Aktywność słoneczna wpływa na atmosferę Tytana

Promienie Słońca rozświetlają atmosferę Tytana – zdjęcie z satelity Cassini wykonane 6 czerwca 2012 r.

Źródło: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute, sci.esa.int
Przez ponad dziewięć lat misja kosmiczna Cassini, będąca wspólną inicjatywą ESA, NASA i włoskiej ASI, obserwowała Saturna i system jego księżyców. Szczegółowa analiza danych dotyczących Tytana – największego spośród satelitów planety – potwierdziła przypuszczenia, że gęstość jego jonosfery zależy od jedenastoletniego cyklu aktywności słonecznej.

Wszystkie planety i księżyce posiadające atmosferę mają też jonosferę – obszar w wyższych warstwach atmosfery, gdzie dominują zjonizowane (tj. naładowane elektryczne) cząsteczki – elektrony i jony. Jonosfery formują się głównie przez fotojonizację atmosfer, a ta następuje w wyniku działania  promieni słonecznych z zakresu rentgenowskiego i dalekiego ultrafioletu. W efekcie gęstość jonosfery zmienia się w cyklu dzień-noc.

Obecność jonosfery wysoko ponad powierzchnią Tytana została wykazana w listopadzie 1980 r. przez sondę Voyager 1. Jednak niemal cała nasza wiedza o niej pochodzi z sondy Cassini, która dotarła na orbitę Saturna w lipcu 2004 r. Tytan – większy od Merkurego – jest otoczony gęstą, mgliście pomarańczową i złożoną z molekuł organicznych atmosferą ukrywającą lodowatą powierzchnię księżyca. Podobnie jak na Ziemi, jej głównym składnikiem jest azot. Jednakże w przeciwieństwie do naszej planety, w jonosferze Tytana dominują złożone cząsteczki organiczne, jak HCNH+, czy C2H5+ oraz inne, mniej liczne, składające się na złożoną chemicznie górną warstwę atmosfery.

Jonosfera Tytana została przebadana gruntownie w trakcie misji Cassini. Okazało się, że największą gęstość ma ona na wysokości 1000-1300 km nad powierzchnią satelity, z czego za dnia jest ona niżej niż nocą. Głównym czynnikiem jonizującym atmosferę Tytana jest dalekie promieniowanie ultrafioletowe. Cząsteczki te zostają dodatkowo rozpędzone w magnetosferze Saturna, co ma wpływ na utrzymanie jonosfery nocą. Maksymalna średnia gęstość elektronów wynosi około 3 tysiące cząsteczek na cm³ za dnia, nocą trzykrotnie mniej.

Zdalne badanie okultacji radiowych wraz z innymi pomiarami za pomocą instrumentów sondy (głównie próbnika Langmuir) wykazały sporą zmienność parametrów jonosfery w czasie. Porównanie danych z misji z danymi o aktywności Słońca ukazały wyraźny związek między poziomem zjonizowania górnej warstwy atmosfery Tytana z aktywnością naszej gwiazdy macierzystej.

„Gwałtowny wzrost aktywności Słońca od 2010 roku i nasza analizy wykazały, że w ciągu sześciu przelotów w pobliżu Tytana od maja do listopada 2012 próbnik Langmuir wykrył wzrost średniej gęstości elektronów w jonosferze o 15-30 procent względem wcześniejszych lat”, stwierdza dr Niklas Edberg ze Szwedzkiego Instytutu Fizyki Kosmosu w Uppsali.

Wzrost jest tym bardziej godny podkreślenia, że od rozpoczęcia obserwacji Saturn przemieścił się w część orbity oddaloną o 100 milionów km dalej od Słońca. Edberg podkreśla także, że wzrost jonizacji zaobserwowano również w niżej położonych częściach atmosfery księżyca.

Wyniki pracy astronomów potwierdzają teoretyczne przewidywania, według których stosunek jonów i elektronów powinien być proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego wzrostu strumienia jonizującego.

Warto też podkreślić, że obserwacje Cassiniego nakładają się na czas najgłębszego minimum aktywności słonecznej od siedemnastego stulecia. Obliczenia teoretyczne wskazują, że w czasie bardziej wzmożonych okresów aktywności Słońca gęstość elektronów w jonosferze Tytana może osiągać nawet 6,5 tysiąca cząsteczek na cm³.

„Niemal identyczne mechanizmy jak w atmosferze Tytana istnieją na Ziemi, a wpływ długoterminowych zmian w cyklach słonecznych na zmiany klimatyczne na naszej planecie są tematem dyskusji akademickiej. Tytan jest często uznawany za model schłodzonej prymitywnej Ziemi, dlatego porównywanie procesów fizycznych w górnych częściach atmosfery obu ciał jest takie fascynujące” podkreśla Nicolas Altobelli, naukowiec projektu Cassini z ramienia ESA.

Wyniki pracy naukowców opublikowano w: “Solar cycle modulation of Titan's ionosphere”, N. J. T. Edberg et al , the Journal of Geophysical Research: Space Physics, Vol. 118, Issue 8, str. 5255-5264, sierpień 2013; doi:10.1002/jgra.50463



Wieńczysław Bykowski

Liczba odsłon: 1349