Окольные пути солнечного ветра
Наклон осей вращения почти всех планет в Солнечной системе по отношению к их орбитальной плоскости невелик. Исключение составляет Уран. Он вращается, лежа на боку, наклонившись к плоскости своего орбитального движения вокруг Солнца почти на 98°.
У этой планеты самое странное магнитное поле в Солнечной системе. Ось магнитного поля наклонена под углом 59° к оси вращения и смещена относительно центра, причем магнитный диполь смещен от центра планеты к южному полюсу примерно на 1/3 радиуса планеты; и если магнитное поле Земли напоминает магнитное поле стержневого магнита, то на Уране близлежащие участки поверхности могут иметь поля противоположной полярности.
Как и на многих других планетах, магнитное поле Урана образует вокруг планеты пузырь, называемый магнитосферой. Согласно модели, разработанной для магнитного поля Урана в 2017 году, для частиц солнечного ветра его магнитосфера то открывается, то закрывается.
Магнитосфера работает как барьер на пути солнечного ветра. Когда частицы двигаются в одном направлении с магнитными силовыми линиями, они соскальзывают с них, как вода со спины утки. Но когда струи воды заливают перья утки со стороны хвоста, утка промокает. Когда солнечный ветер дует на Уран под прямым углом к силовым линиям поля, они выравниваются с направлением солнечного ветра и пропускают некоторые его частицы внутрь.
Этот процесс называется магнитным пересоединением. Он иногда происходит вблизи земных полюсов, и тогда из-за усиленного притока частиц солнечного ветра увеличивается интенсивность полярных сияний. Кэрол Пати со своим студентом Синь Цао из Технологического института Джорджии в Атланте (США) смоделировали этот процесс на Уране и обнаружили, что такое переключение полюсов должно происходить на Уране каждые сутки (один раз примерно в 17 земных часов), включая и выключая защиту магнитосферы. На Уране, видимо, тоже есть полярные сияния.
Странная вода
Некоторые странные особенности магнитного поля можно объяснить столь же странными свойствами воды. Как показали расчеты (1999) и эксперименты (2005), при очень высоких давлениях и температурах вода может вести себя и как твердое тело, и как жидкость. Атомы кислорода и водорода в молекулах воды будут ионизированы, причем ионы кислорода образуют кристаллическую структуру, похожую на решетку, а ионы водорода смогут протекать через нее, как жидкость. Этот суперионный лед, образующийся при температурах выше 2000 °C, должен светиться желтым цветом.
Рис. 3.1. Каменные ядра Нептуна и Урана окружены слоем суперионной воды. Этот слой не участвует в процессе конвекции, что может объяснить странные магнитные поля у этих планет.
Условия в глубинах Урана и Нептуна могут быть очень благоприятными для образования суперионного льда. В 2010 году новые компьютерные модели, созданные авторским коллективом под руководством Рональда Редмера в Ростокском университете в Германии, показали, что на обеих планетах могут быть большие запасы такого льда. В моделях предполагались самые экстремальные условия, которые могут существовать внутри обеих планет: температура до 6000 °C и давление, в 7 миллионов раз превышающее атмосферное давление на Земле. Результаты показывают, что слой суперионного льда должен простираться от скалистого ядра до поверхности планет примерно на половину расстояния.
Это хорошо согласуется с результатами исследования, проведенного в 2006 году Сабиной Стэнли, ныне работающей в Университете Торонто, и Джереми Блоксхэмом из Гарвардского университета. Они попытались объяснить, почему магнитное поле на Уране и Нептуне столь неоднородно.
Стэнли и Блоксхэм предположили, что внутренности обеих планет содержат узкий слой электропроводящего вещества, который постоянно перемешивается и генерирует магнитные поля. Этот проводящий слой должен состоять из обычной ионной воды, в которой молекулы распались на ионы кислорода и водорода. Исследование также показало, что конвективная зона не может простираться глубже, чем на половину расстояния до центра планеты. Если бы эта зона была шире, то она создавала бы более упорядоченное поле, подобное полю стержневого магнита.
Глубина зоны конвекции, рассчитанная Стэнли и Блоксхэмом, может показаться не совсем корректной, поскольку на этих глубинах начинает преобладать суперионная вода. Суперионная вода также проводит электричество через поток ионов водорода. Однако присутствует какой-то фактор, который не позволяет суперионной воде участвовать в процессе формирования однородного магнитного поля.
Возможно, суперионная вода в основном пропускает инфракрасное излучение, то есть тепло. Электроны в суперионной воде могут поглощать инфракрасное излучение, но моделирование показывает, что они имеют тенденцию оставаться вблизи атомов кислорода, позволяя теплу распространяться. Благодаря этому тепло от ядра планеты легко проникает сквозь суперионную воду, а не скапливается у ядра – и конвекция не возникает.
Таинственные бури
В 2015 году на Уране появились огромные облака, настолько яркие, что их могли видеть даже астрономы-любители с Земли. Имке де Патер из Калифорнийского университета в Беркли (США) наблюдала за планетой 5 и 6 августа 2014 года и была удивлена, обнаружив необычно яркие геометрические элементы, напоминающие высокие облака.
Обычно погода на Уране заметно меняется каждые 42 земных года, во время весенних и осенних равноденствий, когда Солнце сияет над экватором. Но последнее равноденствие было 7 лет назад, поэтому объяснить такой пик активности было трудно. Используя космический телескоп «Хаббл», де Патер и ее коллеги наблюдали на различных высотах бури, которые могли быть связаны с глубинными атмосферными вихрями.
