Титан как источник ультрафиолетового и километрового

излучений

В.В. Зайцев, В. Е. Шапошников

Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород

Сату� рн — шестая планета от Солнца и вторая по размерам планета в Солнечной системе после Юпитера.

Экваториальный радиус планеты ~ 6х109 см ~ 9,5 Rз

Полярный радиус планеты ~ 5х109 см

Состав: водород - ~ 96%, гелий - ~ 3% Период обращения T = 10 часов 39 минутМагнитное поле на экваторе ~ 0,2 Гс

Радиус спутника ~ 2,6х108 см ~0,4 Rз

Радиус орбиты ~ 20 RS

Невозмущенное магнитное поле Сатурна вблизи Титана (5-10)х10-5 ГсСкорость коротации на орбите Титана ≈ 130 км/сНаведенный потенциал на масштабе спутника ~ 10 кВ

Состав атмосферы: азот - > 95%, метан – 1,6-4,9%Собственная магнитосфера отсутствует.Ионосфера: Nmax≈4х103 см-3, hmax≈1220 км, Nn≈5x108 см-3

Снимки Сатурна и Титана КА «Кассини»

Титан — самый крупный спутник Сатурна и второй по величине спутник в Солнечной системе (крупнее только Ганимед, спутник Юпитера). Единственный спутник в Солнечной системе, имеющий плотную атмосферу (Р~1,45 атм.)

Километровое радиоизлучение Сатурна.

Километровое радиоизлучение Сатурна было открыто во время полета космических аппаратов “Voyager” вблизи планеты. Излучение соответствует необыкновенной моде, имеет 100% круговую поляризацию, источники располагались в высокоширотной части обоих полушарий на дневной стороне планеты.

Наблюдения на КА “Cassini” показали:

1) появляемость излучения коррелирует с положением спутника Титана на его орбите. Наблюдалось статистически значимое увеличение появляемости излучения, когда Титан находился на ночной стороне и уменьшение появляемости излучения, когда Титан находился на дневной стороне, в полуденном (12<LT<18) секторе (Menietti et al. 2007 ).

2) имеется источник на ночной стороне, вблизи L-оболочек L~10-15 (Farrell et al. 2005);

Ультрафиолетовое излучение атмосферы Титана.

Ультрафиолетовое излучение (500-1700 Å) возбужденных молекул атмосферы Титана было открыто во время полетов КА “Voyager”. Наблюдаемая интенсивность излучения соответствовала энерговкладу в атмосферу Титана порядка (3-5)х109 Вт. Оценки показали, что ни солнечные фотоны и фотоэлектроны, ни электроны из магнитосферы Сатурна не могут обеспечить необходимого энерговклада.

Ускорение электронов в ионосфере Титана

Титан обладает собственной атмосферой и ионосферой и движется в магнитном поле Сатурна с относительной скоростью, меньшей, чем альфвеновская и звуковая скорости в области орбиты спутника.

1,/1sin iieeee

),,,( iieeis EE

0/1 BVcEi

- электрическое поле, индуцированное в ионосфере Титана

- электрическое поле разделения зарядов в ионосфере Титана

ie, - гирочастота электронов e и ионов i

ie, - время свободного пробега в ионосфере Титана

- доля нейтрального газа

8max||, 1065,0 is EE

при

ед. СГС кВRBVc

LEU T 5~2

1~ 0||

max||max

«Убегающие» электроны из ионосферы Титана

Ds EE max||,

поле Драйсера в ионосфере Титана

столкновениями электронов с ионами можно пренебречь и торможение электронов обусловлено столкновениями с нейтральными частицами

ссмVссмu Te /107,1/108,1 78

тепловая скорость электронов в невозмущенной ионосфере

Развивается бунемановская неустойчивость, возникает аномальное сопротивление элек-трическому току, нагрев электронов и дополнительная ионизация в области ускорения

Ускоряются до максимальной энергии Ee ~ 5 кэВ и уходят из области ускорения электроны («убегающие» электроны), удовлетворяющие условию:

frics FeE max||,

сила трения, обусловленная столкновениями в ионосфере Титана

В невозмущенной ионосфере электронов, удовлетворяющих этому условию мало

установившаяся средняя скорость электронов

«Убегающие» электроны из ионосферы Титана

uVT тепловая скорость электронов в области ускорения

1χ численный коэффициент

)(~ unn eуск концентрация «убегающих» электронов

en концентрация ионосферных электронов в области ускорения

с2

эрг/см4

|| )(104,6~v~ uEnF eускe - плотность потока энергии ускоренных электронов

Вт11 )(105~~ uhRFP Te - мощность ускорительного

механизма в ионосфере Титана

h высота ионосферного слоя

))(()( uZerfcu дополнительный интеграл вероятностей

Предполагаем, что наблюдаемое ультрафиолетовое излучение из атмосферы Титана возбуждается электронами, ускоренными в ионосфере Титана

Ультрафиолетовое излучение из ионосферы Титана

eTmEUVEUV

M FRnI - оценка потока ультрафиолетового излучения

сэрг/см05,0 2EUVobsI

- наблюдаемый поток ультрафиолетового излучения молекулярного азота (Strobel & Shemansky, 1982)

EUVobs

EUVM II

эрг105 2eF 37,0 Вт106 10P

Корреляция появляемости излучения с положением Титана

на орбите

Вариация интенсивности SKR в зависимости от положения Титан на орбите обусловлено двумя факторами.

1. Во время нахождения на ночной стороне Сатурна

Титан попадает внутрь оболочки L ~ 14, вытянутой вследствие влияния кольцевого тока ( Connerney et al. 1984) Поэтому его электроны могут попадать в ночной источник SKR, расположенный на силовых линиях вблизи L ~ 10-15, и активировать его.

2. Ослабление источника SKR на дневной стороне обусловлено уменьшением магнитного поля вблизи дневной магнитопаузы, что приводит к уменьшению эффективности ускорения электронов, а также периодическим выходом Титана из магнитосферы планеты во время которого Титан оказывается не связанным посредством магнитного поля с источниками SKR.

Рисунок из Connerney et al. 1984

Рисунок из Menietti et al. 2007