Туманный цвет недальних планет

Газовые гиганты Уран и Нептун похожи если не как близнецы, то как родные братья. У седьмой и восьмой планет Солнечной системы с диаметрами около четырех земных примерно равные массы и сходные до процентов составы атмосфер (водород, гелий, метан и др.). Планеты слегка отличаются цветом, то есть спектрами. Нептун ярко-голубой, Уран бледно-голубой. Причины до конца не выяснены.
Обычно, чтобы определить состав атмосферы, астрофизики изучают спектры солнечного излучения, отраженного от планет. Делают они это лишь на определенных длинах волн или в узких диапазонах. Поэтому ученым часто сложно сравнивать и обобщать выводы разных наблюдений.

Недавно в печати появилась новая работа международной команды исследователей, которую возглавил профессор Оксфордского университета Патрик Ирвин (Patrick Irwin). В ней для Урана и Нептуна на основе анализа спектральных кривых в широком диапазоне 0,3—2,5 микрон авторы предложили  универсальную слоевую модель атмосфер.

Сами спектры получены на трех известных спектральных инструментах: телескопах Джемини Север и IRTF на Гавайях, а также знаменитом космическом телескопе имени Хаббла. Выводы новой теории хорошо согласуются с наблюдаемыми характеристиками спектров.

Если раньше ученые считали, что глубокие атмосферные слои Урана и Нептуна содержат только облака метана и льды сероводорода, то теперь к ним добавили метановый туман. Единая модель утверждает, что цвет планет связан с наличием в атмосферах трех аэрозольных слоев метана. Их толщины удобно характеризовать диапазонами давлений, так как с глубиной атмосферное давление возрастает. Через газовые законы его можно пересчитать в высоты.

В первом слое, простирающемся на глубину до давлений 1—2 атмосферы, происходит конденсация метана в мелкие аэрозольные частицы. Их размер нарастает с глубиной, и ключевой для цвета средний слой уже состоит из ледяного аэрозольного тумана. Он медленно опускается вниз и, смешиваясь с более теплыми слоями, дает зародыши сероводородного льда третьего слоя, давление в котором выше 5—7атмосфер.

Приятным бонусом для ученых стал побочный результат, объясняющий темные пятна, иногда появляющиеся в атмосфере Нептуна и очень редко — Урана. У Нептуна более активная и турбулентная атмосфера, это делает средний слой более динамичным, истончает его, снижая коэффициент пропускания солнечного излучения к третьему слою. Затемнение или осветление нижнего слоя объясняет цвета и спектры пятен. У Урана более толстый слой застойного тумана, из-за чего его атмосфера в целом более белая, поэтому Уран ярче Нептуна. Если б туман на планетах отсутствовал, обе они были б одинаково голубыми. Астрофизики впервые построили модель с такими широкими обобщениями.

Journal of Geophysical Research: Planets, 23. 05. 2022 - полный текст