ממצאים חדשים משבתאי – חלק ראשון

אחת השאלות לגבי שבתאי היא למה הוא בהיר יותר ביחס לגילו? הוא אמור היה להיות כהה וקר יותר. תשובה לשאלה זו וגילויים באשר לאטמוספירה ולטבעות בכתבה זו

אטמוספרה
אחת השאלות לגבי שבתאי היא למה הוא בהיר יותר ביחס לגילו? הוא אמור היה להיות כהה וקר יותר. התברר ששכבות של גז הנוצרות על־ידי אי־יציבות פיזיקלית בתוך שבתאי מונעות מהחום מלברוח החוצה וזה מונע ממנו להתקרר. שכבות של זרמי הקונבקציה של שבתאי דומות לאלה הפעילות על כדור הארץ, באוקיינוסים, מקומות שבהם יש מים מלוחים וחמים המצויים מתחת לשכבת מים קרה ופחות מלוחה. השכבה המלוחה יותר מונעת היווצרות זרמים אנכיים בין השכבות ובשל כך החום אינו מועבר ביעילות (1). ככול שמעמיקים יותר באטמוספרה של שבתאי, הלחצים האטמוספריים הולכים וגדלים וכך גם הטמפרטורות עד שבשלב מסוים האטמוספרה מקבלת אפיונים של נוזל ומכאן הדמיון לכדור הארץ (השערת הכותב – חיים מזר). בדיקות מכ”מ וגלי מיקרו של הרדיו שערכה חללית הקסיני הראו ששבתאי הוא כוכב לכת דינמי מאוד ובמקומות רבים מאוד הוא מזכיר את צדק, יותר ממה שחשבו קודם לכן. המדידות הראו גם שרצועה שקטה המצויה בקו המשווה, מוקפת ברצועות סוערת כדוגמת אלה של צדק, אם כי אזורים שונים בקווי הרוחב הגבוהים של שבתאי ייחודיים לכוכב לכת זה. המיפוי בגלי מיקרו חשף בפירוט רב וחסר תקדים סביבה אטמוספרית יציבה. אפשר להבחין בכתמים הדומים לאזורים מדבריים צחיחים ואקלימים ובמקומות שבהם האקלים הוא חם ולח. האמוניה נפוצה בטרופוספרה היציבה. המיפוי חשף גם אזורים שבהם האמוניה דלילה יותר וזאת בשל קצב העיבוי הגדול שלה לנוזל. מסיבה זו שכבת האטמוספרה מתחתם אינה יציבה. דלילות זו של האמוניה פותחת חלון לצפות עמוק יותר למקומות שבהם האטמוספרה חמה יותר(2).

עננים
בסרט שהופק מסדרת צילומים שצילמה הקסיני רואים עננים של סערה דמוית הוריקן הנעה מסביב לקוטב הצפוני סמוך לקו הרוחב 88.5 מעלות צפון. העין של הסערה גדולה פי 20 מעין של הוריקן ממוצע על כדור הארץ. הרוחות נמדדות באמצעות מעקב אחר עננים קטנים במשך 5 שעות. מהירות הרוחות בטבעת הפנימית היא הגבוהה ביותר, עד 530 קמ”ש. הרוחות האלה מהירותן פי ארבעה מזרמי הסילון של כדור הארץ. העננים במרכז ההוריקן נעים סביב עצמם במהירות הגבוהה פי שניים ממהירות הסיבוב של שבתאי סביב עצמו, וכיוונם הוא בניגוד לכיוון השעון, בדומה להוריקנים בחצי הכדור הצפוני של כדור הארץ, רק שלשבתאי אין אוקיינוס. תופעה דומה מצויה גם בחצי הכדור הדרומי וכיוונה דומה לזה של כיוון הוריקן בחצי הכדור הדרומי של כדור הארץ. על כדור הארץ הוריקנים מתחילים באזורים הטרופיים ונעים מסביב להם. על שבתאי ההוריקנים של הקוטב נעולים גאוגרפית, העננים הבהירים יוצרים ספירלה הדוקה ונעים לעבר המרכז. ספירלה זו יכולה להיות גל או תנועה אמִתית של חלקיק הנע לעבר המרכז ממקור הפרעה חיצוני. יכול להיות שהיא שריד של ענן שנגזר ממהירות זוויתית גדולה יותר הקרובה למרכז(3).

אקלים
בשל זווית הנטייה שלו, 27 מעלות, הקוטב של שבתאי עובר שינויים אקלימיים בדומה לכדור הארץ. בעונת החורף, בקטבים שורר חושך במשך 7 שנים ובעקבותיהם 23 שנים חלים שינויים בהארה הבאה מהשמש. השינויים האקלימיים לא משפיעים על תצורת המשושה בקוטב הצפוני ולא על זרמי הסילון שלו (4). ב־15 במארס 2011 נצפתה הסערה הגדולה ביותר שנצפתה עד אז. נראו ברקים היוצרים תופעה של התפרקויות חשמליות המוכרות בשם Saturn electrosatstic discharges דומים לברקים על כדור הארץ ופולטים גלי רדיו ב־AM. הגילוי הראשון של סערה זו היה ב־5 בדצמבר 2010 והוא נמשך גם ב־15 באפריל 2011. בפעילות המקסימלית של הסערה נמשכו הבהובי הברקים בקצב של יותר מ־10 פעמים בשנייה. הברקים היו בתכיפות כה רבה עד שהחללית לא יכלה לעקוב אחריהם. רק ב־15 במארס כאשר עוצמת הברקים נחלשה אפשר היה לעקוב אחריהם. זו הייתה סערת הברקים הראשונה שנצפתה בחצי הכדור הצפוני, מה שמעלה את האפשרות שסערות אלה פורצות כאשר עונות האביב והקיץ מגיעות. האביב בחצי הכדור הצפוני התחיל ב־2009 כאשר הארת השמש החלה לנוע מחצי הכדור הדרומי לחצי הכדור הצפוני (5). עד כה הברקים נראו בצד הלילה של שבתאי. ברקים לאור היום נראו לראשונה ב־6 במארס 2011. הברקים נראו באור הכחול. יכול להיות שזה באמת צבעם או שהחשיפה הקצרה של המצלמה בפילטר הכחול אִפשרה צפייה פשוטה יותר בזמן הקצר שהברק התרחש. קוטרו של הברק 200 ק”מ, עוצמתו שלושה מיליארד ואט והוא נמשך רק שנייה אחת. המסקנה שאליה הגיעו החוקרים היא שהוא נוצר בעננים עמוק באטמוספרה, במקומות שבהם טיפות מים קופאות בדומה לברקים שנוצרים על כדור הארץ (6).

מיפוי באור הנראה ובאינפרה אדום של שבתאי ב־24 בפברואר 2011 הראה חלקיקי קרח גדולים של אמוניה שהועלו כנראה בשל סערה חזקה מאוד בחצי הכדור הצפוני ביותר מ־50 ק”מ. בזמן זה חלקיקי האמוניה התעבו לגבישים גדולים בחלק העליון והקפוא של האטמוספרה (7).

זוהר הקוטב
במארס 2012 הצליחו לבצע בו־זמנית מדידות של הזוהר בלילה של שבתאי, השדה מגנטי וחלקיקים טעונים הקשורים אליו. במדידות אלה רצו להשיג מידע על הזרמים החשמליים היוצרים פליטות אלה. בדרך כלל צילומי הזוהר מספקים מידע רב לגבי הקשר האלקטרומגנטי בין רוח השמש, המגנטוספרה והאטמוספרה העליונה. שינויים בזוהר מספקים מידע ביחס לשינויים במגנטוספרה. לראשונה ערכו השוואה בין צד היום לצד הלילה 8).

ב־2014 פורסמו תוצאות מחקרים שסיפקו הוכחה לתיאוריה שהזוהר של שבתאי נוצר על־ידי התמוטטויות בזנב המגנטוספרה של שבתאי (magnetic tail). בתופעה זו צפו באפריל ובמאי 2013, חלק ממחקר של שלוש שנים באמצעות טלסקופ החלל האבל שבחן את הרכב האטמוספרה. הזוהר מאיר חזק באולטרה בסגול (9).

מגנטוספרה
לשבתאי זנב מגנטי ארוך המזכיר בצורתו זנב של שביט והוא נקרא magnetotail. תופעה זו נצפתה גם אצל מרקורי, צדק, אורנוס, נפטון וכדור הארץ. זנב זה מצוי אצל כוכבי לכת שיש להם שדה מגנטי. נראה שכאשר התפרצויות של חלקיקים מרוח השמש פוגעים בשבתאי הזנב של השדה המגנטי שלו קורס ולאחר מכן הוא נבנה מחדש. חלק מפרצי האנרגיה מסביב לקטבים של שבתאי נעים במהירות הגבוהה פי שלושה ממהירות הסיבוב שלו סביב עצמו. שילוב בין צילומים של הקסיני ושל הטלסקופ האבל מאפשר לקבל תמונה ב־360 מעלות של שבתאי בשני הקטבים (10).

גלי רדיו

שבתאי פולט גלי רדיו המוכרים בשם Saturn Kilometric Radiation אשר נשמעים כמו התפרצויות של צופרי אזעקה של מכונית. הם משתנים בכול סיבוב של שבתאי סביב עצמו בטווחים של שניות ודקות. הם באים בצמדים. לפליטת גלי הרדיו מהקוטב הצפוני יש מחזור של 10.6 שעות ולפליטה בקוטב הדרומי יש מחזור של 10.8 שעות. הבדלים אלה משתנים בחילופי העונות. המקור של ההבדלים בין הנעשה בקוטב הצפוני לזה הנעשה בקוטב הדרומי הוא בשינויים המתחוללים ברוחות בגבהים הגדולים בין חצי הכדור הצפוני לבין חצי הכדור הדרומי. התנודות קדימה ואחורה בזוהר של הקטבים תואמות לשינויים בגלי הרדיו. בין ינואר למארס 2009 קצת לפני יום השוויון. גלי הרדיו והזוהר משלימים זה את זה מכיוון שהם קשורים לתנודות במגנטוספרה. שטף האלקטרונים הנע לתוך האטמוספרה ויוצר את הזוהר גם הוא פולט גלי רדיו ומשפיע על השדה המגנטי. מסיבה זו החוקרים מעריכים ששינויים אלה קשורים להשפעתה של השמש על שבתאי (11).

טבעות שבתאי
ב־21 באפריל 2013 התברר שמהטבעות יורד “גשם” על שבתאי. גשם זה משפיע על ההרכב המולקולרי של האטמוספרה ויוצר את הרצועות הבהירות והדקות על פני השטח שלו. גשם זה יכול להשפיע גם על הזוהר של שבתאי (12).

צורת המשושה
מאז גילויו של המשושה ב־1980 בידי וויג’ר 1 הוא ממוקם גאוגרפית באותו מקום ובאותו גודל. לא חלו שינויים בתצורה שלו. הצילומים שצילמה חללית הקסיני הם ברזולוציה גבוהה מאוד, באורך הגל הסמוך לאינפרה אדום, והם מאפשרים לראות פרטים רבים מאוד. רואים שהמשושה הוא מובנה מאוד. בתוכו ומחוצה לו מוצאים מעגלים קונצנטריים של עננים. הצלעות של המשושה קשיחות והן פועלות כמו מחסום. סופות הנעות במהירות של מאות קילומטרים לשעה אינן מסוגלות לפרוץ את הדפנות של המשושה (13). בתצלום שנעשה ב־27 בנובמבר 2012 רואים סערת הוריקן בתוך המשושה אשר לפי הערכת החוקרים הוא זרם סילון הנע מסביב לקוטב הצפוני במהירות של 352 קמ”ש (14).
החוקרים הגיעו למסקנה שהמשושה הוא זרם סילון גלי (wavy jet stream) שאפשר לראות אותו. הוא נע במהירות של 322 קמ”ש ובמרכזו סערה מסיבית הנעה סביב עצמה. בתוך המשושה נמצאים חלקיקי אובך גדולים מועטים וריכוז של חלקיקי אובך קטנים ומחוצה לו התופעה היא הפוכה. החלקיקים אינם יכולים לצאת או להיכנס לתוך המשושה. חלקיקי האובך גדלים כאשר השמש זורחת על האטמוספרה (15). בסדרת תצלומים שנעשתה במשך 10 שעות ב־10 בדצמבר 2012 אפשר להבחין בסוגים שונים של עננים ובמערבולות קטנות. חלקן נעות בכיוון השעון. המשושה וההוריקן נעים נגד כיוון השעון. חלק מהסערות נסחפות לאורך הדופן הצפונית של המשושה והן נראות כמו במסלול מרוצים. הגדולה שבסערות אלה מסתובבת סביב עצמה במהירות 3,500 קמ”ש (16). במאי 2013 נמסר על הוריקן בתוך המשושה שצולם ברזולוציה גדולה. קוטר העין של ההוריקן 2,000 ק”מ גדול פי 20 מכול הוריקן ממוצע על כדור הארץ. עננים בקצה החיצוני של ההוריקן העין נעים במהירות של 528 קמ”ש (17).

צילום המשושה נעשה בסדרות של תמונות בכל פעם שהקסיני חלפה מעל או סמוך לקוטב הצפוני. התברר שהשינויים מתצלום לתצלום הם דרמטיים. לצורך המחשה מוצגים כאן שני תצלומים והם JPG WOO078138 (18) והתצלום שנעשה מיד אחריו JPG WOO078139 (19). צילומים אלה הם מתוך סדרה שנעשתה ב־10 בדצמבר 2012. בתצלום הראשון המשושה כולו כהה מאוד ובזה שאחריו רואים הרבה מערבולות פנימיות. תצורת המערבולות היא קונצנטרית. הפרש הזמן בין תצלום לתצלום הוא שניות לדקות. נפתח כאן שדה מחקר חדש באשר לדינמיקה של היווצרות המערבולות בתוך המשושה, השינויים בגאומטרייה הפנימית שלו והמעברים החדים בין הצבעים הכהים לבהירים. נושא נוסף ומעניין כשלעצמו הוא מדוע אין מעבר של הוריקנים מהמשושה החוצה ולהיפך. מכיוון שהמשושה נצפה כבר על־ידי וויג’ר 1 והמיקום הגאוגרפי שלו לא השתנה מאז, מתבקשות השאלות – מה מייצב אותו במקום שבו הוא נמצא ומדוע? התצפיות מראות שלמשושה יש מעין דפנות. השאלות הן – מה עוביין? ממה הן עשויות? מהו עומקן? והאם קיים הבדל בלחצים האטמוספריים בין השפה הפנימית של המשושה לשפה החיצונית? איך משתנים הלחצים האטמוספריים והטמפרטורות ככול שיורדים עמוק יותר בתוך המשושה? איך ועד כמה מושפע המשושה מחילופי העונות? האם קיימת זרימת הוריקנים אל המשושה וממנו החוצה מתחת לדפנות? יש לחשוב על חללית שתשוגר לתוך המשושה ואולי להכניס לתוכו את הקסיני עצמה כאשר תסיים את משימתה.
מקורות
1. “Saturn’s Youthful apprearance explained” 1.5.2013

2. ” Saturn’s hidden turbalence revealed” 17.9.2013

3. PIA14947: Saturn hurricane movie

4. ” Saturn’s hexagon : An amazing phenomenon 8. 4.2014

5. PIA14310: Lighting strikes at Saturn

6. “Cassini spots 100 mile wide lighting flashes on Saturn” 18.7.2012

7. PIA14119 : Updraft of large ammonia crystals in Saturn storm
http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA14119
8. “Cassini makes simultaneous measurments of Saturn’s night side aurora electric and current stream” 5.4.2012
http://www.spacedaily.com/reports/Cassini_Makes_Simultaneous_Measurments_ Of_ Saturn’s _Night_ Side _Aurora _Electric _And _Current _ Stream_999.html
9. “Smoking gun evidence for theory that Saturn’s collapsing magnetic tail causes auroras ” 19.5.2014

10. “Hubble sees flickering light display on Saturn” 27.5.2014

11. “Cassini finds Saturn sends mixed signals” 23.5.2011
http://www.spacedaily.com/reports/Cassini_Finds_Saturn_Sends_Mixed_Signals_999.html
12. Kramer M. -” Search for northern lights on Saturn takes off” 22.4.2013
http;//www.livescience.com/28944-saturn- northern-lights-search.html
13. Ian O’neill – “Saturn hexagon north pole : What is causing it?” 13.10.2008
Saturn’s Hexagonal North Pole: What is Causing It?
14. PIA14945: Spring at north pole
http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA14945
15. “Cassini spacecraft obtains best views of Saturn hexagon” 6.12.2013
http://www.spacedaily.com/reports/Cassini_Spacecraft_Obtains_Best_Views_Of _Saturn_ Hexagon_999.html
16. PIA17652: In full view : Saturn’s steaming hexagon
http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA17652
17. “Cassini gets close up views of large hurricane on Saturn” 2.5.2013

18. Image W00078138jpg

19. Image W00078139jpg