Informacje o Plutonie

Atmoswera Plutona


Atmosfera Plutona – warstwa gazów otaczająca planetę karłowatą (134340) Pluton.

Atmosfera Plutona składa się głównie z azotu (N2) z niewielkim dodatkiem metanu (CH4) i tlenku węgla (CO), które to gazy uwalniają się z zestalonej postaci, w jakiej znajdują się na powierzchni tej planety karłowatej. Zawiera ona warstwy mgły, składającej się prawdopodobnie z bardziej złożonych związków chemicznych, powstałych z wymienionych gazów wskutek oddziaływania z promieniowaniem kosmicznym. Charakterystyczną cechą atmosfery Plutona są silne i nie do końca poznane zmiany w cyklu pór roku, wynikające z nietypowych parametrów jego ruchu orbitalnego oraz rotacji wokół osi. Ciśnienie na powierzchni Plutona zmierzone w 2015 roku przez sondę New Horizons to około 1 Pa, czyli mniej więcej 100 tys. razy mniej niż na powierzchni Ziemi. Temperatura na powierzchni Plutona wynosi 40–60 K i szybko rośnie wraz z wysokością, co związane jest z wywoływanym przez metan efektem cieplarnianym. Około 30 km nad powierzchnią osiąga ona maksymalną wartość 110 K (-163 °C), po czym powoli zaczyna spadać. Pluton jest jedynym obiektem transneptunowym wokół którego potwierdzono obecność otoczki gazów. Jej najbliższym odpowiednikiem jest atmosfera Trytona, lecz jako układ, w którym przez sublimację i resublimację następuje przepływ materii pomiędzy atmosferą a lodami na powierzchni planety, przypomina także marsjańską (choć tam głównym składnikiem jest CO2, a nie N2). Atmosfera Plutona badana była od lat 80. XX wieku przez prowadzone z powierzchni Ziemi obserwacje wywoływanych przez niego okultacji gwiazd, a także z wykorzystaniem techniki spektroskopii astronomicznej. W 2015 atmosfera została dokładniej zbadana przez przelatującą w niedużej odległości sondę New Horizons.

Skład

Głównym składnikiem atmosfery Plutona jest azot. Udział metanu, według pomiarów przeprowadzonych przez sondę New Horizons, wynosi 0,25%. Udział tlenku węgla szacowany jest na 0,025–0,15% (dane z 2010) bądź 0,05–0,075% (dane z 2015). Pod wpływem promieniowania kosmicznego i słonecznego promieniowania ultrafioletowego gazy te wchodzą w reakcje prowadzące do powstawania bardziej złożonych molekuł, takich jak etan (C 2H 6), eten (C 2H 4), etyn (C 2H 2), cięższe węglowodory oraz nitryle, a także cyjanowodór (HCN). Gazy te nie są lotne w temperaturach panujących na Plutonie[18] i powoli osiadają na jego powierzchni. Prawdopodobnie wśród powstających związków są również tholiny, odpowiedzialne za brązowy kolor zarówno Plutona, jak i innych ciał w zewnętrznym Układzie Słonecznym. Udział etenu w atmosferze to około 0,0001%, natomiast etynu 0,0003%. Najbardziej lotnym związkiem w atmosferze Plutona jest azot, drugim jest tlenek węgla, a trzecim metan. Miarą lotności jest wartość ciśnienia pary nasyconej. W temperaturze 40 K (w przybliżeniu minimalna temperatura powierzchni) jest ona równa około 10 Pa dla azotu, 1 Pa dla tlenku węgla i 0,001 Pa dla metanu, jednak rośnie szybko wraz z temperaturą i przy 60 K (w przybliżeniu maksymalna temperatura powierzchni Plutona) dochodzi do odpowiednio: 10 000 Pa, 3000 Pa i 10 Pa dla wymienionych gazów. Dla węglowodorów cięższych od metanu, wody, amoniaku, dwutlenku węgla i cyjanowodoru, ciśnienia te pozostają zaniedbywalnie niskie (rzędu 10−5 Pa lub mniej), co oznacza, że związki te nie są obecne w postaci gazowej w chłodniejszej, dolnej części atmosfery. Metan i tlenek węgla, ze względu na mniejsze rozpowszechnienie oraz lotność, mogłyby wykazywać silne odchylenia od ciśnienia równowagowego względem swoich lodów na powierzchni Plutona, a także większe zróżnicowanie stężenia w czasie i przestrzeni. Jak się jednak okazuje, przynajmniej w przypadku metanu, ciśnienie to nie zależy zauważalnie od wysokości (przynajmniej w niższych 20–30 km atmosfery), długości geograficznej ani od czasu. Przebiegi zależności lotności metanu i azotu od temperatury wskazują, że stężenie tego pierwszego w atmosferze powinno maleć wraz z oddalaniem się Plutona od Słońca, które wynika z eliptycznego kształtu jego orbity. Ciśnienie metanu, przewidywane w oparciu o prawa Raoulta, przy znajomości składu lodów powierzchniowych, okazuje się być o 2 rzędy wielkości niedoszacowane w stosunku do obserwowanego. Przyczyny tej rozbieżności nie są znane; jednym z możliwych wytłumaczeń jest obecność oddzielnych geograficznie płatów czystego lodu metanowego, które jako mniej podlegające chłodzeniu sublimacyjnemu charakteryzują się wyższą temperaturą. Drugą rozważaną hipotezą jest wyższa zawartość metanu w wierzchnich warstwach mieszanego lodu metanowo-azotowego, który sublimuje szybciej jako bardziej zewnętrzna warstwa, a równocześnie poprzez ten proces odbiera ciepło znajdującemu się głębiej azotowi – oba te czynniki prowadzą łącznie do większego względnego udziału metanu w atmosferze. Zmiany w nasłonecznieniu powierzchni Plutona, wynikające z cyklu pór roku oraz zmian orbitalnych, powodują przemieszczanie się lodów na jego powierzchni – sublimują one w obszarach cieplejszych i resublimują w zimniejszych. Według niektórych szacunków prowadzi to do zmian w grubości warstwy lodowej rzędu 1 metra. Efekt ten prowadzi do zauważalnych zmian w dostrzeganej jasności i kolorze Plutona, prawdopodobnie spowodowanych również zmianami geometrii obserwacji Plutona z Ziemi. Metan i tlenek węgla, mimo niewielkiego udziału w atmosferze, mają silny wpływ na jej strukturę termiczną: metan jest silnym gazem cieplarnianym, a tlenek węgla chłodzącym (chociaż wielkość tego drugiego efektu nie jest do końca ustalona).

Temperatura i jej struktura

Pluton nie posiada troposfery albo jest ona niezwykle słaba. Obserwacje sondy New Horizons sugerują istnienie cienkiej planetarnej warstwy granicznej, co jest w zgodzie z modelami, które przewidywały jej grubość na nie więcej niż 1 km. Powyżej niej znajduje się warstwa charakteryzująca się szybkim wzrostem temperatury wraz z wysokością – stratosfera. Pionowy gradient temperatury szacowany jest na 2,2, 3–15 bądź 5,5 K na kilometr, co związane jest z efektem cieplarnianym wywoływanym przez metan. Średnia temperatura powierzchni Plutona to 42 ± 4 K (zmierzona w 2005 roku), a średnia wartość dla całej atmosfery to 90+25−18 K (2008). Na wysokości 20–40 km temperatura osiąga wartość maksymalną (100–110 K; stratopauza), po czym powoli opada (około 0,2 K/km; mezosfera). Przyczyny tego spadku nie są jasne; można się ich dopatrywać w chłodzącym efekcie tlenku węgla, cyjanowodoru bądź innych czynnikach. Do przelotu sondy New Horizons uważano, że powyżej 200 km temperatura osiąga około 81 K i pozostaje w przybliżeniu stała, jednak zebrane podczas tamtej misji dane wykazują, że na wysokościach 850–1400 km temperatura jest jeszcze niższa, około 70 K; odkrycie to dodatkowo powiększa trudności w wyjaśnieniu efektu chłodzącego zachodzącego w górnych warstwach atmosfery Plutona. Temperatura wyższych warstw atmosfery nie wykazuje zauważalnych zmian w czasie. W latach 1988, 2002 i 2006 była w przybliżeniu stała i równa 100 K (przy błędzie pomiarowym około 10 K), mimo dwukrotnego wzrostu ciśnienia w tym okresie. Zależność od szerokości geograficznej bądź pory dnia (poranek, wieczór) również nie została zaobserwowana: temperatura jest taka sama nad całą powierzchnią. Jest to zgodne z przewidywaniami teoretycznymi, które wskazują na szybkie mieszanie się atmosfery. Niemniej są też dane wskazujące na pewną zmienność temperatury w osi prostopadłej do powierzchni, które pochodzą z obserwacji ostrych i krótkotrwałych skoków jasności podczas okultacji gwiazdowych. Amplituda tych niejednorodności jest szacowana na 0,5–0,8 K w skali kilku kilometrów. Mogą one być wywoływane przez fale wypornościowe bądź turbulencje związane z konwekcją bądź wiatrem. Interakcja z atmosferą znacząco wpływa na temperaturę powierzchni. Obliczenia wykazują, że atmosfera – mimo bardzo niskiego ciśnienia – może znacząco redukować wahania temperatury w ciągu dnia; pozostają jednak wahania rzędu 20 K wywoływane między innymi przez ochładzanie powierzchni w wyniku sublimacji lodu.