|
Cеверо-южная асимметрия поляризованного Юпитером света и её
вариации
Стародубцева О. М.,
Акимов Л. А., Корохин В. В., Горюнова О. С., Шалыгин Е. В., Великодский Ю. И.
СОДЕРЖАНИЕ:
Исследование
природы вариационной кривой
ПРЕДЛАГАЕМЫЕ
ГИПОТЕЗЫ
Инсоляционная
гипотеза
Магнитосферная
гипотеза
РЕЗЮМЕ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
В Харьковской
Астрономической обсерватории с 1981 г. систематически проводятся
поляриметрические наблюдения Юпитера при орбитальных углах фазы,
близких к нулю. В результате этих наблюдений была обнаружена северо-южная
асимметрия степени линейной поляризации и её сезонные
и долготные вариации.
Северо-южная
асимметрия степени линейной поляризации - это разность значений
степени поляризации для севера и юга на планетоцентрических широтах
+/-60° (далее
будем называть эту разницу просто асимметрией).
Что касается
Юпитера, то поляризационные данные чувствительны к аэрозолям, расположенным
в слоях с давлением 50-500 миллибар. Данные наблюдений и модельных
расчетов в разных спектральных областях свидетельствуют о том, что
в стратосфере Юпитера в слоях с давлением от нескольких миллибар
до нескольких десятков миллибар находится аэрозольная дымка со значительно
большей ее концентрацией в высокоширотных областях (широты больше
40°-50°) [4,5,6,7,9].
Асимметрия
степени линейной поляризации для отраженного Юпитером света характерна
для разных длин волн. Данная работа посвящена исследованию асимметрии
в синих лучах спектра (эффективная длина волны leff
= 456 нм), так как в коротковолновой части спектра
изучаемый эффект наиболее выражен [2,3].
На рис.1
показан типичный разрез для степени линейной поляризации вдоль центрального
меридиана в синей области спектра и хорошо видна асимметрия поляризации.
Рис.
1 Зависимость степени линейной поляризации от планетоцентрической
широты вдоль центрального меридиана (leff
= 456 нм, 1998 г)
НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ
ДАННЫЕ И ИХ ОБРАБОТКА
Поляриметрические
наблюдения планеты проводились с 1981 по 2004 гг. Фотографии в 1981
и спектрограммы в 1985 и 1986 гг. были получены с использованием
кристалла исландского шпата. Поляриметр на базе ПЗС-линейки был
использован в 1989 - 1997 гг. В 1998, 2000, 2001, 2003, 2004 г.
для набюдений использовался фотополяриметр на базе ПЗС-матрицы.
Электрополяриметр с кристаллом исландского шпата был использован
в 1999 г.
Данные 1998,
2000, 2001. 2003 гг. обрабатывались с использованием нового
алгоритма обработки, реализованного в програмном
комплексе IRIS [1]. При обработке данных 2001
г.была разработана методика, которая позволяет использовать информацию
не с узкой полоски вблизи центрального меридиана (как это было ранее),
а с области, отстоящей от него по долготе. Таким образом была повышена
точность вычисления усредненной северо-южной асимметрии.Данные 2004
г. находятся в процессе обработки.
СЕЗОННЫЕ
ВАРИАЦИИ АСИММЕТРИИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Наши поляриметрические
наблюдения обнаружили сезонные вариации северо-южной асимметрии
степени линейной поляризации на высоких широтах. Разница степени
линейной поляризации в южных и симметричных им относительно видимого
диска северных широтах меняла значение и знак на протяжении всего
периода наблюдений.
Данные асимметрии
степени линейной поляризации довольно хорошо организованы, если
их изобразить в зависимости от планетоцентрической орбитальной долготы
Солнца. На рис.2 представлена зависимость степени линейной
поляризации от планетоцентрической орбитальной долготы Солнца.
Рис.
2 Зависимость величины асимметрии степени поляризации (красная
линия) и отношения интенсивностей излучения на севере и на юге (чёрная
линия) от планетоцентрической орбитальной долготы Солнца
Мы выдвигаем
идею о возможной связи между вариациями в поляризации и вариациями
инсоляции, которая поддерживается наличием некоторой корреляции
между изменениями в инсоляции и наблюденной интенсивностью, которая
демонстрируется в нижней части рис.2. Сезонные изменения
разницы степени линейной поляризации аппроксимируются синусоидальной
функцией двойной планетоцентрической долготы Солнца 2LS (красная
линия на рис.2). Тогда как сезонные изменения отношения измеренных
интенсивностей, так же как и изменение инсоляции, аппроксимируются
синусоидальной функцией LS (чёрная линия на рис.2). Таким
образом, можно сказать, что имеется некоторая функциональная связь
между сезонной N-S асимметрией в солнечном излучении, падающем на
атмосферу Юпитера, и сезонными вариациями в N-S асимметрии поляризованного
излучения. Рис.2 с большой вероятностью свидетельствует о
том, что северо-южная асимметрия поляризованного излучения подвергается
сезонным вариациям, причем положительные максимумы приходятся на
разгар весны и осени, а отрицательные максимумы приходят на разгар
лета и зимы.
Исследование
природы вариационной кривой
Мы провели
анализ достоверности использования в качестве апроксимационной кривой
(красная линия на рис.2) двойной синусоидальной функции и
подобрали такие её параметры при помощи метода минимизации среднеквадратичного
отклонения:
Y = 1.23 * sin (2 * (Ls + 1.93 ) ) + 0.42.Для
проверки достоверности полученной функции мы рассмотрели три возможных
вида зависимости для асимметриии степени поляризации: линейную от
времени, синусоидальную от времени (рис.3) и синусоидальную
от планетоцентрической орбитальной долготы Солнца (рис.3).
Рис.
3 Зависимость асимметрии степени линейной поляризации от времени
наблюдения. Точки - усреднённые значения асимметрии, кривая - аппроксимация
данных синусоидальной функцией
С помощью
F-критерия было получено два результата:
1. Аппроксимация синусоидой от удвоенной долготы сравнительно с
аппроксимацией прямой от времени общего вида (a * t + b) даёт
уменьшение дисперсии с достоверной вероятностью 0.98. Таким образом,
можно утверждать, что периодичность существует.
2. Аппроксимация синусоидой от удвоенной долготы (рис. 2)
сравнительно с аппроксимацией синусоидой от времени (рис.3)
с подбираемым периодом, даёт уменьшение дисперсии с достоверной
вероятностью 0.68.
Т.е. с вероятностью 0.68 можно утверждать, что мы имеем дело с зависимостью
асимметриии именно от долготы, а не от времени и можно уверенно
говорить об удвоенной частоте колебаний.
ДОЛГОТНЫЕ
ВАРИАЦИИ
ПОЛЯРИЗАЦИИ
Существует
еще одна особенность полярных областей Юпитера – долготные вариации,
связанные, по-видимому, прямо или косвенно [8]
с ориентацией магнитного поля. Если представить наблюдённые
данные в зависимости от долготы центрального меридиана на момент
регистрации, то степень поляризации оказывается более-менее модулируемой
в любой системе координат. Однако, нами было замечено, что при сравнении
наблюдений разных лет между собою и с модельными расчетами, долготные
вариации не проявляют какой-либо регулярности, если данные представляются
в I и II системах вращения Юпитера. Если же перейти в и IV системы
вращения, то можно выделить группы лет, в которые долготные вариации
систематизированы. На рис.4 хорошо видно согласованность
распределения степени поляризации по долготам в системе III (наши
данные) и напряжённости магнитного поля (данные работы [15]).
Рис.
4 Вверху: cтепень поляризации как функция долготы центрального
меридиана в системе III отдельно для планетоцентрических широт +73.4
(N) и -69.1 (S). Каждая точка есть усреднённое значение по интервалу
из 40 долгот с шагом 20. Внизу: Вариации поверхностной напряженности
магнитного поля для тех же широт
Так как III
и IV системы долгот связаны с периодичностями магнитосферы Юпитера,
организованность долготных вариаций в этих системах вероятно свидетельствует
о влиянии магнитосферы на образование стратосферного аэрозоля в
полярных областях планеты.
ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ГИПОТЕЗЫ
Инсоляционная
гипотеза
Одна из предлагаемых
нами гипотез, объясняющих изменение характера асимметрии, связана
с наличием корреляции изменений в величине асимметрии с вариациями
инсоляции. Сезонные вариации в процессах в верхней атмосфере могут
быть ожидаемы, поскольку время лучистой релаксации в верхних слоях
атмосферы сравнимо с орбитальным периодом и сезонное влияние может
привести к ощутимому лучистому отклику в атмосфере Юпитера. В отличие
от Земли, Юпитер имеет маленький угол наклона оси вращения (приблизительно
3°), но орбитальный эксцентриситет (0.05) вызывает 20%-ные вариации
в величине потока солнечного излучения из-за изменений в расстоянии
от Солнца. Кроме того, перигелий и максимум склонения Солнца почти
совпадают по времени для северного полушария. Это приводит к ощутимым
сезонным вариациям в солнечной инсоляции и к её северо-южной асимметрии.
Вследствие этого возможны сезонные вариации в температуре, чему
есть теоретические и наблюдательные подтверждения . Авторы работы
[16] проводят оценку соответствующих ихним рассчётам
вариаций инсоляции как +/-3 К на северных высоких широтах и +/-1
на южных. Конвективно-лучевые модели, в которых инсоляция зависит
от времени, показали наличие выявляемых вариаций температуры в верхней
атмосфере, которые характеризуются максимумами и минимумами, имеющими
место приблизительно через три года после минимумов и максимумов
инсоляции, а также северо-южную асимметрию температуры для высоких
широт. Максимальные температурные разницы в противоположных полушариях
на широте 60° в стратосфере равны 2.5°К [17].
Наблюдения выявляют северо-южную асимметрию температуры. Измерения
на 7.8 мкм, чувствительных к температурам в верхней стратосфере,
показывают, что температуры были почти равны в 1982 г., причем север
был теплее в предыдущие годы, а юг в последующие [18,
19]. Если более высокая температура способствует
активности процессов образования стратосферного аэрозоля и тем самым
большей степени поляризации, то данные исследований Юпитера приблизительно
отвечают таким колебаниям температуры . Если говорить о связи солнечной
инсоляции и сезонных вариаций отраженного Юпитером излучения, то
возникает ряд сложностей при описании конкретного сценария возникновения
связи такого рода по следующим причинам.
Во-первых,
состав и механизм образования стратосферной дымки определенно не
известны. Механизмы, лежащие в основе формирования дымки, могут
быть такие [9]: 1) температуры низки
вблизи тропопаузы и нижней стратосферы полярных областей по сравнению
с эквивалентными экваториальными областями. Эти низкие температуры
могут приводить в действие конденсацию тяжелых углеводородов; 2)
находящиеся в изобилии углеводороды (количество атомов C более 5
или 6) могут быть произведены выпадением энергичных частиц на уровнях
микробар. Полоса C6H6 экспериментально идентифицирована в далекой
инфракрасной области спектра. Спектр был получен инфракрасным интерферометрическим
спектрометром, установленным на Voyager [10].
Такая химия должна бы отличаться от химии нижних широт. Исследователи
в работе [11] предположили, что полярная дымка
в стратосфере Юпитера может создаваться врезультате бомбардировки
энергичными частицами. Однако не совсем понятно, как осадки, формирующие
дымку на большой высоте (уровни микробар), на низкой высоте (уровни
5-mbar) прекращают осаждение и равномерно распределяются полностью
в полярных областях. В случае модели оптически тонкой дымки [9]
полярная дымка расположена главным образом между уровнями с давлениями
70 и 5 mbar. Для модели непрозрачной дымки наивысшая граница дымки
должна встречаться на уровне с давлением около 15-mbar.
Во-вторых,
причина самой асимметрии, а именно ее постоянной составляющей, не
известна. Сезонная северо-южная асимметрия в солнечном излучении,
падающем на атмосферу Юпитера, проявляется в факте наличия различных
амплитуд вариаций для северного и южного полушарий. Для того, чтобы
объяснить сезонные вариации северо-южной асимметрии поляризованного
излучения Юпитера, необходимо понять причину самой асимметрии. Необходимо
определиться с составом и механизмом образования самой стратосферной
дымки. Предположительно, это или продукты конденсации (в нижней
стратосфере) частиц, которые потом поднимаются в более высокую стратосферу,
или тяжелые углеводные, которые образуются в верхней стратосфере,
при этом источником энергии для их образования является осаждение
энергичных (авроральных) частиц.
Можно представить
вероятную цепочкуобразования асимметрии поляризации: сезонные колебания:
инсоляции – температуры – активности образования стратосферного
аэрозоля – поляризованного излучения – северо-южной асимметрии поляризованного
излучения. Возможно, на сезонные вариации асимметрии влияе конфигурация
межпланетного магнитного поля. Данный вопрос – предмет дальнейших
исследований.
Магнитосферная
гипотеза
Наблюдаемое
увеличение инфракрасной яркости в полярных областях на длине волны
7.8 мкм кореллирует с координатами магнитных полюсов[12].
Если наблюдаемая на 7.8 мкм эмиссия имеет авроральную природу и
вызвана воздействием на верхнюю атмосферу заряженных частиц, высыпающихся
из магнитосферы, такая корреляция представляется вполне естественной.
Некоторые указания на подобную корреляцию дали поляриметрические
наблюдения: экстремумы степени поляризации полярных областей совпадают
с долготами северного и южного магнитных полюсов. Любопытно, что
по изображениям, полученным Р. Уэстом [13], северная
яркая полярная шапка, видимая в полосах поглощения метана, расположена
несколько асимметрично по отношению к полюсу вращения Юпитера, т.е.
аэрозоль в верхней атмосфере распределен по долготе и широте неравномерно.
Наблюдения, полученные Voyager-2 в ультрафиолетовой области спектра
при помощи PPS (Photopolarimeter Subsystem), были использованы для
поиска широтного распределения пылевой дымки на Юпитере. Оказалось,
что существует географическая корреляция между энергетическими зонами
Юпитера и ультрафиолетовыми полярными областями: северо-южная асимметрия
для высоких широт, обнаруживаемая для полярной дымки Юпитера, коррелирует
с северо-южной асимметрией на границах энергетического тора. Обе
пылевые зоны на Юпитере включают соответствующие им энергетические
зоны, как и ожидалось бы, если бы энергетическая зона являлась источником
для дымки. Обе северные зоны больше, чем соответствующие им южные
зоны[14]. Как видим, весьма вероятно, что источником
энергии для формирования стратосферного аэрозоля на высоких широтах
является энергия энергичных частиц, которые высыпаются из магнитосферы
в атмосферу Юпитера.
РЕЗЮМЕ
1.
На основе 23-х лет поляриметрических наблюдений Юпитера была обнаружена
северо-южная асимметрия степени линейной поляризации и её сезонные
и долготные вариации.
2.Проведено
исследование, подтверждающее достоверность вариационной
кривой зависимости асимметрии поляризации от планетоцентрической
орбитальной долготы солнца.
3.
Предложены гипотезы: 1) о влиянии вариаций инсоляции
или/и межпланетного магнитного поля на сезонные
вариации асимметрии; 2) о влиянии магнитного поля Юпитера на
долготные вариации асимметрии
ЛИТЕРАТУРА
1. Корохин
В.В., Белецкий С.А., Великодский Ю.И., Коничек В.В., Синельников
И.Е. Опыт применения ПЗС фотоприемников на астрономической
обсерватории ХНУ // Кинематика и физика небесных тел.- 2000. - т.16,
№ 1. - c.80-86.
2. O. M.
Starodubtseva, L. A. Akimov and V. V. Korokhin Seasonal Variations
in the North-South Asymmetry of Polarized Light of Jupiter // Icarus.-
2002.- 157.- p. 419-425.
3. O. M.
Starodubtseva, L. A. Akimov, V. V. Korokhin, and V. G. Tejfel Longitudinal
variations of the linear polarization in Jupiter's polar regions
at the System III and IV periods // In Lunar and Planetary Science
Conf. XXV, March 14-18, pp.1331-1332. Houston, Texas, U.S.A. (1994).
4. West
R.A., Tomasko M.G. Spatially resolved methane band photometry
of Jupiter. III. Cloud vertical structures for several axisymmetrical
bands and the Great Red Spot // Icarus. -1980. -v.41. - p.278-292.
5. Hord
C.W., West R.A., Simmons K.E., Coffen D.L., Sato M., Lane A.L.,
Bergstralh J.F. Photometric observations of Jupiter at 2400
Angstroms // Science. -1979. -v.206. - p.956-959.
6.West
R.A. Voyager 2 imaging eclipse observations of the Jovian
high altitude haze // Icarus. -1988. - v.75. - p.381-398.
7.Smith
P.H., Tomasko M.G. Photometry and polarimetry of Jupiter
at large phase angles. II. Polarimetry of the South Tropical Zone,
South Equatorial Belt, and the Polar regions from the Pioneer 10
and 11 missions // Icarus. -1984. - v.58. - p.35-73.
8.Тейфель
В.Г. Полярные области Юпитера и Сатурна // Астрон. вестн.
-1985. - т.19, №1. - с.48-63.
9.Kim S.J.,
Drossart P., Caldwell J., Maillard J.P., Coorvitch D., Moorwood
F., Lecacheux J. The 2-mm polar haze of Jupiter // Icarus.
-1991. - v.91. - p.145-153.
10.Kim
S.J., Caldwell J. et al Infrared polar brightnening on Jupiter.III.
Spectromrtry from the Voyager 1 IRIS experiment // Icarus - 1985.
- №64, 233-248
11.Pryor
W.R., Hord C.W. and G.R. Gladstone Comparison of mid-UV absorbtion
on Jupiter, Saturn and Uranus // Bull . Am. Astron. Soc. - 1987.-
№19. - p.838
12.Сaldwell
J., Tokunaga A.T., Orton G.S. Furthen observations of 8-mm
polar brightenings of Jupiter // Icarus. -1983.- v. 53, № 1. - p.133-140.
13.West
R.A., Tomasko M.G. Spatially resolved methane band photometry
of Jupiter. I. Absolute reflectivity and center-to-limb variations
in the 6190, 7450, and 8900 A bands // Icarus.- 1979.- v. 38, №1.-
p.12-33.
14.Wayne
R. Pryor and Charles W. Hord A study of photopolarimeter
systen UV absorption data on Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune:
implications for aurora haze formation // Geophysical Research.
- 1994. - letters 21, №11.- p.1079 - 1082.
15.Connerney
J.E.P. Magnetic fields of the
outer planets // J. Geophys. Res.- 1993.- v. 98, № E10.- p.18659-18679.
16.Beebe
R.F., Suggs R.M., Little T. Seasonal north-south asymmetry
in solar radiation incident on Jupiter's atmosphere // Icarus. -1986.
- v.66. - p.359-365.
17.Beebe
R.F., Orton G.S., West R.A. Time-variable nature of the Jovian
cloud properties and thermal structure: an observational perspective
// in "Time-Variable Phenomena in the Jovian System",
ed. M.J.S.Belton, R.A.West, J.Rahe. National Aeronauties and Space
Administration Office of Management. Scientific and Technical Information
Division, Washington, DC, 1989. - p.245-288.
18. Caldwell
J., Cess R.D., Carlson B.E., Tokunaga A.T., Gillet F.C. Temporal
characteristics of the Jovian atmosphere. // Astrophys. J. -1979.
- v.234. - L155-158.
19. Hanel
R., Conrath B., Flasar M. et. al. Infrared observations of
the Jovian system from Voyager // Science. -1979. -v.206. - p.952-956.
2004/07/12
| 
