Атмосфера Плутона — разрежённый газовый слой, окружающий Плутон. Состоит из веществ, испаряющихся с его поверхности: азота (N2) с примесями метана (CH4) и монооксида углерода (CO). Содержит слоистую дымку, состоящую, вероятно, из более сложных соединений, образующихся из этих газов под действием высокоэнергетичного излучения. Примечательна сильными и не до конца объяснёнными сезонными изменениями, вызванными особенностями орбитального и осевого вращения Плутона.
Давление атмосферы около поверхности Плутона по состоянию на 2015 год составляет около 1 Па (10 мкбар), что примерно в раз меньше, чем на Земле. Температура на поверхности составляет от 40 до , но с высотой она быстро растёт из-за создаваемого метаном парникового эффекта. На высоте 20-30 км температура достигает , а затем медленно снижается.
Плутон — единственный транснептуновый объект, у которого обнаружена атмосфера. Её ближайший аналог — атмосфера Тритона, а в некоторых аспектах она напоминает даже атмосферу Марса.
Атмосферу Плутона исследуют с 1980-х годов с помощью наземных наблюдений покрытий им звёзд, а также спектроскопическими методами. В 2015 году её исследовал с близкого расстояния космический аппарат «Новые горизонты».
Состав
Главный компонент атмосферы Плутона — азот. Содержание метана, согласно измерениям аппарата «Новые Горизонты», составляет 0,25 % (по наземным наблюдениям были получены значения в 2008 году и в 2012). Для содержания монооксида углерода есть сделанные по наземным наблюдениям оценки (2010) и (2015). Под влиянием высокоэнергичного космического излучения из этих газов образуются более сложные соединения, нелетучие при температурах поверхности Плутона и постепенно оседающие на неё. Они включают этан (C2H6), этилен (C2H4), ацетилен (C2H2), более тяжёлые углеводороды и нитрилы, циановодород (HCN), а также высокомолекулярные соединения толины, придающие Плутону (как и некоторым другим телам внешней части Солнечной системы) коричневатый цвет. Для этилена и ацетилена есть оценки содержания, сделанные по данным «Новых горизонтов»: 0,0001 % и 0,0003 % соответственно.
Самый летучий компонент атмосферы Плутона — азот, следующий — монооксид углерода, третий по летучести — метан. Показателем летучести служит давление насыщенного пара. При температуре (близкой к минимальному значению для поверхности Плутона) оно составляет порядка для азота, для монооксида углерода и для метана. С ростом температуры давление насыщенного пара быстро повышается и при (близко к максимальному значению) приближается к , и соответственно. Для более тяжёлых, чем метан, углеводородов, а также диоксида углерода, оно остаётся пренебрежимо малым (порядка или даже ниже), что означает практическое отсутствие у них летучести в условиях Плутона (по крайней мере в холодных низких слоях атмосферы). Вода, аммиак и циановодород нелетучи даже при температуре , характерной для верхней атмосферы.
Для второстепенных составляющих атмосферы Плутона можно ожидать бо́льших, чем для азота, отклонений от равновесия со льдами на поверхности, а также бо́льших временных и пространственных вариаций концентрации. Однако по крайней мере для метана не удалось уверенно обнаружить её зависимости ни от высоты (по крайней мере в пределах 20-30 км от поверхности), ни от долготы, ни от времени. Но с удалением Плутона от Солнца и абсолютное, и относительное содержание метана должно падать, на что указывает зависимость летучести его и азота от температуры. Примечательно, что наблюдаемая концентрация метана на два порядка величины выше, чем рассчитанная по закону Рауля на основании его концентрации в поверхностном льду и отношения давлений насыщенного пара метана и азота. Причины этого расхождения неизвестны. Оно может возникать из-за существования на поверхности отдельных областей относительно чистого метанового льда или вследствие повышенного содержания метана в поверхностном слое обычного смешанного льда.
Сезонные изменения количества солнечного света приводят к миграции поверхностных льдов: в некоторых местах лёд возгоняется, а в других конденсируется. По некоторым оценкам, вариации толщины льдов составляют порядка метра. Это (вместе с изменением ракурса) приводит к существенным изменениям блеска и цвета Плутона.
Метан и монооксид углерода, несмотря на малое содержание, значительно влияют на температуру атмосферы: метан её сильно повышает за счёт парникового эфеекта, а монооксид углерода понижает за счёт антипарникового (хотя величина этого охлаждения точно не известна).
Дымка
Космический аппарат «Новые горизонты» открыл в атмосфере Плутона голубую слоистую дымку, окутывающую всю карликовую планету. На снимках она просматривается до высоты более , а ультрафиолетовым спектрометром зарегистрирована до уровня . На лучших изображениях видно около 20 слоёв. Их горизонтальная протяжённость превышает 1000 км; высота одного и того же слоя в разных местах может отличаться. Над северной полярной областью дымка в 2-3 раза плотнее, чем над экваториальной. Толщина слоёв — от 1 до более , а вертикальное расстояние между ними — порядка .
Несмотря на очень низкую плотность атмосферы, дымка довольно заметна: благодаря рассеянному ею свету даже удалось заснять некоторые детали ночной стороны Плутона. Кое-где на дымке видны длинные тени от гор. Для её оптической толщины есть оценки 0,004 или 0,013 (следовательно, вертикальный луч света в ней ослабляется на или ; для скользящего луча ослабление гораздо больше). Шкала высот дымки (высота, на которой её плотность спадает в e раз) составляет , что примерно совпадает со шкалой высот давления в средней части атмосферы. На высотах она уменьшается до 30 км.
Размер частиц дымки неясен. Голубой цвет указывает на радиус частиц порядка , но отношение яркости при разных фазовых углах — на радиус более 100 нм. Такое расхождение можно объяснить слипанием маленьких (десятки нм) частиц в более крупные (сотни нм) образования. Характерный размер таких агрегатов на высоте 45 км оценивают в .
Вероятно, дымка состоит из частиц нелетучих веществ, образующихся из атмосферных газов под действием космических лучей и постепенно оседающих на поверхность. Время оседания измеряется земными сутками или неделями. Расслоение дымки объясняют гравитационными волнами (их существование подтверждается по наблюдениям покрытий). Волны, в свою очередь, могут создаваться ветром, дующим над неровностями поверхности Плутона.
Вероятно, именно дымка создаёт излом на кривой зависимости интенсивности солнечного излучения от времени, полученной аппаратом «Новые горизонты» при пролёте сквозь тень Плутона: ниже атмосфера поглощает гораздо сильнее, чем на больших высотах. Подобный излом наблюдался и при покрытии звезды в 1988 году, и первоначально его тоже объясняли ослаблением света дымкой, но после появления данных «Новых горизонтов» было установлено, что он возникал в основном из-за быстрого роста температуры с высотой в нижних слоях атмосферы. При дальнейших покрытиях звёзд (когда атмосфера Плутона была уже в ≥2 раза плотнее) этого излома почти или совсем не было.
Другой предполагаемый признак наличия дымки наблюдали во время покрытия в 2002 году. Когда Плутон уже покрыл звезду, некоторая часть её света благодаря преломлению в его атмосфере всё-таки достигла Земли, и оказалось, что интенсивность этого излучения растёт с длиной волны. Это считалось довольно надёжным доказательством рассеяния света аэрозолями (наподобие эффекта покраснения восходящего Солнца). Но при последующих покрытиях (включая 29 июня 2015 года) этой особенности не было, а 14 июля 2015 года аппарат «Новые горизонты» обнаружил, что цвет у дымки голубой.
На некоторых снимках аппарата «Новые горизонты» были обнаружены возможные облака.
Температура и тепловая структура Плутон не имеет или почти не имеет тропосферы: наблюдения «Новых горизонтов» указывают на наличие лишь тонкого тропосферного пограничного слоя. В его пределах температура относительно постоянная. Он был обнаружен при просвечивании атмосферы радиоволнами с помощью аппарата «Новые горизонты» и зарегистрирован при заходе зонда за Плутон, но не при выходе. Толщина этого слоя составляла , а температура — (именно при такой температуре давление насыщенного пара азота равно наблюдаемому атмосферному давлению). Возможно, пограничный слой состоит из газа, недавно испарившегося с поверхности и ещё не перемешавшегося с остальной атмосферой. На это указывает то, что этот слой наблюдался в области равнины Спутника, большого резервуара летучих льдов. Испарение должно было происходить во время наблюдений или незадолго до них — расчёты показывают, что без возобновления этот слой просуществовал бы не более 2 земных лет.
Над этим слоем находится стратосфера — область, где температура быстро растёт с высотой. Скорость роста существенно отличается в разных местах: при заходе аппарата за Плутон было получено значение , а при выходе — (данные для нижних 10 км стратосферы). По наземным наблюдениям эту величину оценивали в 2,2, или 5,5 градусов на км. Рост температуры — следствие парникового эффекта, вызванного метаном. Средняя температура поверхности равна (измерена в 2005 году), а средняя по атмосфере — (2008).
На высоте температура достигает максимума (; стратопауза), а затем медленно уменьшается (около ; мезосфера). Причины снижения неясны; оно может быть связано с охлаждающим влиянием ацетилена, циановодорода и (или) монооксида углерода. На высоте более 500 км температура, достигнув , становится постоянной.
Температура средних — верхних слоёв атмосферы, по данным наблюдений покрытий звёзд, не проявляет заметных изменений со временем. В 1988, 2002 и 2006 годах она была одинаковой в пределах ошибки и равной (с неопределённостью около ), несмотря на изменение давления в два раза. Существенной зависимости от широты или времени суток тоже нет: температура одинакова над всей поверхностью. Это согласуется с теоретическими выводами, предсказывающими быстрое перемешивание атмосферы. С другой стороны, аппарат «Новые горизонты» в 2015 году обнаружил заметные отличия между кривыми зависимости температуры от высоты на разных сторонах Плутона. Кроме того, есть свидетельства наличия малых вертикальных неоднородностей температуры. Они проявляются в виде резких коротких всплесков яркости в течение покрытий звёзд. Амплитуда неоднородностей оценивается в на масштабе в несколько километров. Они могут создаваться атмосферными гравитационными волнами или турбулентностью, созданными конвекцией или ветром.
Взаимодействие с атмосферой значительно влияет на температуру поверхности. Расчёты показывают, что атмосфера, несмотря на очень низкое давление, может существенно сглаживать суточные колебания температуры. Но там всё же сохраняются вариации температуры величиной около — частично из-за охлаждения поверхности вследствие сублимации льдов.
Давление Давление атмосферы Плутона очень низкое и сильно изменяется со временем. Наблюдения покрытий звёзд Плутоном показывают, что с 1988 до 2015 года оно возросло втрое, хотя с 1989 года Плутон удаляется от Солнца. Вероятно, это вызвано тем, что в 1987 году на северном (точнее, «положительном») полюсе Плутона наступил полярный день, что усиливает испарение азота с северного полушария, а южное полушарие ещё слишком тёплое для его конденсации. Абсолютные значения давления у поверхности по наблюдениям покрытий рассчитать сложно, поскольку эти наблюдения обычно не дают сведений о самых низких слоях атмосферы. Поэтому данные о давлении у поверхности приходится экстраполировать по зависимости давления от высоты, а она точно не известна, так как зависит от характера изменения температуры с высотой. Кроме того, надо знать радиус Плутона, который до 2015 года был известен плохо. Поэтому точные значения давления у поверхности Плутона раньше определить не удавалось. При некоторых покрытиях, начиная с 1988 года, давление определялось для расстояния от центра Плутона (как оказалось позже, это 88±4 км от поверхности).