Электростатические эффекты и формирование пылевой плазмы над поверхностью Энцелада

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Предложен механизм формирования плазменно-пылевой системы над освещенной солнечным излучением поверхностью Энцелада – спутника Сатурна. Показано, что в результате действия фотоэффекта, вызванного солнечным излучением, а также с учетом влияния плазмы солнечного ветра, выполняются условия для возможности подъема пылевых частиц над поверхностью спутника в результате электростатического отталкивания. На основе самосогласованной модели для описания электростатического поля и компонент плазмы, в том числе фотоэлектронов от поверхности Энцелада и фотоэлектронов от поверхностей пылевых частиц определены функции распределения фотоэлектронов, пылевых частиц, а также их электростатических зарядов в зависимости от высоты и угла между местной нормалью и направлением на Солнце. Также определены и высотные профили электростатических полей для соответствующих углов между местной нормалью и направлением потока солнечного излучения. Показано, что несмотря на значительное расстояние до Солнца фотоэффект играет важную роль в формировании пылевой плазмы у поверхности Энцелада. Установлено, что из-за того, что габариты Энцелада значительно уступают размерам и массе Луны, концентрация фотоэлектронов над поверхностью Энцелада может на порядок превосходить концентрацию электронов и ионов солнечного ветра, а размеры левитирующих пылевых частиц превышают характерные размеры пылевых частиц, поднимающихся над поверхностью Луны. В обратной ситуации размеры левитирующих над Энцеладом частиц заметно уступают размерам частиц, левитирующих над поверхностями космических объектов меньших размеров, чем Энцелад, например, в случае спутников Марса – Фобоса и Деймоса.

Об авторах

Д. В. Шохрин

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Email: kopnin@cosmos.ru
Россия, Москва

С. И. Копнин

Институт космических исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kopnin@cosmos.ru
Россия, Москва

С. И. Попель

Институт космических исследований РАН

Email: kopnin@cosmos.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Porco C.C., Baker E., Barbara J., Beurle K., Brahic A., Burns J.A., Charnoz S., Cooper N., Dawson D.D., Del Genio A.D., Denk T., Dones L., Dyudina U., Evans M.W., Giese B., Grazier K., Helfenstein P., Ingersoll A.P., Jacobson R.A., Johnson T.V., McEwen A., Murray C.D., Neukum G., Owen W.M., Perry J., Roatsch T., Spitale J., Squyres S., Thomas P., Tiscareno M., Turtle E., Vasavada A.R., Veverka J., Wagner R., West R. // Science. 2005. V. 307. P. 1226.
  2. Yaroshenko V.V., Ratynskaia S., Olson J., Brenning N., Wahlund J.-E., Morooka M., Kurth W.S., Gurnett D.A., Morfill G.E. // Planet. Space Sci. 2009. V. 57. P. 1807.
  3. Porco C.C., Helfenstein P., Thomas P. C., Ingersoll A.P., Wisdom J., West R., Neukum G., Denk T., Wagner R., Roatsch T., Kieffer S., Turtle E., McEwen A., Johnson T.V., Rathbun J., Veverka J., Wilson D., Perry J., Spitale J., Brahic A., Burns J.A., DelGenio A.D., Dones L., Murray C.D., Squyres S. // Science. 2006. V. 311. P. 1393.
  4. Pitman K.M., Buratti B.J., Mosher J.A., Bauer J.M., Momary T.W., Brown R.H., Nicholson P.D., Hedman M.M. // Astrophys. J. 2008. V. 680. P. L65.
  5. Thomas P.C., Burns J.A., Helfenstein P., Squyres S., Veverka J., Porco C., Turtl E.P., McEwen A., Denk T., Giese B., Roatsch T., Johnson T.V., Jacobson R.A. // Icarus. 2007. V. 190. P. 573.
  6. Spahn F., Schmidt J., Albers N., Horning M., Makuch M., Seiß M., Kempf S., Srama R., Dikarev V., Helfert S., Moragas-Klostermeyer G., Krivov A.V., Sremcevic M., Tuzzolino A.J., Economou T., Grun E. // Science. 2006. V. 311. P. 1416.
  7. Parkinson C.D., Liang M.-C., Yung Y.L., Kirschivnk J.L. // Orig. Life Evolution Biosph. 2008. V. 38. P. 355.
  8. Hao J., Glein C.R., Huang F., Yee N., Catling D.C., Postberg F., Hillier J.K., Hazen R.M. // PNAS. 2022. V.119. P. e2201388119.
  9. Postberg F., Schmidt J., Hillier J., Kempf S., Srama R. // Nature. 2011. V. 474. P. 620.
  10. Kieffer S.W., Lu X., Bethke C.M., Spencer J.R., Marshak S., Navrotsky A. // Science. 2006. V. 314. P. 1764.
  11. Waite J.H., Glein C.R., Perryman R.S., Teolis B.D., Magee B.A., Miller G., Grimes J., Perry M.E., Miller K.E., Bouquet A., Lunine J.I., Brockwell T., Bolton S.J. // Science. 2017. V. 356. P. 155.
  12. Waite J.H. Jr., Combi M.R., Ip W.-H., Cravens T.E., McNutt R.L. Jr., Kasprzak W., Yelle R., Luhmann J., Niemann H., Gell D., Magee B., Fletcher G., Lunine J., Tseng W.-L. // Science. 2006. V. 311. P. 1419.
  13. Brown R.H., Clark R.N., Buratti B.J., Cruikshank D.P., Barnes J.W., Mastrapa R.M.E., Bauer J., Newman S., Momary T., Baines K.H., Bellucci G., Capaccioni F., Cerroni P., Combes M., Coradini A., Drossart P., Formisano V., Jaumann R., Langevin Y., Matson D.L., McCord T.B., Nelson R.M., Nicholson P.D., Sicardy B., Sotin C. // Science. 2006. V. 311. P. 1425.
  14. Hansen C.J., Esposito L., Stewart A.I.F., Colwell J., Hendrix A., Pryor W., Shemansky D., West R. // Science. 2006. V. 311. P. 1422.
  15. Spencer J.R., Pearl J.C., Segura M., Flasar F.M., Mamoutkine A., Romani P., Buratti B.J., Hendrix A.R., Spilker L.J., Lopes R.M.C. // Science. 2006. V. 311. P. 1401.
  16. Rothery D.A. Satellites of the Outer Planets: Worlds in Their Own Right. N.Y.: Oxford University Press, 1999. 264 p.
  17. Efroimsky M. // Icarus. 2018. V. 300. P. 223.
  18. Collins G.C., Goodman J.C. // Icarus. 2007. V. 189. P. 72.
  19. Gioia G., Chakraborty P., Marshak S., Kieffer S.W. // PNAS. 2007. V.104. P.13578.
  20. Newman S.F., Buratti B.J., Brown R.H., Jaumann R., Bauer J., Momary T. // Icarus. 2008. V. 193. P.397.
  21. Tokar R.L., Johnson R.E., Hill T.W., D.H.Pontius, Kurth W.S., Crary F.J., Young D.T., Thomsen M.F., Reisenfeld D.B., Coates A.J., Lewis G.R., Sittler E.C., Gurnett D.A. // Science. 2006. V. 311. P. 1409.
  22. Iess L., Stevenson D.J., Parisi M., Hemingway D., Jacobson R.A., Lunine J.I., Nimmo F., Armstrong J.W., Asmar S.W., Ducci M., Tortora P. // Science. 2014. V. 344. P. 78.
  23. Farrell W.M., Kurth W.S., Tokar R.L., Wahlund J.-E., Gurnett D.A., Wang Z., McDowall R.J., Morooka M.W., Johnson R.E., Waite J.H. Jr. // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. P. L20202.
  24. Morooka M.W., Wahlund J.-E., Eriksson A.I., Farrell W.M., Gurnett D.A., Kurth W.S., Persoon A.M., Shafiq M., André M., Holmberg M.K.G. // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. P. A12221.
  25. Engelhardt I.A.D., Wahlund J.-E., Andrews D.J., Eriksson A.I., Ye S., Kurth W.S., Gurnett D.A., Morooka M.W., Farrell W.M., Dougherty M.K. // Planet. Space Sci. 2015. V. 117. P. 453.
  26. Stubbs T.J., Vondrak R.R., Farrell W.M. // Advances Space Res. 2006. V. 37. P. 59.
  27. Sternovsky Z., Chamberlin P., Horányi M., Robertson S., Wang X. // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. P. A10104.
  28. Stubbs T.J., Glenar D.A., Farrell W.M., Vondrak R.R., Collier M.R., Halekas J.S., Delory G.T. // Planet. Space. Sci. 2011. V. 59. P. 1659.
  29. Голубь А.П., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Извекова Ю.Н., Копнин С.И., Попель С.И. // Письма ЖЭТФ. 2012. Т. 95. С. 198.
  30. Лисин Е.А., Тараканов В.П., Петров О.Ф., Попель С.И., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Фортов В.Е. // Письма ЖЭТФ. 2013. Т. 98. С. 755.
  31. Буринская Т.М. // Физика плазмы. 2014. Т. 40. С. 17.
  32. Popel S.I., Zelenyi L.M., Golub’ A.P., Dubinskii A.Yu. // Planet. Space Sci. 2018. V. 156. P. 71.
  33. Popel S.I., Golub’ A.P., Kassem A.I., Zelenyi L.M. // Phys. Plasmas. 2022. V. 29. P. 013701.
  34. Schmidt J., Brilliantov N., Spahn F., Kempf S. // Nature. 2008. V. 451. P. 685.
  35. Postberg F., Kempf S., Schmidt J., Brilliantov N., Beinsen A., Abel B., Buck U., Srama R. // Nature. 2009. V. 459. P. 1098.
  36. Rossi C., Cianfarra P., Salvini F., Bourgeois O., Tobie G. // J. Geophys. Res.: Planets. 2020. V. 125. P. e2020JE006471.
  37. Попель С.И., Копнин С.И., Голубь А.П., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Извекова Ю.Н. // Астрономич. Вестн. 2013. Т. 47. С. 455.
  38. Голубь А.П., Попель С.И. // Письма ЖЭТФ. 2021. Т. 113. С. 440.
  39. Голубь А.П., Попель С.И. // Физика плазмы. 2021. Т. 47. С. 741.
  40. Попель С.И., Голубь А.П., Захаров А.В., Зеленый Л.М. // Письма ЖЭТФ. 2017. Т. 106. С. 469.
  41. Попель С.И., Голубь А.П., Зеленый Л.М. // Физика плазмы. 2018. Т. 44. С. 635.
  42. Walbridge E. // J. Geophys. Res. 1973. V. 78. P. 3668.
  43. Клумов Б.А., Морфилл Г.Е., Попель С.И. // ЖЭТФ. 2005. Т. 127. С. 171.
  44. Schmitt-Ott A., Schurtenberger P., Siegmann H.C. // Phys. Rev. Lett. 1980. V. 45. P. 1284.
  45. Chamberlin P.C., Woods T.N., Eparvier F.G. // Space Weather. 2008. V. 6. P. S05001.
  46. Попель С.И., Голубь А.П., Извекова Ю.Н., Афонин В.В., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Лисин Е.А., Петров О.Ф. // Письма ЖЭТФ. 2014. Т. 99. С. 131.
  47. Колесников Е.К., Мануйлов А.С. // Астрономич. Ж. 1982. Т. 59. С. 996.
  48. Колесников Е.К., Яковлев А.Б. // Астрономич. вестн. 1997. Т. 31. С. 70.
  49. Losseva T.V., Popel S.I., Golub’ A.P., Izvekova Yu.N., Shukla P.K. // Phys. Plasmas. 2012. V. 19. P. 013703.
  50. Dougherty M.K., Khurana K.K., Neubauer F.M., Russell C.T., Saur J., Leisner J.S., Burton M.E. // Science. 2006. V. 311. P. 1406.
  51. Попель С.И., Голубь А.П., Кассем А.И., Зеленый Л.М. // Физика плазмы. 2022. Т. 48. С. 451.
  52. Попель С.И., Голубь А.П. // Письма ЖЭТФ. 2022. Т. 115. С. 629.
  53. Ye S.-Y., Gurnett D.A., Kurth W.S. // Icarus. 2016. V. 279. P. 51.
  54. Popel S.I., Kassem A.I., Izvekova Yu.N., Zelenyi L.M. // Phys. Lett. A. 2020. V. 384. P. 126627.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024