שבתאי: סיכום ביניים של ממצאי הקסיני. חלק ב'

הפעם נעסוק באטמוספירה ובתופעות המאפיינות אותה. כתבה שניה בסדרה

לחלק א'

אטמוספירה

צילומי האטמוספירה באורכי גל שונים מגלים פנים נוספות של שבתאי.באורך גל 2.3 מיקרון צד היום של שבתאי הוא ירקרק-צהוב. ב-5.1 מיקרון החזר האור משבתאי הוא חלש והגורם הדומיננטי באור הבא מהכוכב הוא קרינת החום הנפלטת ממנו. פליטת החום דומיננטית בצד החשוך באותה מידה בה קיימת התופעה בקוטב הצפוני ובאזורים המוצלים על ידי טבעות A ,B .כמויות משתנות של עננים באטמוספירה העליונה חוסמות את קרינת החום ויוצרות כתמים הנמצאים בתנועה בשל הרוחות החזקות. התצלום באורך גל 5.1 מיקרון האור בא מלמטה בלילה והוא נוצר בתוך שבתאי,עולה למעלה ובורח לחלל. עננים עמוקים חוסמים אור זה. במקום זה רואים קווים כהים וכתמים המקיפים את שבתאי.ראוי עם זה לציין שבאורך גל זה אפשר לראות את העננים העמוקים בחלק משעות היום, במיוחד במקומות בהם שכבת האובך היא דקה ונצנוץ השמש עליהם הוא מינימלי. עננים אלה עשויים כנראה מאמוניום הידרוסולפיד( Amonium Hydrosulfid ). ואי אפשר לראות אותם באור המשתקף בצד היום (7 ).

שילוב בין תצפיות ארציות שנמשכו 22 שנה וממצאי הקסיני חשף תופעה גלית שמכדור הארץ אפשר לראות פעם ב-15 שנה.דפוס זה דומה לתופעה המתרחשת בשכבות העליונות של האטמוספירה הארצית. על כדור הארץ תנודה זו נמשכת שנתיים .תופעה דומה מתרחשת גם על צדק ומשכה 4 שנים. היא יוצרת גלים הנעים קדימה ואחורה באטמוספירה העליונה של שבתאי.במרחב זה הטמפרטורות נעות מגובה אחד למשנהו בתצורת מקלות של סוכריות.פעם הן חמות ופעם הן קרות. הטמפרטורות המשתנות גורמות לרוחות באזור זה לשנות את כיוונן ממזרח למערב,לקפוץ קדימה ואחורה.התוצאה היא שהאזור כולו מתנדנד כמו גל. שינויי החום גילו תופעות נוספות.אחת מהן היא מעברי חום קור בקו המשווה וחילופי חום קור משני צידי קו המשווה בכל מחצית שנה של שבתאי( 8 ).

בקווי רוחב גבוהים בחצי הכדור הדרומי נמצאות רצועות בהירות הקשורות לכיוונים משתנים ממזרח למערב וממערב למזרח של זרמי הסילון.זרמי סילון אלה יוצרים קווי גבול מערבולתיים בהשפעת רוחות גזירה והבדלי צפיפות בין רצועות סמוכות(9 ).בתצלום 06503 PIA בקווי רוחב דרומיים גבוהים האטמוספירה מכילה מימן והליום טהור ומעט מהאובך הסטרטוספרי הגורם להחשכה סמוך לקוטב(10).

עננים

בין השנים 1994-2002 הטלסקופ האבל שידר ארצה למעלה מ-100 תצלומים ברזולוציה גבוהה של שבתאי ואבחן יותר מ-100 אפיוני עננים שאפשרו מדידה של רוחות.מבחינת עונות השנה חצי הכדור הדרומי היה בעונת האביב ותחילת הקיץ. במהלכה של תקופה זו חלו שינויים בענני קו המשווה. התצורות בהן הבחינו חלליות הוויג'ר היו פלומות בהירות.הטלסקופ האבל הבחין בתצורות נוצתיות מורכבות יותר(11). באופן כללי העננים והאובך בחצי הכדור הצפוני דקים יותר מאלה שבחצי הכדור הדרומי, כנראה בשל שינויים עונתיים .אזורים שצבעם אדום בהיר מעידים על כך שהם נקיים יחסית מעננים עמוקים וחלקיקים ,שעה שצבע אדום כהה מעיד על אזורים מעוננים. תצלומים מסוג זה מראים על עננים עמוקים הן בצד היום והן בצד הלילה של שבתאי(6).

בתצלום 03557 PIA רואים עננים בעומק 30 ק”מ מתחת לעננים שבדרך כלל נראים באטמוספירה.תצלום זה שונה מהמבט על שבתאי המפזר את אור השמש(12).בתצלום 09186 PIA אפשר להבחין בעננים בעומקים שונים.הצבע האדום בתצלום מראה על קרינה באורך גל של 5 מיקרון או חום הנוצר בחלקים הפנימיים של שבתאי הבורח החוצה. עננים בעומק של 100 ק”מ חוסמים את האור ואפשר לראות אותם בהצללה על רקע החום הלוהט הפנימי של שבתאי(13).תצלום המשלב אור נראה ואינפרה אדום מה-27.4.2006 גילה תופעה חדשה בקו רוחב N°40. התגלתה תצורה של מחרוזות פנינים המשתרעת לאורך 60,000 ובמרווח של °3.5 אחת מהשניה.הסדר בו הן מופיעות מעלה את האפשרות שמדובר בחשיפה של גל פלנטרי גדול(14).

סדרת תצלומים שנעשו בקוטב הדרומי על ידי שני מכשירי מחקר גילתה סערה דמוית הוריקן מתערבלת באזור זה ועננים בעומקים שונים מסביב לקוטב.אורכי הגל השונים שבהם נעשו הצילומים מעידים על עומקם של העננים המשתרעים לגובה עשרות קילומטרים. מאות סופות מקיפות את הקוטב והן נראות ככתמים שחורים באינפרה אדום והכתמים בהירים ושחורים באור השמש.כל כתם מייצג סערה.לא דומה בשום דבר למה שנצפה בכוכבי לכת אחרים. האפקטיביות של סערות עננים אלה בהסתרת החום הפנימי של שבתאי מראה עד כמה הן עבות(15 ).

ברקים ורעמים

החוקרים הבחינו בסערת ברקים קטנה במהלך 2005 השונה מהותית ממה שמוכר על כדור הארץ.מעקב אחר סופה של התפרקויות חשמליות החל ב-23.1.2006 הגדולה משטחה של ארה”ב ובה הבזקי ברקים החזקים פי 1000 מאלה הקיימים על כדור הארץ. הסערה היא כנראה מקור לפליטת גלי רדיו,תוצר של התפרקויות חשמליות עמוק בתוך האטמוספירה.הברקים יכולים להופיע באופן פתאומי ולהימשך מספר שבועות ואפילו חודש.המקור לתופעה מטארולוגית זו לא ברור,אם כי יתכן והוא קשור לחום הפנימי של שבתאי. עוצמתם של הברקים גדולה מזו שנצפתה על ידי וויג'ר 1. המקום בו נפלטו גלי הרדיו שהקסיני צפתה בהם ב-2004 במהלך התקרבותה לשבתאי קיבל את השם “שדרת הסערה” (Storm Alley ) בשל הפעילות הגבוהה שנצפתה בו. אורכה של הסערה בכיוון צפון דרום 3500 ק”מ(16).מקומה המדויק של הסערה W° 168 S ° 36 .

הסערות החשמליות דומות לרעמים ארציים אך בקנה מידה גדול יותר. קוטר הסערות של שבתאי אלפי קילומטרים ועוצמתם של אותות רדיו חזקה יותר מהסערות החזקות ביותר על כדור הארץ. הבזקי אור בסערות המתמשכות יוצרים גלי הרדיו הנקראים התפרקויות אלקטרוסטטיות של שבתאי.אחת הסערות האלה נצפתה החל מה-27.11.2007 ונמשכה מספר חודשים.הסערה נצפתה באזור הנקרא שדרת הסערה (17).

סערות

התברר כי שבתאי הוא כוכב דינמי מאוד. באטמוספרה שלו מתחוללות סערות רבות עוצמה ונושבות בו רוחות חזקות. בחצי הכדור הדרומי הובחנה פעילות רבה במיוחד.להמחשת היקף פעילותן של הרוחות תוצגנה מספר דוגמאות על פי סדר כרונולוגי מבחינת תאריכי התרחשותן.

1. 10.8.2004 –צולמו מספר סערות כהות כולל סערה עם טבעת בהירה מסביבה(18 ).

2. 18.9.2004 -סערה בהירה בשדרת הסערה(19 ).

3. 19.9.2004 – צולמו סערות רבות ומסביבן עננים בהירים בקו רוחב בו הרוחות נושבות לכיוון מערב.אחד המקומות היחידים בהם הרוחות נושבות לכיוון זה.המקום הוא שדרת הסערה(20 ).

4. 6.7.2005 -תצורות דמויות חוטים דקים נעות בתנועה לוליינית מסביב לשתי סערות אליפטיות הנעות בכיוון מנוגד לתנועת ההוריקנים המקיפים את שבתאי.לא ברור מה מקורם של חוטים אלה.יתכן שהם

מייצגים חומר המחבר סערות שהתפצלו מסערה אחת גדולה.יכול גם להיות שהספירלות הן רוחות הנעות באטמוספירה(21 ).

5. 27.1.2006 -נצפתה סערה נדירה ורבת עוצמה בצד הלילה של שבתאי.יכול להיות שהסערה היא מקור לפליטת גלי רדיו הבאה מהתפרקויות חשמליות עמוק באטמוספירה.אורך הסערה בכיוון צפון דרום 3500 ק”מ ומיקומה W °168 S ° 36 .צילום זה נעשה כאשר התגלו פליטות של גלי רדיו.פליטת גלי הרדיו נפסקה למשך מחצית יום של שבתאי כאשר הסערה היתה בצד השני.רצועה צרה של ענן חוצה את הסערה משמאל לימין(22 ) .

6. 16.2.2006 -ברק גדול נצפה בשדרת הסערה.מצד שמאל ממערב (שמאל בתמונה) רואים מערבולת שהסערה בה נעה מזרחה יחסית לרוחות הנעות מערבה בקו רוחב זה. מאז שהקסיני החלה בתצפיותיה באזור זה התפתחו שתי סערות גדולות ורבות עוצמה(23 ).

7. 19.5.2008 -בשדרת הסערה רואים סדרה של סערות כהות. כל אחת בקוטר מאות קילומטרים(24 ).

בכדור הארץ במרכז בסיסם התחתון של הוריקנים הלחץ האטמוספרי נמוך והוא גבוה בפסגה,מקום בו הסערה משוטחת.סערות בשבתאי דומות להוריקנים ארציים,אם מה שרואים הוא אכן פסגות של עננים.תדירות הסערות על שבתאי דומה לתדירות של הסערות הארציות והחלק היחסי מפניו של שבתאי המכוסה על ידי עננים דומה לאותו חלק מפניו של כדור הארץ המכוסה על ידי עננים. לשם השוואה הקוטר של ההוריקן קטרינה 380 ק”מ, שעה ששתי סערות שנצפו על ידי הקסיני בפברואר 2002 קוטרן יותר מ-1000 ק”מ כל אחת.המקורות להוריקנים ארציים הם האוקיינוסים. הם מספקים כמות גדולה של אנרגיה סולרית ובו בזמן הם מקור של לחות עבור זרמי קונבקציה הסוחפים אנרגיה מהאוקיינוסים לאטמוספירה ויוצרים סערות עננים שבעקבותיהם באים גשמים. המנגנון בשבתאי שונה לחלוטין.תוכו של שבתאי פועל כמו אוקיינוס והוא אוגר אנרגיה, אך זו לא באה מהשמש.הכוכב יוצר את האנרגיה שלו בעצמו.סערות יכולות להתמזג ולהתפצל לסירוגין.ההיגיון אומר שהתמזגותן של שתי סערות תיתן סערה גדולה יותר ,אבל הגודל לא משתנה(25 ).

מערבולות

חלק נכבד מהדינמיקה הסוערת של שבתאי בא לידי ביטוי במערבולות הענק המתחוללות באטמוספירה. מערבולות על פי הערכה נוצרות על ידי כוחות גזירה הפועלות בין זרמי סילון הנעים בכיוון מערב ובכיוון מזרח החולפים זה ליד זה באטמוספירה.תופעות אלה יכולות להימשך חודשים או שנים.הן יכולות לגדול על ידי התמזגות זו עם זו עד שהן נגזרות על ידי רוחות חזקות.גם כאן יוזכר חלק מהן על פי סדר כרונולגי.

1. 9.10.2004 -נראה קו גבול סוער בין שתי רצועות רוחביות מתגלגל האטמוספירה החוזר על עצמו.זו דוגמה לאי יציבות קלווין הלמולץ(Kelvin Helmoltz) המתרחשת כאשר שני נוזלים בעלי צפיפויות שונות חולפות אחת ליד השניה במהירויות שונות.תופעה זו נפוצה בכוכבי הלכת הגזיים(26 ).

2. 5.12.2004 -מעין משעולים החולפים תוך כדי נגיעה זה בזה. התצורות המערבולתיות בתחתית התמונה מעלות אפשרות של אינטראקציה מערבולתית בין אזורים רוחביים בעלי צפיפויות שונות הנעים במהירויות שונות. סערה בעלת תצורה ליניארית למעלה בתמונה מעידה על תנאים יציבים יותר בזרימה(27 ).

3. 6.12.2004 -תצורה אליפטית גדולה בחצי הכדור הדרומי המזכירה את הכתם הגדול של צדק,הגם שהיא קטנה יותר( 28 ).

4. 6.12.2004 – בחלק התחתון של התמונה רואים נחשולים הנוצרים בקווי גבול מערבולתיים בין שתי מסות אוויר בעלות צפיפויות שונות הנעות במהירויות שונות.תנועה זו מנוגדת לרצועה כהה צפונית יותר, אשר לה תצורה ליניארית והיא נעה באזור יציב ללא תופעה מערבולתית המתערבת בה. תצורה צפונית יותר היא בעלת מורפולוגיה דומה(29 ).

5. 4-5.7.2005 -שני תצלומים בהפרש של שני ימי שבתאי זה מזה באזור שבין S ° 42 – S °23 .שתי מערבולות(vortices) מתערבות בין תנועות מערבולתיות באטמוספירה.באזור הנמצא מתחת למרכז התמונה ב- S °35 נראית סערה פעילה שנצפתה מאז הגעתה של הקסיני.תצפיותיה של הקסיני בין פברואר לאוקטובר 2004 מראות שמרבית הסערות האליפטיות סמוך לקו הרוחב S °35 נעות נגד כיוון השעון יחד עם סערות קטנות המתמזגות עם סערות גדולות יותר(30 ).

6. 20.8.2005 -שני תצלומים שנעשו בהפרש של 23 דקות זה מזה ובהם רואים מערבולות פעילות רבות באטמוספירה.רואים את המבנה החוטי של הזרם באטמוספירה. על רבים מהעננים הצרים ישנם פסים צרים ומתרחבים המתמשכים ומתגלגלים על פני מרחקים גדולים,שומרים על ייחודם ולא מתערבבים עם חלקיקי אוויר סמוכים להם. סוג זה של התנהגות נקרא מערבולתיות דו-מימדית( two dimensional turbulence ). במערבולתיות דו-מימדית ההתנהגות היא של נוזל זורם בדומה למה שרואים בבועות סבון או בקרום שומני הזורם על מים.למערכות אלה עובי יחסי רב והפיזיקה שלהן שונה מזו של מערבולות תלת- מימדיות(31 ).

רוחות

על שבתאי נושבות רוחות חזקות מאוד, מהירויותיהן שונות ממקום למקום והן גם משתנות לאורך זמן.כך למשל כאשר חלליות הוויג'ר הגיעו לשבתאי ב-1980-1981 נמדדה מהירות של 1700 קמ”ש ובמהלך 20 השנים הבאות היא ירדה ל-1000 קמ”ש(11 ).טכניקה שמשתמשים בה למדידת דינמיקה של תופעות אסטרונומיות היא שימוש ברצפים של תצלומים. התברר שהרוחות מסביב לקוטב הדרומי נושבות עם כיוון השעון ומהירותן 550 קמ”ש(32).כמו על כדור הארץ כך גם על שבתאי קיימים זרמי סילון.זרם כזה זוהה בצילום שנעשה ב- 5.2.2005 ב- S °27.5 ונצפו בו רוחות הנושבות במהירות של 320 קמ”ש. מעקב רצוף אחר עננים באזור זה במשך 10 שעות (כיממה של שבתאי) הראה שהמערבולות בכל צד של זרם הסילון מעבירות לו אנרגיה ותנופה(momentum) כדי שהרוחות תמשכנה לנשוב בזרם זה.הרוחות הן כה חזקות עד כדי התמזגותן זו עם זו ומושכות את המערבולות לתוך קווי זרימה בהירים. ניתוח התצלומים המכסים את מרבית חצי הכדור הדרומי מעלה את האפשרות שתהליכים דומים מתרחשים על הכוכב כולו ומסבירים את היציבות רבת השנים –עשרות שנים- של הדפוסים המשתנים מזרחה ומערבה של זרמי הסילון.זה מה שמתרחש גם בצדק ובכדור הארץ לאורך קו החוף המזרחי של ארה”ב.המערבולות בתצלום זה יוצרות צירקולציות של תנועות מעלה ומטה בקווי רוחב שונים היכולות להסביר את המבנה הרצועתי של מערך העננים הגלובלי בכוכבי לכת דמויי צדק(33). בתצלום מה- 17.9.2007 נמדדה רוח במהירות של 360 קמ”ש (34 ).

לחלק א'

מקורות:

7. PIA09212: Neon Saturn

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA09212

8.”Saturn does the wave in upper atmosphere” 7.5.2008

http://www.spaceflightnow.com/news/n805/07saturn/

9.PIA06546: Nope not Jupiter

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06546

10.PIA06503: South pole in ultraviolet

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06543

11.Whitehouse D.-“Saturn’s winds decrease” 5.6.2003

http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/1962688.stm

12.PIA03557: A new view of Saturn

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA03557

13.PIA09186: Saturn’s strange hexagon

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA09186

14.PIA01941: String of pearls

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/ PIA01941

15.PIA08333: Saturn’s surprisingly stormy south

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/ PIA08333

16.”Cassini sees giant lighting storm on Saturn” 14.2.2006 http://www.sciencedaily.com/releases/2006/02/060215090726.htm

17.”NASA spacecraft tracks raging Saturn storm” 30.4.2008

http://www.saturndaily.com/reports/ NASA _Spacecraft _Tracks _Raging_ Saturn _Storm_999.html

18.PIA06482:The stormy south

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06482

19.PIA06517: The storms continue

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06517

20.PIA06507: Energetic atmosphere

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06507

21.PIA07564: Filaments and vortices

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA07564

22.PIA07789: Storm at night(reprojected view)

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA07789

23.PIA08142: Against the current

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA08142

24.PIA10411:Swirling storms

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA10411

25.”Saturn storms dwarf Earth hurricanes in size and longevity” 20/4/2006

http://www.saturndaily.com/reports/ Saturn _Storms _Dwarf_ Earth _Hurricanes_Iin_ Size_ And_ longevity.html

26.PIA06502:Rough around the edges

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06502

27.PIA06576:Going with the flow

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06576

28.PIA06546:Nope’not Jupiter

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06546

29:PIA06580:Mixing Saturn

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA06580

30.PIA07562 :Saturn’s anti-hurricanes

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA07562

31.PIA07594 :”2-D” flow

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA07594

32.”NASA sees into the eye of a monster storm on Saturn” 10.11.2006

http://www.saturndaily.com/reports/ NASA _Sees _Into _The_ Eye Of_ A_ Monster_ Storm_ On_ Saturn_999.html

33.PIA08368 :Powering Saturn’s jets

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA08368

34.PIA09755 : Whirlwinds of Saturn

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA09755