Уран — одна из самых необычных планет Солнечной системы, и дело не только в его голубовато-зелёном цвете, кольцах или многочисленных спутниках. Планета практически «лежит на боку», двигаясь по своей орбите вокруг Солнца. Её ось вращения наклонена более чем на 90 градусов относительно плоскости орбиты. Одновременно магнитное поле Урана имеет собственный сильный наклон и заметно смещено относительно центра планеты.
Эта необычная геометрия влияет не только на магнитное поле, но и на то, как Уран взаимодействует с солнечным ветром. Новое моделирование показало, что внешняя граница магнитосферы планеты — ударная волна, возникающая там, где поток частиц от Солнца сталкивается с магнитным полем Урана, — не остаётся постоянной. В течение одного уранианского дня она заметно меняет форму и размеры, словно расширяясь и сжимаясь.
Учёные смогли проследить эту суточную перестройку с помощью трёхмерного компьютерного моделирования, в которое были включены данные космического аппарата Voyager 2, пролетевшего мимо Урана в 1986 году. Результаты показывают, что главным фактором ежедневных изменений является не переменчивость солнечного ветра, а вращение самой планеты и связанная с ним смена ориентации магнитного поля.
Планета, которая вращается почти «лёжа»
Уран резко отличается от Земли по характеру вращения.
Земная ось наклонена относительно плоскости орбиты примерно на 23,5 градуса. Благодаря этому в течение года меняется освещённость разных полушарий и происходят привычные нам смены времён года.
Уран находится в совершенно другой геометрической ситуации. Его ось наклонена более чем на 90 градусов. Поэтому в упрощённом представлении планета движется вокруг Солнца, практически катясь по орбите боком.
Такой наклон приводит к исключительно необычным сезонным условиям. Полный оборот Урана вокруг Солнца занимает 84 земных года, поэтому его сезонные изменения развиваются на протяжении десятилетий.
Но необычным является не только положение оси вращения.
Магнитное поле Урана тоже устроено необычно
Магнитное поле Урана значительно отличается от магнитного поля Земли.
Оно наклонено примерно на 60 градусов относительно оси вращения и при этом заметно смещено относительно центра планеты.
Таким образом, у Урана одновременно присутствуют две необычные особенности: планета сильно наклонена и её магнитное поле имеет собственную сложную ориентацию.
Когда Уран вращается, его магнитная конфигурация постоянно меняет своё положение относительно окружающего космического пространства.
Именно это оказывается важным для поведения магнитосферы.
Что такое солнечный ветер
Солнце постоянно выбрасывает в окружающее пространство поток заряженных частиц. Этот поток называют солнечным ветром.
Солнечный ветер распространяется далеко за пределы орбиты Земли и взаимодействует со всеми планетами, которые встречаются на его пути.
У планет с магнитным полем возникает своеобразная магнитная оболочка — магнитосфера. Она взаимодействует с солнечным ветром и изменяет его движение.
Земля также окружена магнитосферой. Благодаря ей солнечный ветер не просто беспрепятственно достигает верхних слоёв атмосферы: магнитное поле отклоняет значительную часть заряженных частиц.
Но взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой не заканчивается на самой границе магнитного поля.
Перед магнитосферой возникает ударная волна.
Как возникает ударная волна перед планетой
Когда поток солнечного ветра сталкивается с магнитосферой планеты, его движение резко меняется.
Перед магнитосферой формируется область, где поток частиц внезапно замедляется и становится турбулентным. Эту границу называют головной, или носовой, ударной волной.
Она напоминает волну, которая возникает перед движущимся объектом в потоке.
Для Земли положение и форма такой ударной волны относительно стабильны. Они тоже могут изменяться, но основную роль в этом играют изменения самого солнечного ветра — например, связанные с усилением или ослаблением потока частиц.
У Урана ситуация значительно сложнее.
Ударная волна Урана меняется в течение каждого дня
Новое моделирование показало, что ударная волна Урана способна значительно менять размеры и форму в течение одного оборота планеты вокруг собственной оси.
Получается необычная картина: внешняя граница магнитосферы словно «дышит».
В одной части уранианского дня она расширяется, в другой — сжимается, а её геометрия перестраивается вместе с изменением ориентации магнитного поля.
При этом причина заключается не просто в том, что солнечный ветер становится сильнее или слабее.
Исследователи специально провели расчёты при постоянном солнечном ветре. Его характеристики в таких моделях не менялись.
Тем не менее суточный цикл расширения и сжатия ударной волны сохранился.
Это позволило отделить влияние солнечного ветра от влияния вращения самой планеты.
Вращение оказалось главным фактором
Результаты моделирования показывают, что ежедневную перестройку в первую очередь вызывает изменение геометрии магнитного поля относительно солнечного ветра.
Планета вращается, а её магнитное поле наклонено и смещено. Поэтому во время одного оборота разные участки магнитной конфигурации поочерёдно оказываются обращены в сторону солнечного ветра.
В результате условия взаимодействия постоянно меняются.
Это приводит к тому, что магнитосфера не может сохранять одинаковую форму на протяжении всего уранианского дня.
Для исследователей это особенно интересно потому, что на Земле аналогичный эффект гораздо слабее.
Земля ведёт себя иначе
У Земли также существует наклон между осью вращения и магнитным полем, но он сравнительно небольшой.
Поэтому ежедневные изменения формы земной ударной волны не столь значительны.
Основным фактором изменчивости здесь остаётся солнечный ветер.
Когда Солнце выбрасывает более плотные или быстрые потоки заряженных частиц, положение земной магнитопаузы и связанной с ней ударной волны может меняться.
У Урана всё наоборот.
Даже если солнечный ветер оставить неизменным, вращение планеты само по себе создаёт выраженный суточный цикл.
Почему особенно важен период равноденствия
Компьютерное моделирование проводилось для условий уранианского равноденствия.
Равноденствие — это момент, когда Солнце оказывается над экватором планеты. Для Урана это особенно важный этап из-за огромного наклона его оси.
Именно в районе равноденствия изменение размеров и формы ударной волны оказывается наиболее сильным.
Это связано с геометрией взаимодействия наклонённого магнитного поля Урана с солнечным ветром.
Поэтому данные Voyager 2, полученные в 1986 году, оказались особенно полезными для проверки модели.
Voyager 2 остаётся главным источником прямых данных об Уране
Космический аппарат Voyager 2 совершил пролёт около Урана в 1986 году.
На сегодняшний день это единственный аппарат, который непосредственно посетил систему Урана и провёл там комплексные измерения.
За десятилетия после пролёта исследователи неоднократно возвращались к данным Voyager 2.
Причина проста: Уран остаётся одной из наименее изученных планет Солнечной системы. У человечества пока нет нового орбитального аппарата, который долгое время исследовал бы его магнитосферу, атмосферу и спутники.
Поэтому старые данные продолжают использоваться для проверки современных моделей.
Старые наблюдения помогают создавать новые модели
В новом исследовании данные Voyager 2 объединили с трёхмерным моделированием.
Исследователи использовали многофлюидную магнитогидродинамическую модель, предназначенную для изучения взаимодействия магнитосфер планет с солнечным ветром.
Такие модели позволяют рассчитывать не только отдельные параметры, но и пространственную структуру магнитосферы.
Это особенно важно для Урана.
Его магнитное поле настолько необычно ориентировано, что простой двумерной картины недостаточно для описания происходящих процессов.
Трёхмерное моделирование позволяет проследить, как конфигурация магнитного поля меняется по мере вращения планеты и как вслед за этим перестраивается ударная волна.
Почему форма магнитосферы вообще меняется
Магнитосфера не является жёсткой оболочкой вокруг планеты.
Она представляет собой динамическую область, формируемую взаимодействием магнитного поля и солнечного ветра.
Если меняется направление или структура магнитного поля, меняется и то, каким образом солнечный ветер взаимодействует с магнитосферой.
У Урана вращение особенно сильно влияет на этот процесс из-за необычной ориентации планеты и её магнитного поля.
Поэтому граница магнитосферы в течение суток занимает разные положения и приобретает разную форму.
Что показали расчёты
Исследователи проследили развитие ударной волны на протяжении полного уранианского дня.
Моделирование позволило определить, как она меняется по размеру и форме.
Особенно важно, что повторяющийся суточный характер сохранился даже при неизменном солнечном ветре.
Это является сильным аргументом в пользу того, что именно вращение Урана контролирует основную часть наблюдаемой ежедневной перестройки.
Таким образом, речь идёт не просто о случайных колебаниях внешней границы магнитосферы.
У неё существует регулярный цикл, связанный с вращением планеты.
У Урана получается своеобразный космический «дыхательный цикл»
Образ «дыхания» хорошо описывает характер обнаруженного явления.
В течение уранианского дня ударная волна может расширяться и сжиматься, а её форма перестраивается.
При этом речь, конечно, не идёт о физическом дыхании или о движении газа, подобном работе лёгких.
Это удобная аналогия для периодического изменения размеров магнитосферы.
В отличие от настоящего дыхания, механизм здесь связан с магнитным полем, вращением планеты и взаимодействием с потоком заряженных частиц от Солнца.
Почему это важно для будущей миссии к Урану
Уран рассматривается как одна из наиболее интересных целей для будущих планетных исследований.
Орбитальная миссия могла бы годами наблюдать изменения магнитосферы, атмосферы, колец и спутников планеты.
Результаты нового исследования могут помочь подготовить такие наблюдения.
Если ударная волна действительно регулярно меняет положение и форму в зависимости от времени суток на Уране, будущему аппарату необходимо учитывать это при планировании измерений.
Вместо предположения о стабильной магнитосфере исследователи смогут ожидать выраженную суточную динамику.
Миссия сможет проверить модель непосредственно
Компьютерные расчёты позволяют получить подробную картину, но окончательная проверка любой модели требует наблюдений.
Особенно ценными были бы продолжительные измерения в разных точках вокруг Урана.
Voyager 2 провёл относительно короткий пролёт, поэтому его данные дают лишь ограниченный снимок системы.
Орбитальный аппарат смог бы наблюдать один и тот же процесс в течение множества оборотов планеты.
Это позволило бы проверить, действительно ли ударная волна проходит предсказанный суточный цикл.
Уран важен не только сам по себе
Уран и Нептун относятся к ледяным гигантам.
Такие планеты широко представлены во Вселенной, хотя непосредственно изучить их пока намного сложнее, чем планеты Солнечной системы.
Астрономы уже обнаружили множество экзопланет, свойства которых указывают на наличие объектов, сопоставимых по типу с ледяными гигантами.
Поэтому Уран может выступать естественной лабораторией для изучения более широкого класса планет.
Что можно узнать об экзопланетах
Мы не можем отправить космический аппарат к большинству обнаруженных экзопланет.
Даже ближайшие из них находятся на огромных расстояниях.
Поэтому приходится изучать их по свету и другим косвенным признакам.
Наблюдения за Ураном помогают понять, как могут вести себя магнитосферы планет, обладающих сложным магнитным полем и необычной геометрией.
Если аналогичные процессы происходят у других ледяных гигантов, полученные здесь знания помогут интерпретировать их взаимодействие со своими звёздами.
Магнитосфера — важная часть планетной системы
Магнитное поле влияет не только на движение заряженных частиц.
Оно определяет структуру магнитосферы и то, как планета взаимодействует с окружающей плазмой.
Для планет с атмосферой магнитосфера также связана с процессами, происходящими в верхних слоях газовой оболочки.
У Урана это взаимодействие особенно необычно из-за наклона магнитного поля.
Поэтому изучение его магнитосферы позволяет исследовать физические процессы, которые невозможно получить в таком же виде на Земле.
Уран показывает, насколько важна геометрия
Обычно при изучении планет исследователи обращают внимание на их массу, состав, атмосферу, расстояние до звезды и скорость вращения.
Но случай Урана показывает, что важна также геометрия.
Его ось вращения расположена почти в плоскости орбиты, а магнитное поле имеет собственный сильный наклон и смещение.
Из-за этого относительно простой процесс взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой превращается в динамическую трёхмерную систему.
Именно необычная ориентация приводит к тому, что вращение планеты заметно перестраивает область взаимодействия с солнечным ветром.
Необычность Урана проявляется далеко за пределами атмосферы
Уран часто называют странной планетой из-за его наклона.
Но этот наклон влияет далеко не только на смену сезонов и освещение полушарий.
Он связан с тем, как планета вращается в окружающем пространстве и как ориентировано её магнитное поле.
В результате необычная геометрия Урана проявляется даже на огромных расстояниях от самой планеты — там, где солнечный ветер впервые сталкивается с её магнитным полем.
Именно здесь возникает ударная волна, которая теперь оказалась способна «дышать» в ритме вращения планеты.
Почему это открытие нельзя свести просто к особенностям солнечного ветра
Солнечный ветер постоянно меняется.
Поэтому само по себе изменение магнитосферы планеты не является неожиданным.
Но исследование показало принципиально другой механизм.
Учёные провели расчёты, в которых параметры солнечного ветра оставались постоянными. Несмотря на это, ударная волна Урана продолжала регулярно изменять форму и размеры.
Следовательно, повторяющаяся суточная перестройка может возникать без внешних изменений солнечного ветра.
Главным источником изменений становится вращение самой планеты.
Что это меняет в представлениях о магнитосфере Урана
До появления подробного моделирования точные масштабы и причины ежедневного изменения ударной волны оставались неясными.
Теперь появилась количественная картина того, как она развивается в течение уранианских суток.
Это не означает, что все особенности магнитосферы Урана уже объяснены.
Напротив, необычное магнитное поле и ограниченное количество прямых наблюдений оставляют множество вопросов.
Но новая модель позволяет лучше связать наблюдения Voyager 2 с физическими процессами, происходящими вокруг планеты.
У Урана всё ещё остаётся много загадок
Несмотря на то что Уран известен человечеству с XVIII века, с близкого расстояния его исследовали только один раз.
Пролёт Voyager 2 дал огромное количество информации, но продолжался недолго.
За прошедшие десятилетия появились более совершенные методы компьютерного моделирования и обработки данных.
Это позволяет получать новую информацию даже из старых измерений.
Однако полноценное понимание системы Урана потребует новых наблюдений непосредственно в окрестностях планеты.
Планета, которая продолжает удивлять
Уран необычен практически на всех уровнях.
Это ледяной гигант с системой колец и многочисленными спутниками. Его ось вращения наклонена более чем на 90 градусов, а магнитное поле значительно отклонено от оси вращения и смещено относительно центра планеты.
Теперь стало ясно, что эта геометрия влияет и на внешнюю границу магнитосферы.
Ударная волна, возникающая при столкновении солнечного ветра с магнитным полем Урана, не является неподвижной оболочкой. Она регулярно перестраивается в течение каждого дня планеты.
Причём компьютерное моделирование показывает, что главным источником этого цикла является вращение Урана, а не изменения солнечного ветра.
Для будущих миссий это означает необходимость рассматривать магнитосферу Урана как динамическую систему, которая постоянно меняется с вращением планеты.
А для планетологии в целом Уран становится ещё более интересным объектом: его необычное магнитное поле и вращение позволяют изучать процессы, которые могут происходить и у других ледяных гигантов, в том числе у планет за пределами Солнечной системы.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
Уран не перестаёт удивлять! Уникальный угол наклона делает его магнитосферу просто невероятной.