Автоматическая межпланетная станция «Кассини» проводит наблюдения за системой Сатурна на протяжении более 9 лет. Детальный анализ данных космического аппарата Cassini, подтвердил предположения астрономов, что плотность ионосферы Титана – крупнейшего спутника Сатурна, непосредственно зависит от фазы 11-летнего цикла солнечной активности.
Атмосферы всех планет и спутников обладают ионосферой, характеризующейся значительным содержанием ионизирующих (электрически заряженных) частиц – электронов и ионов. Эти ионосферы сформированы главным образом за счёт фотоионизации атмосферы, которая происходит когда рентгеновское излучение Солнца и ультрафиолетовая радиация «раскалывают» атмосферные молекулы на электроны и ионы.
О существовании ионосферы высоко над поверхностью Титана благодаря космическому аппарату «Voyager-1» стало известно ещё в 1980 году. Однако большая часть данных об ионосфере Титана была получена после запуска на орбиту Сатурна автоматической межпланетной станции «Кассини» в июле 2004 года.
Титан, который по размерам превосходит Меркурий, покрыт плотным оранжевым «туманом» органических молекул, скрывающим ледяную поверхность спутника. Также, как и на Земле, самый распространённый атмосферой газ Титан – это азот. Однако в отличии от нашей планеты, в ионосфере Титана преобладают довольно сложные органические соединения, такие как HCNH^ + (протонированный цианистый водород) и C_2 H_5 ^ + (группа этила).
Основной источник ионизации для атмосферы Титана – поток солнечного ультрафиолетового излучения. Сталкивающиеся частицы, пойманные магнитосферой Сатурна, играют второстепенную роль в формировании дневной ионосферы, но имеет первостепенное значение ночью.
Структура ионосферы была неоднократно изучена «Кассини». Плотность ионосферы достигает своего пика на высоте порядка 1000-1300 км над поверхностью Спутника. Максимальная плотность электронов составляет примерно 3 тысячи частиц на 1 см3 на дневной стороне, и 1000 частиц на 1 куб. см – на ночной.
Изменчивость структуры ионосферы уже давно привлекала внимание учёных. Благодаря «Кассини» удалось установить, что структура ионосферы Титана и её плотность могут со временем изменяться.
Международная команда учёных решила проверить, как сказывается на ионосфере Титана цикличность солнечной активности. Исследователи поставили цель сравнить уровень ионизации во время различных фаз 11-летнего солнечного цикла. Данные, которые они использовали, были получены прибором Langmuir, установленным на борту автоматической космической станции. Langmuir предназначен для мониторинга плотности, температуры и скорости плазмы.
Результаты исследования были опубликованы в разделе Space Physics журнала Journal of Geophysical Research. Исследователи сравнили данные, полученные в самом начале миссии, когда солнечная активность была умеренной и находилась на низком уровне с данными последних облётов, когда солнечная активность достигла своего пика.
Результаты исследований представили неопровержимые доказательства того, что интенсивность ионизации и плотность ионосферы Титана зависит от уровня солнечной активности.
По словам Niklas Edberg из Swedish Institute of Space Physics, автора научной публикации, он и его команда нашли неопровержимые доказательства того, то колебания интенсивности потока ультрафиолетового излучения влияют на плотность ионосферы Титана.
Edberg отметил, что с 26 октября 2004 года, когда «Кассини» совершил первых подлёт к Титану и до 7 июля 2010 года, когда межпланетная станция в 72-й раз прошла мимо крупнейшего спутника Сатурна, невозможно было идентифицировать значимые изменения в структуре ионосферы и выявить, зависят ли они от солнечной активности.
После 2010 года в ходе 6 облётов вокруг Титана – с мая 2012 по ноябрь 2012 года, прибор Langmuir фиксировал 15-30%-е изменения плотности ионосферы. Увеличение плотности ионосферы Титана совпало с увеличением солнечной активности, невзирая на то, что Титан в этот период получал меньше солнечной радиации ввиду эллиптической орбиты Сатурна и увенчивающегося расстояния от Солнца.
Результаты исследований великолепно согласуются с существующей теорией, согласно которой скорость образования электронов и ионов должна быть пропорциональна квадратному корню увеличения ионизирующего потока.
Теоретические расчёты показывают, что плотность электронов в ионосфере Титана достигает своего пика в период максимальной солнечной активности и превышает 6500 частиц на 1 см3.
Nicolas Altobelli, координатор Cassini от ESA, отмечает, что аналогичные механизмы присущи и Земле. Ввиду того, что Титан неоднократно называют «замерзшим прототипом Земли», чрезвычайно интересно сравнить аналогичные физические процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы этих двух миров – заявил учёный.
