Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее - Игорь Лисов

Атмосфера Урана оказалась не столь интересна, как у Юпитера и Сатурна. В ней были представлены широтные полосы и – при съемке в полосе поглощения метана 619 нм – просматривались отдельные облачные структуры. Облака из метанового конденсата фиксировались на уровне, соответствующем давлению 0,9–1,3 атм, причем их распределение указывало на множественные источники и малую степень широтной диффузии. Общая динамика атмосферы характеризовалась выраженными зональными течениями. Ветры Урана в средних широтах дули в направлении вращения планеты со скоростями от 40 до 160 м/с, а в экваториальных – до 110 м/с в противоположном направлении.

В атмосфере был найден гелий, но его оказалось не 40 % по объему, как предсказывали, а лишь 15 ± 5 % – немного больше, чем на Юпитере, при 85 % водорода. Метан почти отсутствовал выше облачного слоя, но под ним этого газа было до 2 % – в пересчете на углерод в 20 раз больше, чем на Солнце, и в 10–11 раз больше, чем на Юпитере и Сатурне. В глубине атмосферы УФ-спектрометр зафиксировал слой углеводородов, включая ацетилен. Высотная туманная дымка над полюсом, по представлениям ученых, могла состоять из полиацетиленовых углеводородов, синтезированных фотохимическим способом.

Удалось получить профиль температуры и давления до глубины, соответствующей 2,5 атм. Минимум температуры – тропопауза – пришелся на отметку 0,11 атм по давлению и составил 52 К. В тропосфере ниже метановых облаков было порядка 80 К, а в стратосфере на 50 км выше тропопаузы – около 60 К. Далее температура росла, и верхняя атмосфера была разогрета до 750 К.

В полосе между 15° и 40° широты освещенного полушария температуры были на 2–3 К ниже, но в целом температура полярных и экваториальных районов на глубине 0,6 атм не различалась, что указывало на внутренние механизмы перераспределения энергии, поступающей в период пролета главным образом в полярную зону. Интересно, что у неосвещенного («зимнего») полюса оказалось теплее, чем на «летней» стороне, – около 90 К на уровне 0,001 атм.

Ионосфера имела слоистую структуру с двумя хорошо определенными слоями на высотах 2000 и 3500 км и простиралась как минимум до 10 000 км. Разреженная водородная оболочка планеты на дневной стороне светилась в ультрафиолете.

Масса Урана оказалась равна 86,84 × 1024 т, в соответствии с имеющимися представлениями, а средняя плотность – 1,285 г/см3. Период обращения планеты был определен по радиоизлучению в 16,8 ± 0,3 часа, но позднее было принято уточненное значение 17,24 ± 0,01 часа. Сходные результаты дали измерения магнитного поля (17,3 ± 0,1 часа) и частиц магнитосферы (17,4 часа).

Исходя из этих данных, пришлось отчасти пересмотреть модель строения Урана. Ученые отказались от представления о выраженном силикатном ядре и решили, что в центре планеты силикаты, аммиак, вода и метан почти равномерно перемешаны с водородом и гелием, и это плотное «варево» разогрето примерно до 11 000 К. Именно его признали в итоге ответственным за формирование магнитного поля планеты.

Радиоизлучение Урана было впервые зарегистрировано лишь 16 января на расстоянии 6 млн км (намного позже, чем ожидалось), а магнитное поле – 19 января. Ударную волну «Вояджер-2» встретил 24 января в 07:25, за 10,5 часов до максимального сближения с планетой, на расстоянии 23,7 RU (радиуса Урана). За следующие три часа аппарат преодолел турбулентный магнитослой и в 10:07 на отметке 18,0 RU вошел собственно в магнитосферу. Максимум магнитного поля был отмечен в 17:56, вблизи максимального сближения, и составил 413 нТ. «Вояджер-2» входил в нейтральный слой 25 января в 06:59, 12:31 и 22:09. Он вышел из магнитосферы 26 января примерно в 07:15 и по крайней мере семь раз на протяжении 27–29 января проходил ударную волну в направлении наружу и внутрь. Аппарат окончательно вышел в поток солнечного ветра со скоростью 430 км/с 29 января в 06:06 на расстоянии 228 RU.

В результате обработки данных выяснилось, что Уран обладает магнитным полем примерно такой же силы, как Сатурн и Земля, причем северный магнитный полюс отстоит от южного географического на 59° (на Земле – всего 12°), а магнитная ось смещена от центра на треть радиуса планеты. В качестве объяснения такой странности было высказано предположение, что на Уране мы застали смену магнитных полюсов, которая время от времени происходит и на Земле.

Следствием большого наклона магнитной оси является весьма интересная структура магнитосферы планеты: ее отклоненный в сторону хвост вращается наподобие винта, и позади Урана магнитное поле дважды за оборот меняет свое направление. Что же касается частиц, то основное население внешней магнитосферы – ионизированный водород и электроны. Радиационные пояса Урана имеют примерно ту же интенсивность, что и земные, и температура плазмы в них превышает 500 млн К. Добавим, что в радиусе 7–10° от магнитного полюса ночной стороны наблюдались полярные сияния.

Сначала казалось, что кольца и спутники до Умбриэля включительно движутся в пределах магнитосферы, а Титания и Оберон – снаружи. Поэтому выдвигалось предположение, что темный оттенок колец и поверхностей спутников – результат разложения метанового льда протонами с энергией 28 кэВ на уходящий водород и остающийся углерод. В более поздних публикациях границу магнитосферы провели в 590 000 км на солнечной стороне и в десять раз дальше на теневой, и в результате в ее пределах оказались все спутники, вплоть до Оберона.

К результатам «Вояджера-2» ученые обращаются по сей день. 9 августа 2019 г. Джина ДиБраччо и Дэниел Гершман опубликовали в Geophysical Research Letters статью, основанную на показаниях бортового магнитометра. На графике силы магнитного поля с высоким временным разрешением (1,92 секунды) они обнаружили занятный зигзаг. На протяжении 60 секунд отрицательное поле ушло вверх к нулевой отметке, затем вниз до двойного уровня и оттуда – к исходному уровню.

Исследователи заключили, что 25 января 1986 г. в 23:05 UTC «Вояджер-2» прошел через плазмоид – «пузырь» плазмы с замкнутыми линиями магнитного поля, уходящий в сторону хвоста магнитосферы планеты. Его форма напоминала шайбу диаметром 400 000 км и толщиной 200 000 км. Ранее плазмоиды регистрировали вблизи Земли, Юпитера, Сатурна и Меркурия. Они являются важным механизмом потери атмосферы планет. ДиБраччо и Гершман показали, что от 15 до 55 % потери массы атмосферы Урана может приходиться именно на плазмоиды.

19 сентября 1986 г. в JPL награждали участников экспедиции «Вояджера». Ричард Лэзер, менеджер проекта с 1981 г., был удостоен медали NASA «За выдающиеся заслуги». Медалью «За выдающееся лидерство» были награждены его заместитель Джордж Текстор, менеджер по техническим вопросам Уильям МакЛафлин, по управлению полетом Дуглас Гриффит, по планированию Чарльз Колхейз, глава группы бортовых программ Реймонд Моррис, менеджер системы наземных данных Аллан Сакс и научный руководитель проекта Эдвард Стоун. Медаль «За исключительные инженерные достижения» досталась руководителю группы КА «Вояджер» Говарду Мардернессу и главному инженеру Отдела связи и приема данных JPL Робертсону Стивенсу. Медалью «За исключительные научные достижения» наградили научных руководителей всех экспериментов, и еще 35 человек получили медали «За исключительные заслуги».