Космический телескоп James Webb подтвердил наличие дымки на Плутоне, которая способствует утечке метана
Недавнее исследование, основанное на наблюдениях космического телескопа James Webb и проведённое под руководством команды Танги Бертрана из Парижской обсерватории, подтвердило наличие дымки в атмосфере Плутона. Этот слой взвешенных частиц был впервые предположен в 2017 году для объяснения аномалии, обнаруженной зондом New Horizons двумя годами ранее: интенсивной утечки метана и других органических молекул в космическое пространство, часть которых оседает на спутнике Плутона — Хароне. Благодаря высокой чувствительности в среднем инфракрасном диапазоне James Webb смог чётко различить излучение, исходящее от Плутона и Харона, окончательно подтвердив существование дымки и её роль в атмосферных процессах.
Атмосфера Плутона крайне разрежена и состоит преимущественно из азота с небольшими примесями метана, монооксида углерода и сложных углеводородов. Несмотря на низкое атмосферное давление (всего 13 микробар), утечка газа весьма интенсивна из-за слабой гравитации карликовой планеты. Энергию, необходимую для "выталкивания" молекул из атмосферы, обеспечивает ультрафиолетовое излучение Солнца, которое даже на таком расстоянии способно вызывать процессы фотодиссоциации и локального нагрева.
Дымка играет двойную роль: она нагревает верхние слои атмосферы, поглощая ультрафиолет, но одновременно способствует общему охлаждению, уменьшая количество энергии, удерживаемой атмосферной системой.
Динамика дымки: охлаждение и утечка атмосферы
Дымка, обнаруженная James Webb, состоит из твёрдых аэрозольных частиц, сосредоточенных в верхних слоях атмосферы Плутона, особенно в мезосфере на высоте от 20 до 40 километров. В этом регионе температура опускается до -203 °C, с градиентом охлаждения 0,2 °C на километр.
Наблюдения New Horizons ранее выявили энергетический дисбаланс — нагрев оказался выше расчётного. Наличие дымки помогло разрешить эту загадку: её способность излучать тепловую энергию в среднем инфракрасном диапазоне компенсирует избыточный нагрев, восстанавливая радиационный баланс.
Кроме охлаждения, дымка играет ключевую роль в утечке атмосферы. Частицы поглощают жёсткий ультрафиолетовый свет Солнца и передают эту энергию окружающим молекулам, в первую очередь метану, который в результате выбрасывается в окружающее пространство. По оценкам учёных, Плутон теряет около 1,3 килограмма метана в секунду. Около 25% этого газа захватывается Хароном, где взаимодействует с ледяной поверхностью, образуя органические соединения, которые придают полюсам спутника красноватый оттенок.
Это единственный известный случай в Солнечной системе, когда атмосфера одного небесного тела напрямую рассеивается на другом.
Влияние на климат Плутона и планетарную астрохимию
Роль дымки имеет важные последствия для климатологии Плутона. Её комбинированный эффект нагрева и охлаждения регулирует атмосферную циркуляцию, сезонные температурные изменения, а также циклы сублимации и конденсации метана, азота и монооксида углерода.
Эти газы в основном накапливаются в леднике Sputnik Planitia, который служит сезонным резервуаром. Орбита Плутона обладает высокой эксцентричностью, что приводит к резким изменениям количества получаемой солнечной радиации в течение его года, который длится около 248 земных лет. Соответственно, влияние дымки может значительно варьироваться в зависимости от сезона.
С точки зрения астрохимии, особенно интересны параллели с Титаном и ранней Землёй. Как и на Плутоне, на Титане солнечный свет вызывает фотохимические реакции, приводящие к образованию плотной углеводородной дымки. На Земле до появления свободного кислорода могли существовать аналогичные явления. Изучение состава и эволюции дымки Плутона может дать важные подсказки не только для понимания климата ледяных тел внешней Солнечной системы, но и для реконструкции атмосферной эволюции нашей планеты в далёком прошлом.