Кратко: столкновение типа столкновения кометы Шоумейкер–Леви 9 (SL9) сильно локально и долговременно меняет химиию атмосферы гиганта за счёт ударного нагрева, ввода кометных летучих и последующей фотохимии и переноса. Ниже — оценка эффектов (на примере SL9) и практическая наблюдательная стратегия.
1) Оценка энергий и условий удара
- Скорость столкновения (оценочно) $v\approx 6\times 10^{4}m/s$ ($=60km/s$).
- Кинетическая энергия фрагмента массой $m$: $E=\frac{1}{2}m{v}^2$. Для диапазона масс фрагментов $m\sim 10^{11}$–$10^{14}\mathrm{kg}$ даёт
$$E\sim 1.8\times 10^{20}\mathrm{J}\text{(для}m=10^{11}\text{)}\text{—}1.8\times 10^{23}\mathrm{J}\text{(для}m=10^{14}\text{)}.$$ - Постшоковая температура порядка
$$T\sim \frac{3}{16}\frac{\mu m_p{v}^2}{k_B}\sim 10^5\mathrm{K}$$ (оценка для средней молекулярной массы $\mu \sim 2$), т.е. достаточно для ионизации и сильного диссоциативного разложения молекул в ударной воронке.
2) Основные химические эффекты (чего ждать)
- Мгновенное: диссоциация H2, H2O, CH4, NH3, H2S → атомы и радикалы; образование плазмы и ионов.
- Ввод кометных летучих (леды, пыль): H2O, CO, CO2, CH3OH, HCN, NH3, H2S и сульфиды; часть массы остаётся в стратосфере и образует следы/осколки.
- Высвобождение окислителей (O, OH) резко меняет углеводородную и азотную фотохимию: образование CO, CO2, HCN, и сульфурорганических молекул; образование высокотемпературных продуктов (HCN от переработки NH3/CH4).
- Образование тёмных аэрозолей/сажевых частиц и сульфатных/серных частиц, заметных в видимом и близком ИК.
- Вертикальный перенос и диффузия переносят введённые вещества в стратосферу — некоторые соединения (например CO) могут жить годами, другие (радикалы, NH3) разрушаются быстрее.
3) Примеры наблюдаемых последствий SL9 (коротко)
- Увеличение концентраций CO и HCN в стратосфере, детектируемое месяцы–годы.
- Сульфурные и сажевые аэрозоли — оптические «шрамы», меняющие альбедо и спектр в видимом/ИК.
- Тепловые всплески и локальные горячие пятна в первые часы–дни.
4) Оценочные масштабы изменений (порядки)
- Массa введённых летучих в стратосферу может быть порядка долей от массы фрагмента, т.е. $10^8$–$10^{13}\mathrm{kg}$ в зависимости от размера/разрушения.
- Следовые молекулы (CO, HCN) могут повыситься локально на порядки величины относительно фоновых миксо-объёмных долей (на Jupiter: локальные повышения до $\sim 10^2$–$10^4$ раз над фоном в первые месяцы, далее спад).
5) Наблюдательная стратегия для будущих столкновений
Цель: быстро измерить введённую массу/состав, вертикальное распределение и эволюцию (темп химических преобразований и осаждения аэрозолей).
A. Быстрая реакция (сразу — первые $0$–$24\mathrm{ч}$)
- Видеофото и оптическая фотометрия (высокая кратность кадров) для засечки вспышки и плазменного света.
- Ближний ИК (1–5 μm) высокоразрешённая спектроскопия для горячих эмиссионных линий CO, H2O, HCN и слежения за температурой плазмы. (земные 8–10 m телескопы + AO; space: JWST/NIRSpec если быстрый таргетинг возможен).
- UV/Фар-УФ (HST) для измерения атомного H/O и фотоионизации.
B. Коротко- и среднесрочно (дни–месяцы)
- Средний/дальний ИК и средневолновая спектроскопия (MIRI/JWST, ground-based mid-IR) для CO2, H2O, органических продуктов и термальной карты.
- Ресольверное субмм/мм-радио (ALMA) для ротаторных линий CO, HCN, H2O — вертикальное профилирование и картография по долготе/широте.
- Радио/см (VLA) для NH3 и динамики глубинных слоёв.
- Непрерывный мониторинг видимого/ИК для эволюции аэрозолей и оптического контраста.
C. Долгосрочно (месяцы–годы)
- Периодические наблюдения (раз в месяцы) в мм/подмм и ИК для отслеживания убывания CO, HCN, H2O и распределения по широтам; оценка времени жизни и перемешивания.
- Поляриметрия и спектрофотометрия для свойств частиц (размер, состав).
D. Технические требования и приоритеты
- Координация: заранее подготовленный план быстрого реагирования с сеткой телескопов (optical, IR, submm, UV, radio).
- Спектральное разрешение: для линий — $R\sim 10^4$–$10^5$ для раздельного анализа профилей и доступа к вертикальной информации; для ALMA — разрешение по скорости $\lesssim 0.5km/s$. (в формулах: $R\sim 10^5$).
- Пространственное разрешение: AO/интерферометрия для картирования ударных шрамов.
- Быстрая публикация слоёв наблюдений и обмен данными между группами.
6) Модельная поддержка и аналитика
- Необходимо оперативно запускать модели ударной химии + фотохимии + динамики (учёт ввода кислорода/серы и микрофизики аэрозолей) чтобы интерпретировать спектры и получить массы вводимых веществ.
- Рекомендовано сравнивать наблюдаемые столбцы молекул с моделями для извлечения доли кометного происхождения и эффективности перемешивания.
Вывод: даже единичные крупные удары (как SL9) локально кардинально меняют химический состав стратосферы и дают многолетние следы (CO, HCN, аэрозоли). Для полноценного физико‑химического вывода необходима координированная, многоволновая и быстро срабатывающая наблюдательная кампания с последующим длительным мониторингом и поддержкой моделирования.