Визначення параметрів вертикальної структури аерозольної складової атмосфер планет-гігантів - Автореферат

За останні десятиріччя, завдяки численним експериментам, виконаним за допомогою космічних апаратів (КА), а також проведеним на орбітальних та наземних телескопах спостереженням, значно розширився обсяг знань про горизонтальні структури верхніх хмарових шарів атмосфер планет-гігантів, їх хімічний склад і теплові властивості. У переважній більшості опублікованих досліджень аерозольних структур атмосфер планет-гігантів використовуються методи порівняння спостережних даних про інтенсивності молекулярних смуг поглинання атмосферних газів з розрахунками для моделей атмосфер з різною кількістю рознесених по висоті газово-аерозольних шарів. Внаслідок відсутності даних щодо реальних характеристик, дослідники призначають кількісні значення цим параметрам на основі субєктивних міркувань та для кращого узгодження своїх розрахунків з експериментальними даними. Для її реалізації необхідно було виконати наступний обсяг робіт:-розробити алгоритм й створити компютерну програму для розрахунку ефективної оптичної глибини формування інтенсивності випромінювання, дифузно відбитого однорідним напівнескінченним шаром з довільними оптичними властивостями, та провести відповідні модельні розрахунки; На основі строгого чисельного розвязання задачі про дифузне відбиття випромінювання однорідним напівнескінченним газово-аерозольним середовищем створено програмний комплекс для обрахунку значень величини ефективної оптичної глибини формування інтенсивності випромінювання, дифузно відбитого оптично однорідним напівнескінченним хмаровим шаром з довільними оптичними властивостями, розраховано значення цієї величини для випадків ізотропного й анізотропного розсіяння та вивчена її залежність від оптичних параметрів середовища.У розділі наведено загальні характеристики планет-гігантів, результати досліджень хімічного складу їх атмосфер, розглянуто основні оптичні характеристики газово-аерозольних шарів і методи їх визначення. Приведено дані щодо відсоткового вмісту газів, типу й розподілу аерозольних частинок хмарових шарів і вертикальних структур атмосфер планет-гігантів, отримані завдяки дистанційним дослідженням та при безпосередньому зондуванні атмосфери Юпітера. Відзначено основні переваги методів досліджень планетних атмосфер за допомогою космічних апаратів: зондуванням атмосфер безпосередньо вивчати їх хімічний склад й фізичні властивості, вертикальну структуру їх газово-аерозольних шарів та встановлювати типи модальних розподілів частинок за розмірами в цих шарах; у широкому діапазоні фазових кутів вимірювати характеристики дифузно відбитого атмосферами світла; проводити експерименти з радіозатемнень та інші. Чемберленом [18] для ізотропно розсіювальної напівнескінченної однорідної атмосфери, освітленої паралельними променями, ефективною оптичною глибиною шару формування розподілу інтенсивності відбитого випромінювання є такий рівень в атмосфері, при проникненні глибше якого світлові фотони з високою імовірністю поглинаються, а тому майже не впливають на розподіл інтенсивності світла, дифузно відбитого такою атмосферою. В результаті отримуються дані, достатні для чисельного розрахунку значень величин, що характеризують випромінювання, дифузно відбите однорідною атмосферою великої оптичної товщини.В дисертаційній роботі проведено дослідження методів визначення спектрофотометричних характеристик світла, дифузно відбитого напівнескінченними планетними атмосферами. Розроблено програмний комплекс для обчислення характеристик світла, дифузно відбитого однорідним напівнескінченним газово-аерозольним шаром у широкому діапазоні значень його оптичних параметрів. Проведено чисельні розрахунки й виконано аналіз експериментальних даних для атмосфери Юпітера в місці падіння К-уламка комети Шумейкера-Леві 9, а також для інтегральних дисків Юпітера, Сатурна, Урана й Нептуна. IMG_88b3d3f4-fde3-4371-9344-184a610e21e5 ефективної оптичної глибини формування лінії поглинання атмосферного газу сильно залежать як від зміни форми індикатриси розсіяння аерозольних частинок, так і від їх концентрації в атмосфері, тоді як величина поглинальної складової Аналіз спостережних даних місця падіння К-уламка комети Шумейкера-Леві 9 та незбуреної цим падінням навколишньої поверхні атмосфери Юпітера показав:-наявність хмарового шару з найбільшою обємною концентрацією аерозолю на рівні з тиском р > 1 бар та висотну стратифікацію аерозольних частинок;

Основний зміст роботи

В дисертаційній роботі проведено дослідження методів визначення спектрофотометричних характеристик світла, дифузно відбитого напівнескінченними планетними атмосферами. Розроблено програмний комплекс для обчислення характеристик світла, дифузно відбитого однорідним напівнескінченним газово-аерозольним шаром у широкому діапазоні значень його оптичних параметрів. Проведено чисельні розрахунки й виконано аналіз експериментальних даних для атмосфери Юпітера в місці падіння К-уламка комети Шумейкера-Леві 9, а також для інтегральних дисків Юпітера, Сатурна, Урана й Нептуна.

Основними результатами дисертаційної роботи є наступні: 1. Виявлено, що оцінювані значення розсіюючої складової

IMG_8581c317-364c-46a8-b43f-93570d614550

IMG_88b3d3f4-fde3-4371-9344-184a610e21e5 ефективної оптичної глибини формування лінії поглинання атмосферного газу сильно залежать як від зміни форми індикатриси розсіяння аерозольних частинок, так і від їх концентрації в атмосфері, тоді як величина поглинальної складової

IMG_da672770-d482-46d4-ae5f-df059a69dfad

IMG_6e20336c-3c78-4438-9fbe-77fb088bff6a є менш чутливою до вказаних змін.

2. Аналіз спостережних даних місця падіння К-уламка комети Шумейкера-Леві 9 та незбуреної цим падінням навколишньої поверхні атмосфери Юпітера показав: -наявність хмарового шару з найбільшою обємною концентрацією аерозолю на рівні з тиском р > 1 бар та висотну стратифікацію аерозольних частинок;

-падіння К-уламка спричинило руйнування глибокого хмарового шару атмосфери, що виразилося у приблизно двократному зменшенні

IMG_bcc31eb3-eae0-442b-87bf-0238fa54382c

IMG_6f4624dd-e76c-4367-ac41-03b6af347e55 для значень тиску р > 1 бар, при цьому частина аерозолю була піднята у більш високі шари атмосфери, внаслідок чого помітно збільшилася величина

IMG_02ec1a69-bad0-45d4-8f8f-0fa91f9d4a7e

IMG_d97542a1-f904-4f1a-92e0-74d496e1fed4 для р < 1 бар;

-коефіцієнт турбулентної дифузії у області падіння фрагмента збільшився приблизно у два рази порівняно з фоном і досяг величини

IMG_6d4b626f-24e3-464b-90b8-810db80d62e5

IMG_3b3374e8-0253-4180-9068-a38c94816e55 ;

-можливість припущення про кометну природу стратосферного аерозолю, зареєстрованого для висот з тиском у декілька мбар.

3.Аналіз спостережних даних про спектральні значення геометричного альбедо інтегральних дисків планет-гігантів у діапазоні хвиль

IMG_a4f2afb9-aeb4-42e5-83e3-df59eb2b975a

IMG_a9f05825-b7ce-403a-86d4-70724e312fbd 443-887 нм дозволив вперше: - визначити закономірності зміни ефективної оптичної товщини та обємного коефіцієнта розсіяння з глибиною в атмосферах Юпітера, Сатурна, Урана та Нептуна;

- уточнити залежність відносної концентрації метану від глибини в атмосферах Урана й Нептуна.

4. Створено компютерний програмний комплекс для розрахунку характеристик випромінювання, дифузно відбитого напівнескінченним газово-аерозольним шаром в широкому діапазоні значень його оптичних параметрів та розсіювальних властивостей.

Основні результати опубліковані в роботах

Реферовані видання

1. Костогрыз Н. М. Линия комбинационного рассеяния в атмосферах планет-гигантов и оптические свойства последних / Н. М. Костогрыз, А. С. Овсак, А. В. Мороженко // Кинематика и физика небесн. тел. Приложение. - 2010. - № 6. - С. 380-385.

2. Мороженко А. В. Зависимости аэрозольной составляющей оптической толщины и относительной концентрации метана от глубины в атмосферах планет-гигантов / А. В. Мороженко, А. С. Овсак // Кинематика и физика небесных тел. - 2009. - Т.25, № 4. - C. 243-258.

3. Мороженко А. В. Вертикальная структура облачного слоя Юпитера до и после столкновения с кометой Шумейкера-Леви 9 / А. В. Мороженко, А. С. Овсак, П. П. Корсун // Кинематика и физика небесных тел. - 1995. - Т.11, № 4. - С. 3-20.

4. Овсак А. С. Расчет эффективной оптической глубины формирования линии поглощения в однородной полубесконечной планетной атмосфере при анизотропном рассеянии / А. С. Овсак // Кинематика и физика небесных тел. - 2010. - Т. 26, № 1. - C. 79-82.

5. Яновицкий Э. Г. Эффективная оптическая глубина формирования линии поглощения в полубесконечной планетной атмосфере / Э. Г. Яновицкий, А. С. Овсак // Кинематика и физика небесн. тел. - 1997. - Т. 13, № 4. - С. 3-21.

Матеріали й тези конференцій

6. Morozhenko A. V. The Vertical Structure of Jupiters Cloud Layer Before and After the Impact of Comet Shoemaker-Levy 9 / A. V. Morozhenko, A. S. Ovsak, P. P. Korsun // European SL-9 / Jupiter Workshop program and Abstracts. Munich. - 1995. - P.267.

7. Morozhenko A. V. The Vertical Structure of Jupiters Cloud Layer Before and After the Impact by Comet Shoemaker-Levy 9 / A. V. Morozhenko, A. S. Ovsak, P. P. Korsun // Abstracts for IAU Colloquium 156 : The Collision of Comet Shoemaker-Levy 9 and Jupiter.- Dotfill 81, Maryland. - 1995. - IAU Colloquium 156 Poster Abstracts: .

8. Аврамчук В. В. Результаты исследований Юпитера, выполненные в Главной астрономической обсерватории АН УССР / В. В. Аврамчук, Л. А. Бугаенко, А. В. Мороженко, Э. Г. Яновицкий // Астрометрия и астрофизика. - 1977. - Вып. 31. - С. 54-68.

9. Длугач Ж. М. Разложение индикатрисы рассеяния в ряд по полиномам Лежандра / Ж. М. Длугач // Кинематика и физика небесн. тел. - 1985. - Т.1, № 6. - С. 16-23.

10. Мороженко А. В. Зоны и полосы Юпитера. I. Надоблачный слой / А. В. Мороженко // Астрон. вестн. - 1990. - Т. 24, № 3. - С. 211-220.

11. Мороженко А. В. О структуре облачного слоя Юпитера / А. В. Мороженко // Письма в Астрон. журн. - 1984. - Т. 10, № 10. - С. 775-779.

12. Мороженко О. В. Методи і результати дистанційного зондування планетних атмосфер / Мороженко О. В. - К. : Наукова думка, 2004. - 647 с.

13. Соболев В. В. Рассеяние света в атмосферах планет / Соболев В.В. - М. : Наука, 1972. - 335 с.

14. Соболев В. В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет / В. В. Соболев. - М. : ГИТТЛ, 1956. - 391 с.

15. Яновицкий Э. Г. Рассеяние света в неоднородных атмосферах / Э. Г. Яновицкий - К. : Киев, 1995. - 400 с.

16. Яновицкий Э. Г. Таблицы по рассеянию света полидисперсной системой сферических частиц / Э. Г. Яновицкий, З. О. Думанский. - Киев : Наук. думка. - 1972. - 123 с.

17. Яновицкий Э. Г. Эффективная оптическая толщина слоя атмосферы, в котором формируется наблюдаемый спектр планеты. Концепция и элементарные оценки / Э. Г. Яновицкий // Кинематика и физика небесн. тел. - 1997. - Т.13, № 6. - С. 18-25.

18. Chamberline J. W. The atmosphere of Venus near her cloud tops / J. W. Chamberline // Astrophys. J. - 1965. - Т. 141, № 3. - P.1184-1205.

19. Dlugach J. M. The optical properties of Venus and the Jovian planets. II. Methods and results of calculations of the intensity of radiation diffusely reflected from semi-infinite homogeneous atmosphere / J. M. Dlugach, E. G. Yanovitskij // Icarus. - 1974. - Vol. 22, № 1. - P. 66-81.

20. Giver L. P. Intensity measurements of the CH4 bands in the region of 4350 to 10600 Е / L. P. Giver // J. Quant. Spectrosc. And Radiat. Transfer. - 1978. - Vol. 19, № 2. - P. 311-322.

21. Korsun P. P. Shoemaker-Levy 9 Impact with Jupiter: Spectral Peculiarities of the Impact Sites H, K, L, N and D G S R Group / P. P. Korsun, Yu. V. Sizonenko, S. G. Sergeev, S. V. Berdyugina // Earth, Moon and Planets. - 1995. - Vol. 69, No. 1. - P. 87 - 93.

22. Moreno F. Physical Properties of the Aerosol Debris Generated by the Impact of Fragment H of Comet P/Shoemaker-Levi 9 on Jupiter / F. Moreno, O. Munoz, A. Molina, et al. // Geophys. Res. Lett. -1995. - Vol. 22, Iss. 12. - P. 1609-1612.