Дыхание ледяного карлика: как рождается и умирает атмосфера Плутона

Одним из главных открытий, заставивших планетологов пересмотреть модели этой окраины Солнечной системы, стала сложная многослойная структура атмосферы Плутона, существование которой впервые доказали еще в 1988 году.

Если базовые параметры карликовой планеты и ее спутников уже известны, то механизмы удержания газовой оболочки до сих пор вызывают вопросы. Как Плутону удается сохранять газы, тогда как у более крупной Луны постоянной атмосферы нет? Откуда берется этот объем вещества и какие изменения ждут его в ближайшие десятилетия?

Парадокс ледяной гравитации

На первый взгляд, это противоречит физике: сила тяжести на Луне в 2,6 раза выше, и именно она должна эффективнее удерживать газы, чем Плутон. Но определяющее значение имеют два других важнейших фактора: температура и солнечный ветер.

Луна находится сравнительно близко к Солнцу, и ее дневная поверхность раскаляется до +120 °C. От такого нагрева скорость теплового движения молекул газов возрастает. Превысив вторую космическую скорость для Луны (2,4 км/с), газы улетучиваются в космос. Вдобавок мощный поток заряженных частиц от нашего светила — солнечный ветер — буквально выдувает любые намеки на газы с лунной поверхности.

На Плутоне все иначе. Он удален от Солнца в среднем на 40 астрономических единиц, где плотность солнечного ветра падает примерно в тысячу раз. Но главное — это экстремальный холод. Температура на поверхности Плутона опускается до –230 °C. Этот криогенный показатель стабилен на дневной и ночной стороне из-за круговорота азота: он сублимирует на солнце и конденсируется в тени, выравнивая температурный баланс.

В условиях такого космического криостата молекулы газов перемещаются со скоростями намного ниже второй космической скорости Плутона (1,2 км/с). Они движутся так медленно, что даже скромной гравитации карликовой планеты хватает, чтобы удерживать их у поверхности. Плутон криогенно консервирует свой газовый состав, не позволяя ему рассеиваться.

Химический состав и механизмы сублимации

Внутренняя структура Плутона неоднородна: около двух третей его массы приходится на каменистое ядро, покрытое мощной мантией из водяного льда, поверх которой лежит слой замороженных летучих соединений — азота, метана и угарного газа. Из-за обилия замерзшего газа и воды этот далекий мир называют гигантским ледяным зародышем планеты.

Его атмосфера формируется в реальном времени за счет сублимации. Когда Плутон поворачивается к Солнцу, его поверхность нагревается. Тепло звезды недостаточно, чтобы растопить лед, но хватает для сублимации: твердый азот, метан и угарный газ переходят в газ, минуя жидкую фазу. Это вызывает испарение поверхности Плутона, создавая тонкую газовую оболочку.

Атмосфера Плутона очень разрежена. Давление у поверхности — всего около 1 Паскаля, что в 100 тысяч раз меньше земного. Она на 98% состоит из азота с примесью метана и угарного газа. Благодаря миссии New Horizons мы знаем, что атмосфера имеет слоистую структуру и простирается на сотни километров. В верхних слоях солнечный ультрафиолет взаимодействует с метаном, создавая сложные углеводороды — толины. Они образуют микроскопические частицы тумана, которые рассеивают свет и окрашивают небо Плутона в голубой цвет, похожий на земной.

Динамика азотного оледенения и атмосферный баланс

Процесс сублимации на Плутоне происходит неравномерно. Основной источник пополнения атмосферы — левая половина планетарной области в форме сердца, называемая равниной Спутника. Эта огромная низменность, простирающаяся на тысячу километров, представляет собой гигантский резервуар из замороженного азота.

Этот азотный ледник постоянно перемещается благодаря слабому внутреннему теплу планеты и процессам сублимационного охлаждения, которые создают тепловую конвекцию. Равнина Спутника играет роль климатического буфера. В течение дня азот активно испаряется в атмосферу, что вызывает ветры, а ночью он снова конденсируется.

Плутон, тем не менее, теряет свой газовый состав: верхние слои атмосферы постепенно рассеиваются в космос. Часть улетучивающихся молекул метана улавливается Хароном, крупным спутником Плутона. Там этот газ примерзает к поверхности и под действием солнечного ультрафиолета превращается в толины, образующие красную «шапку» на его полюсе. Однако равнина Спутника постоянно восполняет эти потери, пополняя атмосферу за счет внутренних ресурсов.

Сезонный спад давления и перспективы «великого вымерзания»

Атмосфера Плутона выделяется своей изменчивостью, которая напрямую связана с параметрами его орбиты. Плутон движется вокруг Солнца по вытянутой траектории, совершая полный оборот за 248 земных лет. Расстояние от планеты до Солнца варьируется от 4,4 до 7,4 млрд километров. В 1989 году Плутон достиг точки минимального сближения с Солнцем, известной как перигелий. В последующие десятилетия атмосфера планеты продолжала расширяться из-за тепловой инерции, вызванной нагревом поверхности. Однако этот период подходит к концу: Плутон удаляется в ледяные окраины своей орбиты. Согласно наблюдениям, планета остывает, а атмосферное давление снижается.

Ученые предполагают, что к 2030-м годам плотность газовой оболочки Плутона значительно уменьшится. Температура упадет еще на несколько градусов, и азот начнет оседать из газа в кристаллы, образуя слой свежего инея на поверхности. По некоторым моделям, атмосфера может практически полностью сконденсироваться, но современные расчеты указывают на сохранение разреженного слоя газов благодаря высокой тепловой инерции Равнины Спутника. В этом состоянии минимального давления газовая оболочка будет сохраняться около двух столетий. Только в XXII веке, когда Плутон снова приблизится к Солнцу, сублимация усилится, и плотность атмосферы начнет восстанавливаться.

Финальный аккорд

Через 5 млрд лет цикл завершится. Солнце станет красным гигантом. Обитаемая зона сместится к Плутону, который окажется в области максимального нагрева. На поверхности карликовой планеты начнётся сублимация и плавление летучих соединений, включая водно-аммиачные льды.

Атмосфера Плутона, обогащенная азотом и метаном, увеличится в тысячи раз. На короткое время Плутон превратится в динамичный мир с мощной газовой оболочкой. Однако это состояние окажется временным.

Раздувшееся Солнце начнет испускать мощный солнечный ветер. Из-за слабой гравитации Плутон не сможет удержать разогретую атмосферу. Бушующие потоки частиц быстро унесут газовую оболочку. Когда Солнце станет белым карликом, Плутон превратится в холодный каменный мир, покрытый глубоко промерзшим водяным льдом, лишенный атмосферы.

История атмосферы Плутона напоминает о том, что климатические процессы происходят даже на самых удаленных окраинах нашей системы. Несмотря на свою маленькую массу и удаленность, этот ледяной мир остается активным и изменяется на протяжении своего 248-летнего орбитального пути.

Все о Плутоне — почему его исключили из списка планет, сколько до него лететь и как выглядит его поверхность — рассказывали здесь.