Новое исследование, выполненное под руководством Танги Бертрана из Парижской обсерватории и основанное на данных, полученных с космического телескопа James Webb, зафиксировало наличие дымки в атмосфере Плутона. Предположение о существовании этого слоя взвешенных частиц было выдвинуто ранее, в 2017 году, для объяснения аномалии, зафиксированной зондом New Horizons: интенсивной утечки метана и других органических молекул в космос, часть которых оседает на спутнике Плутона — Хароне. С помощью высокочувствительного оборудования, работающего в среднем инфракрасном диапазоне, James Webb смог отчетливо выделить излучение, исходящее от Плутона и Харона, что окончательно подтвердило наличие дымки и её влияние на атмосферные процессы.
Атмосфера Плутона очень разряжена и в основном состоит из азота, с небольшим количеством метана, монооксида углерода и сложных углеводородов. Несмотря на крайне низкое атмосферное давление (всего 13 микробар), газ интенсивно покидает атмосферу из-за слабой гравитации карликовой планеты. Ультрафиолетовое излучение Солнца обеспечивает энергию, необходимую для удаления молекул газа, даже на таком большом расстоянии, вызывая фотодиссоциацию и локальный нагрев.
Дымка оказывает двойственное воздействие: она нагревает верхние слои атмосферы, поглощая ультрафиолетовое излучение, однако в то же время приводит к общему охлаждению, снижая количество энергии, задерживаемой атмосферой.
Эволюция дымки: процессы охлаждения и рассеивания атмосферы
Дымка, зафиксированная телескопом James Webb, представляет собой скопление твердых аэрозольных частиц, которые концентрируются в верхних слоях атмосферы Плутона. Наибольшая концентрация наблюдается в мезосфере на высоте от 20 до 40 километров над поверхностью. В этом районе температура снижается до -203 °C, при этом наблюдается градиент охлаждения в 0,2 °C на километр.
Аппарат New Horizons ранее зафиксировал энергетический дисбаланс, когда нагрев оказался больше ожидаемого. Объяснить это явление помогла обнаруженная дымка: она излучает тепловую энергию в среднем инфракрасном диапазоне, что компенсирует избыточный нагрев и восстанавливает радиационный баланс.
Дымка, помимо охлаждения, существенно влияет на потерю атмосферы. Частицы поглощают жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца и передают полученную энергию соседним молекулам, главным образом метану, что приводит к его высвобождению в окружающее пространство. По мнению исследователей, ежесекундно Плутон теряет приблизительно 1,3 килограмма метана. Около четверти этого газа удерживается Хароном, где он взаимодействует с ледяной поверхностью, формируя органические соединения, обуславливающие красноватую окраску полюсов спутника.
В Солнечной системе это – единственный задокументированный случай, когда атмосфера одного небесного объекта переходит на другой.
Влияние на климат Плутона и планетарная астрохимия
Дымка играет значительную роль в климатических процессах Плутона. Её совокупное воздействие, приводящее к нагреванию и охлаждению, влияет на атмосферную циркуляцию, сезонные колебания температуры, а также на циклы сублимации и конденсации метана, азота и монооксида углерода.
В основном эти газы скапливаются в леднике Sputnik Planitia, выполняющем функцию сезонного хранилища. Высокая эксцентриситет орбиты Плутона вызывает значительные колебания количества получаемой солнечной радиации в течение его года, занимающего приблизительно 248 земных лет. Таким образом, воздействие дымки может существенно меняться в зависимости от времени года.
Астрохимия делает акцент на сходствах с Титаном и ранней Землёй. Подобно тому, как на Плутоне, на Титане солнечный свет запускает фотохимические процессы, формирующие плотную дымку из углеводородов. На Земле, до возникновения свободного кислорода, могли происходить аналогичные явления. Исследование состава и развития атмосферной дымки Плутона способно предоставить ценные сведения не только о климате ледяных тел, расположенных во внешней Солнечной системе, но и о том, как менялась атмосфера нашей планеты в глубокой древности.