mały|skaluj=1.2|Zdjęcie Plutona wykonane przez odlatującą od niego sondę New Horizons, pokazujące atmosferę Plutona podświetloną przez Słońce. Niebieski kolor jest zbliżony do tego, który zobaczyłoby ludzkie oko, a jego źródłem są warstwy mgły w atmosferze.
Atmosfera Plutona – warstwa gazów otaczająca planetę karłowatą (134340) Pluton.
Atmosfera Plutona składa się głównie z azotu (N2) z niewielkim dodatkiem metanu (CH4) i tlenku węgla (CO), które to gazy uwalniają się z zestalonej postaci, w jakiej znajdują się na powierzchni tej planety karłowatej. Zawiera ona warstwy mgły, składającej się prawdopodobnie z bardziej złożonych związków chemicznych, powstałych z wymienionych gazów wskutek oddziaływania z promieniowaniem kosmicznym. Charakterystyczną cechą atmosfery Plutona są silne i nie do końca poznane zmiany w cyklu pór roku, wynikające z nietypowych parametrów jego ruchu orbitalnego oraz rotacji wokół osi.
Ciśnienie na powierzchni Plutona zmierzone w 2015 roku przez sondę New Horizons to około , czyli mniej więcej 100 tys. razy mniej niż na powierzchni Ziemi. Temperatura na powierzchni Plutona wynosi i szybko rośnie wraz z wysokością, co związane jest z wywoływanym przez metan efektem cieplarnianym. Około nad powierzchnią osiąga ona maksymalną wartość (-163 °C), po czym powoli zaczyna spadać.
Pluton jest jedynym obiektem transneptunowym wokół którego potwierdzono obecność otoczki gazów. Jej najbliższym odpowiednikiem jest atmosfera Trytona, lecz jako układ, w którym przez sublimację i resublimację następuje przepływ materii pomiędzy atmosferą a lodami na powierzchni planety, przypomina także marsjańską (choć tam głównym składnikiem jest CO2, a nie N2).
Atmosfera Plutona badana była od lat 80. XX wieku przez prowadzone z powierzchni Ziemi obserwacje wywoływanych przez niego okultacji gwiazd, a także z wykorzystaniem techniki spektroskopii astronomicznej. W 2015 atmosfera została dokładniej zbadana przez przelatującą w niedużej odległości sondę New Horizons.
Skład mały|skaluj=1.2|Warstwy błękitnej mgły w atmosferze Plutona, ukazane w barwach w przybliżeniu naturalnych Głównym składnikiem atmosfery Plutona jest azot. Udział metanu, według pomiarów przeprowadzonych przez sondę New Horizons, wynosi 0,25%. Udział tlenku węgla szacowany jest na (dane z 2010) bądź (dane z 2015). Pod wpływem promieniowania kosmicznego i słonecznego promieniowania ultrafioletowego gazy te wchodzą w reakcje prowadzące do powstawania bardziej złożonych molekuł, takich jak etan (), eten (), etyn (), cięższe węglowodory oraz nitryle, a także cyjanowodór (HCN). Nie są lotne w temperaturach panujących na Plutonie i powoli osiadają na jego powierzchni. Prawdopodobnie wśród powstających związków są również tholiny, odpowiedzialne za brązowy kolor zarówno Plutona, jak i innych ciał w zewnętrznym Układzie Słonecznym. Udział etenu w atmosferze to około 0,0001%, natomiast etynu 0,0003%.
Najbardziej lotnym związkiem w atmosferze Plutona jest azot, drugim jest tlenek węgla, a trzecim metan. Miarą lotności jest wartość ciśnienia pary nasyconej. W temperaturze (w przybliżeniu minimalna temperatura powierzchni) jest ona równa około dla azotu, dla tlenku węgla i dla metanu, jednak rośnie szybko wraz z temperaturą i przy (w przybliżeniu maksymalna temperatura powierzchni Plutona) dochodzi do odpowiednio: , i dla wymienionych gazów. Dla węglowodorów cięższych od metanu, wody, amoniaku, dwutlenku węgla i cyjanowodoru, ciśnienia te pozostają zaniedbywalnie niskie (rzędu lub mniej), co oznacza, że związki te nie są obecne w postaci gazowej w chłodniejszej, dolnej części atmosfery.
Metan i tlenek węgla, ze względu na mniejsze rozpowszechnienie oraz lotność, mogłyby wykazywać silne odchylenia od ciśnienia równowagowego względem swoich lodów na powierzchni Plutona, a także większe zróżnicowanie stężenia w czasie i przestrzeni. Jak się jednak okazuje, przynajmniej w przypadku metanu, ciśnienie to nie zależy zauważalnie od wysokości (przynajmniej w niższych 20–30 km atmosfery), długości geograficznej ani od czasu. Przebiegi zależności lotności metanu i azotu od temperatury wskazują, że stężenie tego pierwszego w atmosferze powinno maleć wraz z oddalaniem się Plutona od Słońca, które wynika z eliptycznego kształtu jego orbity. Ciśnienie metanu, przewidywane na podstawie prawa Raoulta, przy znajomości składu lodów powierzchniowych, okazuje się być o 2 rzędy wielkości niedoszacowane w stosunku do obserwowanego. Przyczyny tej rozbieżności nie są znane; jednym z możliwych wytłumaczeń jest obecność oddzielnych geograficznie płatów czystego lodu metanowego, które jako mniej podlegające chłodzeniu sublimacyjnemu charakteryzują się wyższą temperaturą. Drugą rozważaną hipotezą jest wyższa zawartość metanu w wierzchnich warstwach mieszanego lodu metanowo-azotowego, który sublimuje szybciej jako bardziej zewnętrzna warstwa, a równocześnie poprzez ten proces odbiera ciepło znajdującemu się głębiej azotowi – oba te czynniki prowadzą łącznie do większego względnego udziału metanu w atmosferze.
Zmiany w nasłonecznieniu powierzchni Plutona, wynikające z cyklu pór roku oraz zmian orbitalnych, powodują przemieszczanie się lodów na jego powierzchni – sublimują one w obszarach cieplejszych i resublimują w zimniejszych. Według niektórych szacunków prowadzi to do zmian w grubości warstwy lodowej rzędu 1 metra. Efekt ten prowadzi do zauważalnych zmian w dostrzeganej jasności i kolorze Plutona, prawdopodobnie spowodowanych również zmianami geometrii obserwacji Plutona z Ziemi.
Metan i tlenek węgla, mimo niewielkiego udziału w atmosferze, mają silny wpływ na jej strukturę termiczną: metan jest silnym gazem cieplarnianym, a tlenek węgla chłodzącym (chociaż wielkość tego drugiego efektu nie jest do końca ustalona).
Mgła mały|skaluj=1.2|Mgła z wieloma warstwami w atmosferze Plutona. Część Sputnik Planitia, z pobliskimi górami, widoczna jest poniżej. Zdjęcie wykonane przez New Horizons 15 minut po momencie największego zbliżenia do Plutona. mały|skaluj=1.2|Krzywa absorpcji słonecznego promieniowania ultrafioletowego przez atmosferę Plutona, zmierzona w czasie przelotu New Horizons przez cień planety karłowatej. Charakterystyczny skok, wywoływany zapewne przez obecną w atmosferze mgłę, widoczny jest po obu stronach ciała niebieskiego. mały|skaluj=1.2|Potencjalne chmury w atmosferze Plutona
Pomiary sondy New Horizons pozwoliły odkryć w atmosferze Plutona wielowarstwową mgłę, która przykrywa całość globu i sięga do wysokości 200 km nad jej powierzchnią – najlepsze uzyskane zdjęcia ukazują w niej około 20 warstw. Rozmiary płatów mgły mierzonych równolegle do powierzchni gruntu wynoszą nie mniej niż 1000 km, a pionowa odległość pomiędzy nimi to około 10 km.
Biorąc pod uwagę niewielką średnią gęstość atmosfery mgła jest stosunkowo gęsta – efekt rozpraszania przez nią światła wystarcza do fotografowania niektórych szczegółów zacienionej strony Plutona. Jej prostopadła głębokość optyczna jest szacowana na 0,004 bądź 0,013. Oznacza to, że pochłania ona światło w takim stopniu, że wiązka przebywająca całą grubość atmosfery prostopadle do powierzchni planety karłowatej traci bądź swojej pierwotnej intensywności. Dla światła przebywającego dłuższą drogę przez atmosferę, na przykład kiedy obserwuje się początek lub koniec zaćmienia gwiazdy przez Plutona, efekt ten jest dużo mocniejszy. Absorpcję światła przez warstwę mgły o określonej grubości dobrze opisuje funkcja eksponencjalna. Długość drogi optycznej, na której intensywność światła maleje e-krotnie, wynosi średnio , przy czym między 100 a 200 km nad powierzchnią maleje do około 30 km; jest to związane z większym zagęszczeniem atmosfery.
Rozmiar cząstek tworzących mgłę nie został dobrze ustalony – korzystając z modelu Mie, z jednej strony jej niebieski kolor sugeruje promień rzędu 10 nm (przybliżenie Rayleigha), z drugiej stosunek jasności mierzonej pod różnymi kątami od padającego światła wskazuje na promień przekraczający 100 nm. Tę rozbieżność można tłumaczyć przez łączenie się mniejszych cząstek o rozmiarach rzędu dziesiątek nanometrów w większe agregaty o rozmiarach rzędu setek nanometrów.
Prawdopodobnie mgła składa się z cząsteczek nielotnych związków, które powstają z gazów atmosferycznych pod wpływem wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego. Ich podział na warstwy może wynikać z fal wypornościowych, a same fale mogą być wywoływane przez wiatr wiejący po nierównej powierzchni Plutona.
Mgła jest najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem skoku na krzywej intensywności światła ultrafioletowego w funkcji czasu lotu, zmierzonej przez sondę New Horizons podczas jej lotu w cieniu Plutona (na obrazku). W odległości do od poziomu gruntu atmosfera pochłania promieniowanie dużo silniej niż w wyższych jej partiach. Podobny skok obserwowany był podczas okultacji gwiazdy w 1988 roku. Początkowo zostało to również zinterpretowane jako pochłanianie światła przez mgłę. Innym możliwym czynnikiem jest inwersja temperatury, wskazywana przez niektórych badaczy jako bardziej prawdopodobna. Grubość warstwy odpowiedzialnej za skok na krzywej była w tamtych czasach niemożliwa do określenia ze względu na niedokładną znajomość promienia Plutona; to, co dało się określić, to jej odległość od środka globu. Uwzględniając aktualne dane na temat promienia Plutona, otrzymuje się wartość , co czyni tę „mgłę” nieodróżnialną od powierzchni. Podczas późniejszych zaćmień (kiedy atmosfera Plutona była już ponad dwa razy gęstsza), skok ten nie został już zaobserwowany.
Następne dowody na obecność mgły pojawiły się w roku 2002, w związku z kolejną okultacją. Światło gwiezdne docierające na Ziemię w trakcie okultacji (ze względu na refrakcję w atmosferze Plutona) charakteryzował wzrost jego intensywności w kierunku większych długości fal. Zostało to zinterpretowane jako przekonujący dowód na występowania rozpraszania światła przez aerozole obecne w atmosferze planety karłowatej (efekt podobny do czerwonego koloru, którym charakteryzuje się Słońce blisko swojego wschodu i zachodu). Zjawisko to nie zostało jednak potwierdzone w późniejszych zaćmieniach (w tym 29 czerwca 2015), a 14 lipca 2015 przelatująca sonda New Horizons ustaliła, że mgła ma kolor niebieski.
W ostatniej partii zdjęć wykonanych przez sondę New Horizons widoczna jest też pewna ilość potencjalnych chmur.
Temperatura i jej struktura Pluton nie posiada troposfery albo jest ona niezwykle słaba. Obserwacje sondy New Horizons sugerują istnienie cienkiej planetarnej warstwy granicznej, co jest w zgodzie z modelami, które przewidywały jej grubość na nie więcej niż 1 km. Powyżej niej znajduje się warstwa charakteryzująca się szybkim wzrostem temperatury wraz z wysokością – stratosfera. Pionowy gradient temperatury szacowany jest na 2,2, bądź 5,5 K na kilometr, co związane jest z efektem cieplarnianym wywoływanym przez metan. Średnia temperatura powierzchni Plutona to (zmierzona w 2005 roku), a średnia wartość dla całej atmosfery to (2008).
Na wysokości temperatura osiąga wartość maksymalną (; stratopauza), po czym powoli opada (około ; mezosfera). Przyczyny tego spadku nie są jasne; można się ich dopatrywać w chłodzącym efekcie tlenku węgla, cyjanowodoru bądź innych czynnikach. Do przelotu sondy New Horizons uważano, że powyżej 200 km temperatura osiąga około i pozostaje w przybliżeniu stała, jednak zebrane podczas tamtej misji dane wykazują, że na wysokościach temperatura jest jeszcze niższa, około 70 K; odkrycie to dodatkowo powiększa trudności w wyjaśnieniu efektu chłodzącego zachodzącego w górnych warstwach atmosfery Plutona.