Как определить внутренний состав газовых гигантов?

@SteveLinton предоставил первичные исследования для определения внутренней структуры гигантской планеты: структуры гравитационного поля и структуры магнитного поля. Одно небольшое исправление: хотя времена прохождения туда и обратно («данные дальности») полезны, наиболее точными данными являются доплеровские данные зависимости скорости космического корабля от времени, как описано в статье Арва Клиоре о радионаучных исследованиях « Кассини » (перейти к раздел исследований небесной механики). Статья Арва является хорошей общей ссылкой для остальной части этого поста. Доплеровские измерения скорости напрямую переводятся в ускорение путем дифференцирования; подробнее об этом чуть позже.

Если бы все планеты были идеально сферически симметричны, эксперименты по небесной механике дали бы информацию только об общей массе планеты, поскольку сферически симметричный объект создает сферически симметричное гравитационное поле. Но у всех планет есть асимметрия, особенно у быстрых ротаторов, которые значительно сплющиваются. Все планеты-гиганты являются быстрыми вращателями, поэтому они являются отличными объектами для изучения. Для данного размера и скорости вращения, чем выше плотность массы объекта, тем менее он будет сжат. Вот почему сжатие Сатурна намного больше, чем у Юпитера, несмотря на его меньшую скорость вращения. Сплюснутые объекты создают гравитационное поле, которое является цилиндрически симметричным, но не сферически симметричным, и описывается математическими функциями, называемыми сферическими гармониками .. С помощью исследований небесной механики Radio Science (RSCM) (с использованием доплеровских и дальномерных данных) мы можем измерять сферические гармоники с большой точностью.

По мере того, как вы спускаетесь глубже в планету-гигант, локальная плотность массы естественным образом увеличивается, реагируя на конкурирующие влияния повышения давления и температуры с глубиной. Временами, когда происходит композиционное изменение или внезапное уменьшение скорости теплового градиента, может происходить более быстрое увеличение плотности, что приводит к приближению к поверхности контраста плотности («поверхности» в смысле поверхности абстрактной формы, не жидкая и не твердая поверхность!): над этой поверхностью плотность заметно ниже, чем под ней. Поверхность контраста плотности также будет сплюснутой, а степень сплюснутости будет зависеть от плотности выше и ниже. Эта сплющенная структура плотности также вносит вклад в сферические гармоники.

Хорошие измерения сферических гармоник гравитационного поля планеты позволяют сделать вывод о вертикальном профиле плотности массы, основной мере внутренней структуры, от тропосферы до ядра. Интегрирование соответствующих уравнений, связывающих такие вещи, как гравитационное ускорение, давление и температура, с уравнениями состояния планетарных материалов (водород, гелий, метан, вода, силикаты, металлы и т. д.) вниз от тропосферы, позволяет грубо вывести состав как функцию. глубины, ограниченной измеренным профилем плотности. Если предложенный композиционный профиль, свернутый с этими уравнениями, дает профиль плотности, который не согласуется с измерениями, то упс! , Вернуться к доске для рисования!

Магнитные поля добавляют больше информации к проблеме. Динамо-поля генерируются на глубинах, где вы получаете значительную электрическую проводимость составляющих там. Подобно уравнениям состояния, для большинства составляющих планет-гигантов у нас есть хорошие экспериментальные измерения их проводимости (включая смеси) в зависимости от температуры, давления и т. д. Измерение структуры динамо-магнитного поля планеты позволяет определить глубину, на которой оно находится. генерируется, и это помогает ограничить вертикальные профили давления, температуры и состава.

Как мы получаем доплеровские измерения для исследований RSCM? Станция Deep Space Network (DSN) на Земле передает на космический корабль радиосигнал, частота которого очень точно определяется водородным мазером на станции. Когда этот сигнал поступает на космический корабль, он подвергается доплеровскому смещению относительной скорости вдоль линии прямой видимости между станцией DSN и космическим кораблем. Затем космический корабль переворачивает этот сигнал и ретранслирует его ( транспонируетэто) обратно в DSN, удваивая доплеровский сдвиг исходного сигнала. На станции DSN принятый сигнал сравнивается с переданным сигналом и извлекается доплеровский сдвиг, что дает относительную скорость космического корабля относительно антенны станции DSN вдоль линии обзора. Огромные программы берут все доплеровские и дальномерные данные (и любые другие достоверные данные, которые могут получить исследователи!) в качестве входных данных, а затем наилучшим образом подгоняют общую массу планеты, ее положение в космосе, ее сферические гармоники, положение космического корабля относительно Земли. планета — огромный список переменных, которые лучше всего соответствуют данным. Программа Лаборатории реактивного движения называется "ODP" (не очень интересно, а?), и несколько других учреждений имеют свое собственное программное обеспечение.

Я упомянул дифференцирование доплеровских измерений скорости для получения ускорений. (Для тех, кто не занимался исчислением, это, по сути, просмотр того, насколько скорость изменяется от одного измерения к другому, что является ускорением). В этом есть небольшой поворот: поскольку скорости являются только компонентами скорости по линии визирования, так и ускорения! Гравитационные ускорения, полученные из данных, являются компонентами гравитационного поля планеты вдоль луча зрения. Если вектор гравитационного ускорения перпендикулярен этой линии взгляда, вы не сможете его измерить! Составляющая вдоль линии визирования равна нулю ! Вот почему данные RSCM являются лучшими, когда плоскость орбиты космического корабля совпадает с направлением от планеты к Земле.

И именно поэтому данные RSCM, полученные « Кассини » на его последних орбитах, настолько хороши: перицентр орбиты, почти касаясь атмосферы, находился почти прямо между Сатурном и Землей. Космический аппарат находился в самых сильных областях гравитационного поля, а векторы ускорения были хорошо совмещены с линией прямой видимости DSN- Cassini . Радиооборудование флагманского класса тоже не помешало! Юнона не справится так хорошо, потому что их плоскость орбиты ближе к лицу, чем к ребру, поэтому существует большой угол между векторами гравитационного ускорения и лучом зрения, даже в перицентре.

Следите за обновлениями! В ближайшем будущем появится еще один потенциальный метод измерения, который может произвести революцию в изучении недр гигантских планет! Планетарная сейсмология нормального режима тесно связана с гелиосейсмологией , дисциплиной, которая предоставила большую часть наших знаний о внутренней структуре Солнца. Он основан на таких вещах, как турбулентность внутри планеты, возбуждающая колебания нормального режима, которые в популярной литературе сравниваются со «звоном колокола». Доплеровские измерения этих колебаний говорят о многом .о внутреннем устройстве "колокола". Характер этих колебаний, конечно, зависит от плотности массы, но они также критически зависят от межмолекулярных и межатомных сил, которые обуславливают акустическую скорость (скорость звука), так что эти измерения дополняют измерения гравитационного поля. Оба синергетичны! Несколько групп в США и Европе работают над приборами, достаточно маленькими, чтобы летать на космических кораблях.

Одной из неопределенностей в этом подходе является сила колебаний нормальной моды на планете, а не на Солнце. Они в некоторой степени зависят от количества турбулентности и других движущих сил, которые очень неопределенны. Одна французская группа утверждает, что обнаружила колебания нормальной моды на Юпитере с помощью наземных наблюдений, но в сообществе есть некоторый скептицизм. Измерения, сделанные в непосредственной близости от планеты, будут намного более чувствительными, чем измерения, сделанные с Земли. Если этот метод сработает, ищите инструменты «доплеровского томографа» на будущих космических кораблях, направляющихся к любой планете-гиганту.

Практически любые данные о планете могут так или иначе способствовать нашему пониманию ее внутренней структуры.

Тем не менее, вероятно, наиболее мощными методами на данный момент являются наблюдения за гравитационными и магнитными полями планет и за тем, как они меняются в пространстве и времени. Наблюдение за гравитационным полем сводится к точному отслеживанию положения спутника, которое выполняется с Земли путем измерения (очень точного) времени, в течение которого радиосигнал проходит путь от зонда и обратно. Магнитные поля можно измерить напрямую.

Я полагаю, что было бы неплохо использовать несколько спутников — пара спутников использовалась для картографирования гравитации Земли и Луны с беспрецедентной точностью , в то время как группа из 4 спутников обеспечила очень качественное картирование магнитного поля Земли в 3D и через некоторое время.

На этой странице есть очень четкое описание обоих этих инструментов в случае зонда Juno . «Юнона» — особенно хороший пример как потому, что это самая последняя миссия к внешней планете, так и потому, что ее главной целью является сам Юпитер, а не спутники.

Другой метод, который использовался на спутниках некоторых газовых гигантов, — это точное измерение вращения поверхности Луны. То, как это меняется со временем в ответ на приливы от других спутников, может показать , есть ли слои жидкости под поверхностью .