М., Ларионова Л.В. Поляриметрия серхновой 1987: наблюдения и интерпретация // Письма в астрон. журнал. - 1988. - Т. 14, №5. - С. 387-395.

12. Видьмаченко А.П., Архаров А.А., Гнедин Ю.Н. Четырехцветная фотометрия сверхновой 1987 на стадии падения ее блеска // Письма в астрон. журнал. - 1988. - Т. 14, №8. - С. 692-694.

13. Gnedin Yu., Naumov V., Vidmatchenko A.P., Larionov V. Astrometry, photometry and spectropolarimetry of SN1987A // Adv. and Space Res. - 1988. - V. 8, №2-3. - P. 691-694.

Размещено на Allbest.ru