ידענים: החללית גלילאו | וויאג'ר | ניו הורייזונס | פיוניר 10 | קאסיני הויגנס

מאת 25 בדצמבר 2009 תגובה אחת

במחקרים השוואתיים נמצא דמיון רב בין זרמים אוקיניים מסויימים על כדור הארץ לבין הרצועות המאפיינות כוכבי לכת גזיים גדולים כמו צדק

הכמוסה ששיגרה גלילאו לאטמוספירת צדק ב-1996. איור: נאס''א

הכמוסה ששיגרה גלילאו לאטמוספירת צדק ב-1996. איור: נאס''א

אטמוספירה

בדיווח שנמסר במרס 1996 דווח כי המידע ששודר ארצה על ידי הכמוסה שחדרה לאטמוספירה מורה כי היחס בין המרכיבים העיקריים – 71% מימן ו-24% הליום – קרוב לזה שבשמש. על פי נתון זה המסה העיקרית של צדק לא השתנתה מאז היווצרותו. על פי ניתוח הממצאים הכמויות של יסודות כבדים יותר כמו פחמן, חנקן וגופרית גבוהות יותר מאשר בשמש. המשמעות היא ששטף המטאוריטים וגופים קטנים זוהרים שפגעו בצדק מילא תפקיד חשוב יותר בהיווצרותו של צדק (11). בבדיקת הדיאטריום (איזוטופ של מימן) התברר כי הריכוז שלו דומה לזה שנמצא בשמש ושונה מהותית מריכוזו בשביטים ובאוקינוסים על כדור הארץ. על פי ממצא זה לשביטים לא הייתה שום השפעה מהותית על הרכב האטמוספרה (12). על פי הממצאים חייב להיות איזה שהוא מנגנון המרחיק את ההליום מצדק מכיוון שהשכבות החיצוניות של השמש איבדו יסוד זה. תהליך זה בהתפתחותו של צדק החל מאוחר יותר ממה שחשבו (12). כן נמצאו כמויות מינימליות של חומרים אורגנים, מה שמעיד על כך שתרכובות מורכבות של פחמן ומימן הן נדירות ולכן קטנים הסיכויים למצוא פעילות ביולוגית דומה למה שמוכר על כדור הארץ (11).

מעקב שנמשך 4 שנים גילה כמויות גדולות יותר ממה שחשבו עד כה של ארגון, קריפטון וקסנון, פי 3 ממה שנמצא בשמש. ממצאים אלה מאלצים את החוקרים לגבש תפיסות חדשות לגבי היווצרות כוכב הלכת ואולי גם לגבי מערכת השמש. יסודות אלה אינם מתחברים ליסודות אחרים. הם נדירים או לא קיימים בכלל בגופים הנמצאים פנימה למסלולו של נפטון, תחום בו הטמפרטורות גבוהות יחסית בהשוואה למה שנמצא מעבר למסלול של כוכב לכת זה. השאלה המתבקשת מה מקורה של נפיצות גבוהה זו. הועלו 3 אפשרויות להסבר התופעה. אפשרות אחת שהערפילית שממנה נוצרה מערכת השמש היתה קרה יותר ממה שמקובל במודלים השונים המטפלים בהיווצרותה של מערכת השמש. אפשרות שניה שצדק נוצר במקום מרוחק יותר ממיקומו הנוכחי ונדד פנימה. אפשרות שלישית שהפלנטסימלים (planetesimals) החלו להיווצר בשלב מוקדם יותר ובמהירות יותר גבוהה לפני שהדיסקה של מערכת השמש החלה להתחמם (13).

אמוניה פוספין (phosphine) ואדי מים יכולים להתעבות (condense) וליצור אקלים מורכב. המידע שהגיע מהגלילאו הראה כי מים במיוחד, יכולים להשתנות. נתון זה יכול להעיד על הנפיצות הנמוכה שלהם כאשר הכמוסה של הגלילאו חדרה לאטמוספירה (3).

ברקים מופיעים בעיקר ב-belts וקשורים לעננים גבוהים ובהירים המופיעים פתאומית וגדלים בטווח של ימים למימדים של 1000 ק"מ קוטר. הלחץ האטמוספרי בפסגת העננים הוא מאות מיליבר, מקום בו יכולה להיות התעבות של אדי מים, אמוניה וגופרית דו מימנית. בסמוך לעננים אלה נמצאים עננים שהלחץ בהם הוא יותר מ-3 אטמוספירות והדבר היחידי שמתעבה בהם הוא מים. בהסתמך על נפיצות המים עמוק באטמוספירה ההערכה היא שהלחץ האטמוספרי בבסיס ענן המים הוא 6 בר. המים הם סוכן החשמול העיקרי. שיעור ההתעבות של החומרים האחרים מצומצם יותר מכיוון שנפיצותם קטנה יותר מזו של המים (14).

על פניו של צדק רואים רצועות אופקיות מקוטב לקוטב, הרצועות הן כהות ובהירות לחילופין. הרצועות הכהות נקראות belts והרצועות הבהירות נקראות zones. ל-belts הופעה כאוטית ול-zones מבנה אחיד יותר. זרמי הסילון של ה-zones ממוקמים בקו הגבול שבין ה-belts וה-zones. זרמי הסילון של ה-zones הנמצאים בקו הגבול הפונה לקטבים של ה-belts נעים מערבה. אלה שנמצאים בקו הגבול הפונה לקטבים של ה-zones נעים מזרחה. לכן ה-belts הם ציקלונים וה-zones הם אנטיציקלונים. ממצאי הגלילאו מראים כי הברקים מתרחשים בעיקר ב-belts וקשורים לאשכולות העננים הבהירים והעבים (14). ההערכה המקובלת היתה שה-zones הם מקומות בהם האטמוספירה עולה למעלה מכיוון שעל כדור הארץ עננים נוצרים כתוצאה מעליית אוויר. על בסיס ההערכה כי מה שעולה למעלה חייב לרדת התייחסו ל-belts כמקומות בהם האוויר יורד. על בסיס ממצאי הקאסיני התברר כי גם בהם נמצאות סערות העולות למעלה. נמצאו 43 סערות. התמונה המתגבשת היא שה-belts הם המקום בו האוויר עולה למעלה וכי ב-zones התנועה היא כלפי מטה. תצפיות אלה הופכות על פניה את ההערכה שהיתה מקובלת במשך 50 שנה (15).

במחקרים השוואתיים נמצא דמיון רב בין זרמים אוקיניים מסויימים על כדור הארץ לבין רצועות המאפיינים כוכבי לכת גזיים גדולים כמו צדק. הרצועות הנראות של צדק נוצרות על ידי עננים הנעים לאורך מערך של זרמים יציבים המתחלפים ביניהם. התברר שהאוקינוסים על כדור הארץ מכילים זרמים יציבים המתחלפים בינם לבין עצמם. דמיון זה כנראה מכיל יותר ממה שנראה בתצפיות על זרמי ה-zones בכוכבי הלכת החיצוניים. ספקטרום האנרגיה של הזרמים האוקיניים מתנהג על פי חוק המתאים לספקטרום של זרמי ה-zones החיצוניים. תצפית זו מעוררת את השאלה באם דמיון זה מקורו בחוקים פיזיקליים דומים. כדי לענות על שאלה זו יש להגדיר מה הם התהליכים הפיזיקליים הפועלים בדינמיקות אדירות מימדים בשתי המערכות. על פי ההערכה מקורן של שתי תופעות אלה הוא בזרם מערבולתי הנמצא מתחת לתופעה הנצפית (16).

ה-New horizon צילמה גלי גרביטציה בסדר גודל בינוני באזור המשווני של האטמוספרה. גלים צפים כאלה (buoyancy waves) מצויים גם בכדור הארץ. הם יכולים להיגרם במצב בו זרם אוויר חולף מעל הר ומתפתח ענן הנע כלפי מטה. על צדק אין הרים, אך אם התנאים האטמוספריים בצדק מתאימים, יכולה להיווצר שרשרת ארוכה של גלים קטנים אלה. המקור לגלים אלה הוא כנראה עמוק באטמוספירה מתחת לעננים הנראים, במקום בהם שורר לחץ של 10 אטמוספירות. מהירותם של גלים אלה היא 360 קמ"ש, מהר יותר מהעננים בסביבתם, שווה ערך ל-25% ממהירות הקול על כדור הארץ. מהירות גבוהה יותר ממה שמודלים צפו לסוג זה של גלים (17).

אקלים

השילוב בין אוויר קר ליבש לבין אוויר חם ולח הופך את האטמוספרה למקום אידיאלי עבור דפוסים של מזג אוויר פרוע. במספר מקומות האוויר עולה כלפי מעלה, מתעבה (condense) ויוצר עננים אדירי מימדים ורצועות בעלות צבעים בהירים. במקומות אחרים האוויר שוקע ויוצר רצועות כהות וגם hot spots כהים (18). בהסתמך על תצפיות מהטלסקופ האבל וממצפה הכוכבים ב-keck הועלתה ב-2004 האפשרות שצדק נמצא בעיצומו של שינוי אקלימי גלובלי. על פי דיווח שנמסר ב-2008 צדק נהיה חם יותר סמוך לקו המשווה וקר יותר סמוך לקוטב הדרומי (19). ב-2000-1998, 3 סערות גדולות התמזגו והיתה להם כנראה השפעה על אקלים הכוכב כולו. הקוטב הדרומי מתקרר וקו המשווה מתחמם. התרוממות האוויר האחרונה היא כנראה הדרך בה צדק מתאים את עצמו לשינוי אקלימי (20).

עננים
מבנה העננים של צדק הוא מורכב. הדרך היעילה ביותר להתייחס לכך הוא מ-5 היבטים המאפשרים את המבט הכולל.
1. אופי האובך סמוך לטרופופאזה (הגבול שבין הטרופופאוזה לסטרטוספרה) ומעליה, היוצר את השכבה או השכבות העליונות.
2. שכבת העננים העיקרית הנמצאת בתחום הלחצים של 0.7-1.5 אטמוספירות. היא מכילה כנראה אמוניה ו-NH4SH והם הגורמים העיקריים לעמעום (opacity) – להופעות המשתנות של צדק באזור הנראה ובאינפרה אדום.
3. שכבת העננים העמוקה, סמוך לקצה גבול היכולת של החישה מרחוק, שכבה שבאופן בולט היא מיימית.
4. שינויים אופקיים בשכבות שצויינו בשלושת ההיבטים הקודמים בפרט בהיבט השלישי.
5. מבנה העננים בתצורות קומפקטיות כמו מערבולות אדירות מימדים, בפרט הכתם האדום הגדול.

העננים הלבנים היוצרים הרבה מהתצורות שרואים באטמוספירה מכילים קרח אמוניה. לידיעה זו הגיעו על סמך מדידות ומודלים מעבדתיים. אמוניה מתעבה (condense) לקרח בלחצים של 0.7-1 אטמוספירות ובטמפרטורות המתאימות להתעבות והתכונות הספקטראליות של עננים אלה, מתאימים לאמוניה. ענני האמוניה הם עבים מבחינה אופטית ב-ZONES המעוננים בתחום הנראה ובאינפרה אדום הקרוב, אך שקופים למחצה באורכי גל של 5 מיקרון ויותר. עננים אלה הם האחראים לתצורות הנראות על צדק בתצפיות מכדור הארץ ובתצפיות חלליות.

רוב הקרינה שנמדדה ספקטרוסקופית נוצרה כנראה מתחת לענני האמוניה ומפוזרת דרכה, והפליטה כנראה ב-belts מדוללת על ידי עננים של קרח האמוניה. היסטוגרמים של בהירות ב-5 מיקרון בצד הלילי מראים שיא צר ב-C°108- (1 אטמוספירה) ושיא רחב יותר ב-C°33- (3.5 אטמוספירות) ל-zones ול-belts בהתאמה. ההבדלים בין היום ללילה ב-5 מיקרון מראים שהשתקפות השמש ופליטת קרינת חום תורמים לפליטה בצד היום. הספקטרום המתאים לשטף הלילי ב-5 מיקרון מראה שמקורו בפליטה תרמית המדוללת על ידי ענן האמוניה.

מודלים תרמוכימיים מנבאים כי עמוק יותר מתחת לענני האמוניה נמצא ענן של אמוניום הידרוכלוריד (KA3H2S או NH4SH) יתעבה (condense) בטמפרטורה של C°93- ובלחץ של 1.5 אטמוספירות. בענן ה- NH4SHיש חלקיקים גדולים וכי הוא הגורם להשתנותה של העמימות של צדק באורכי הגל האינפרה אדומים. נתון זה מעלה את האפשרות שענני האמוניה ה- NH4SH מתפתחים באותו מקום.

ענני המים שנצפו על ידי מודלים תרמוכימיים בהסתמך על מדידות של כמוסת הגלילאו, נמצאים בסביבה של 5 אטמוספירות. באזור שקוף אחר סמוך לכתם האדום הגדול התגלה ענן עמוק באורך של 1000 ק"מ ובלחץ של 4 אטמוספירות, מה שפורש כענן מים מאחר שאין חומר אחר על צדק המתעבה (condense) בלחץ אטמוספרי כזה (21).

רצועות העננים קשורות לזרמי סילון מהירים מאוד. תנועת העננים היא לכיוון מזרח ולכיוון מערב והמהירויות יכולות להגיע למאות קילומטרים לשעה. על כדור הארץ רוחות מקבילות נעצרות סמוך לקרקע. על צדק אין קרקע והפרופיל של הרוחות תלוי במקור האנרגיה או שמקור האנרגיה פנימי (כמו התכווצות בשל כוח המשיכה). הרוחות תשארנה חזקות או תתחזקנה עם העומק. ההיפך הוא אם מקור האנרגיה הוא חיצוני (כמו אור השמש). מעקב אחר אותות הרדיו של הכמוסה של הגלילאו הראה שמהירות הרוחות גדלה ככל שחודרים יותר לעומק האטמוספרה ואחר כך מתקבעת, מה שמראה שהאטמוספרה של צדק מונעת על ידי מקור חום פנימי (12).

כבר בהקפה הראשונה סביב צדק, חללית הגלילאו באמצעות ספקטרומטר המיפוי באינפרה אדום גילתה ענן צעיר עם קרח אמוניה טהור. זאת היתה הפעם הראשונה שנצפה ענן אמוניה על צדק. השם שהוענק לענן זה הוא turbulent wake anomaly מכיון שהוא נמצא מתחת לכתם האדום הגדול. בדיקות שנערכו בין 5/1999-5/2000 הראו שענן זה הוא ריכוז גבוה של חלקיקי קרח אמוניה. גודל הענן 15 ק"מ והוא נמצא במקום מערבולתי בקצה הדרום מערבי של הכתם האדום הגדול (22).

בשנות ה-80 של המאה ה-20 הובחנו בתצפיות ארציות שינויים בתצורות שונות באטמוספירה. כך גם היה בתצפיות של טלסקופ האבל בשנות ה-90. לאחר הצבתו במסלול סביב כדור הארץ. הטלסקופ האבל ביצע תצפיות בין 25.3.2007-5.6.2007 ונצפו שינויים דרמטיים באטמוספירה שלא נראו קודם לכן באמצעות טלסקופ זה. נצפה שינוי מהיר בצבע ובעננים סמוך לקו המשווה שנתנו לכוכב הלכת מבט גלובלי חדש. בתצלום אחד נצפתה רצועה דקה של עננים לבנים סמוך לקו המשווה. הצבע הלבן מורה על עננים בגבהים רבים באטמוספירה. הצבע הלבן הפך לחום ואפשר תצפית על עננים עמוקים יותר באטמוספירה. הרצועה כולה התמזגה כנראה עם רצועה שמתחתיה. המערבולות הקטנות השתנו לתצורות גליות גדולות בצד הימני של התמונה. מה שדומיננטי בתמונה הוא תצורה כהה דומה לנחש. מתחת לקו המשווה תצורה של סנפיר של כריש שהצד העליון שלו מופנה כלפי מטה, נעלמת בקצה הימני של התמונה. במקומה רואים עננים חומים בצורת לשון מלווים בזרם של מערבולות מתחתיהם (23).

סך כל העננים מכילי האמוניה שנצפו על ידי ה-New horizon מהווים 1% בלבד משטח העננים שחללית זו בחנה. במשך שתי יממות של צדק (20 שעות) ב-26.2.2000 ממרחק של 2.5 מיליון ק"מ החללית תצפתה בהתחלה את החלק הצפון מערבי של הכתם האדום הגדול מתוך מטרה למצוא את ענני האמוניה. הם נראו לראשונה על ידי חללית הגלילאו. בזמן שהגלילאו תצפתה, האזור היה סוער מאוד. בחודשים לפני ובזמן התצפית של ה-New horizon האזור היה שקט. למרות זאת החללית הבחינה במקומות אחרים בהם עולים ענני אמוניה. בתצלום PIA09340 רואים התפתחות של ענן כזה. עננים חדשים אלה של אמוניה מקורם בעליית גזים ממעמקי האטמוספרה לגבהים. במקרה זה גם מים עולים למעלה ובעקבות זאת הם מתעבים (condense) (24).

ה-New horizon צפתה גם בחום המשפיע על ברקים באזור הקוטב, מה שמעיד על כך שחום נע דרך ענני מים בכל קווי הרוחב של צדק. בפעם הראשונה בכלל התאפשר הודות לחללית זו לבצע מדידות מפורטות של "גלים" הנעים לרוחבו של כוכב הלכת, מה שמעיד על פעילות חזקה של סערות במעמקים (25).

11. Douglas I. Hatchison A.- "Galileo scientist report changing findings about Jupiter" 18.03.1996
12. Torrence V.J – "The Galileo mission to Jupiter and its moon" Scientific American 2.2002 p.40-49
13. Britt R.R – "Jupiter's composition throughs planet-formation theories into dissarray" 17.11.1999
Http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter _991117.html
14. Ingersol A.D et al. – "Moist convection as an energy source for the large-scale motions in Jupiter's atmosphere"
Nature vol. 403 February 2000 pp. 630-631
15. "Rising storms revise story of Jupiter's stripes" 10.3.2003

http://www.spacedaily.com/news/jupiter-clouds-03a.html

16. "Link discovered between Earth's ocean currents and Jupiter's bands" 22.1.2004

http://www.spacedaily.com/news/jupiter-clouds-04G63.html

17. PIA10097: Atmospheric waves

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA10097

18. Weinstock M. – "Fallan Galileo probe uncovers secrets of Jupiter's hot spots" 6.9.2000

http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter-hotspots.html

19. "New red spots appears on Jupiter" 23.5.2008

http://www.spacedaily.com/reports/New_Red_Spots_Appears_On_Jupiter_999.html

20. Brit R.R- "Jupiter's great spot is shrinking" 3.9.2009

Http://www.msnbc.msn.com/id/29604064/

21. Taylor F. Irwin P. – "The clouds of Jupiter" June 1999
Astronomy and Geophisics vol. 40 pp. 321-325
22. "Galileo spys Ammonia ice clouds" 24.10.2000

Http://www.spacedaily.com/news/galileo_00o.html

23. "Hubble catches Jupiter changing its stripes" 29.1.2007
http://www.spacedaily.com/reports/Hubble_Catches_Jupiter_ Changing_Its_Stripes_999.html
24. PIA09340: Probing storm activity on Jupiter

Http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA09340

25. "Pluto bound new horizons sees changes in Jupiter system" 10.10.2007
http://www.spacedaily.com/reports/Pluto_Bound_New_Horizins_ Sees_Changes_In_Jupiter_System_999.html

תגובה אחת ל “צדק – סיכום ממצאים – חלק שני: העננים”

  1. תיקונים

    מאמר נחמד, אך בעל מספר שגיאות:
    1. צ"ל תפוצה, או ביטוי אחר במקום נפיצות. נפיץ = explosive ונפיצות היא explosiveness.
    נפוץ = common, abundant.
    2. אמוניום הידרוכלוריד הוא NH4Cl. החומר המופיע בכתבה NH4SH נקרא אמוניום הידרוסולפיד.
    3. מה זה בדיוק KA3H2S? אין דבר כזה…

    לא יזיק להעביר את המאמר הגהה אצל כימאי/מהנדס כימיה לפני הפירסום.

הוספת תגובה

  • (will not be published)