צדק – סיכום ממצאים – חלק שלישי: גשם, ברקים וציקלונים

לראשונה נצפו ברקים על צדק כאשר הכמוסה של הגלילאו חדרה לאטמוספירה, אם כי בתדירות נמוכה יותר מאלה של כדור הארץ. היקף הברקים הוא עשירית מאלה שמתרחשים בעולמנו, אך העוצמה שלהם גבוהה עשרות מונים

גשם

על צדק ישנם שני סוגי גשם. גשם אחד קשור לעננים וגשם שני קשור לגרעין שלו. גשם מסוג ראשון – על כדור הארץ הגשם מגיע לקרקע, נספג באדמה ונכנס בחזרה למחזור המים המוכר. על צדק הגשם מתאדה בדרכו למטה, מוחזר מיידית למערכת, עולה ומתאדה, נופל בחזרה, מתאדה וחוזר חלילה (26). הגשם מהסוג השני קשור להליום עמוק בתוך צדק. הממצאים של הוויג'רים תומכים בהשערה שהייתה בעבר שנויה במחלוקת, כי עמוק בתוך כוכב הלכת ישנו גשם של הליום. בעומקים גדולים מאוד, הלחץ האטמוספרי גדול מיליוני פעמים מזה שעל כדור הארץ, עד כדי התנהגותו של ההליום כמו נוזל. הוא איננו מתערבב עם המימן. מכיוון שההליום כבד יותר, הוא שוקע בהדרגה לכיוון מרכזו של צדק (12).

ברקים

לראשונה נצפו ברקים על צדק כאשר הכמוסה של הגלילאו חדרה לאטמוספירה, אם כי בתדירות נמוכה יותר מאלה של כדור הארץ. היקף הברקים הוא עשירית מאלה שמתרחשים בעולמנו, אך העוצמה שלהם גבוהה עשרות מונים (11).

חללית הגלילאו עצמה גילתה בצד הלילה של צדק שהברקים נשלטים על ידי צירקולציות אטמוספריות אדירות מימדים הקשורות לאזורי לחץ נמוך (27). ממצאי הגלילאו מראים שהברקים מתרחשים בעיקר ב-belts וקשורים לצבירי עננים גבוהים בהירים ועבים המופיעים פתאומית וגדלים תוך מספר ימים למימדים של 1000 ק”מ. בפסגות של צבירי העננים הלחץ האטמוספרי הוא מאות מיליבר, מקום בו מים, אמוניה ו-H2S מתעבים כנראה (14). הברקים נצפו במספר מצומצם של קווי רוחב. אזורים של אנטי ציקלוני גזירה (anti-cyclonic shear). על עומק החדירה האטמוספרית של הברקים אפשר ללמוד מגודל כתמי ההארה של העננים. ככל שהכתם גדול יותר, כך עמוקה יותר ההתפרקות החשמלית. על פי ממצאי הגלילאו הברקים מופיעים בשכבות בהם מצפים כי יווצרו ענני מים (12).

חללית ה-New horizon גילתה ברקים בצד הלילה בקווי רוחב גבוהים, מה שמראה שזרמי הקונבנציה אינם מוגבלים לקווי רוחב נמוכים. המשמעות מקור חום פנימי. העוצמה שלהם תואמת למדידות ברקים קודמות בקווי רוחב נמוכים, שווי ערך להארות חזקות של super bolts ארציים (28).

אובך
לצדק יש שכבת אובך הנמצאת בגובה רב מעל שכבת העננים העיקרית. ממצא זה לא היה מפתיע לנוכח העובדה כי מזה זמן רב היה ידוע כי באטמוספירה שלו נמצאת כמות גדולה של מתאן. המתאן בגבהים נתון להשפעתה של הקרינה האולטרה סגולה הבאה מהשמש וכי הוא מתפרק ויוצר הידרוקרבונטים מורכבים יותר המתעבים (condense) לטיפות.

ניתוח ראשוני של ממצאי הגלילאו העלה את האפשרות שהאובך של צדק עשוי משתי שכבות, אחת גבוהה בסטרטוספרה המזוהה עם תולין (כלומר בוצי) הנגזר מהמתאן, והשכבה השניה בטרופוספירה העליונה (21). אובך מכסה גם את הכתם האדום הגדול (29). תצפיות שנעשו ב-16-17/8/2008 באמצעות ה-very large telescope של ESO העידו על שינויים גדולים בבהירות של האובך המשווני הנמצא ב-belts ברוחב 16,000 ק”מ בקו המשווה. השתקפות גדולה של האובך באטמוספירה העליונה משמעותה שהאובך גדל או שהוא עלה לגובה רב יותר.החלק הבהיר נע דרומה ביותר מ-6000 ק”מ. לממצאים אלה הגיעו בעקבות השוואה עם תצפיות באמצעות הטלסקופ האבל ב-2005. התצפיות באמצעות ההאבל שנעשו באורכי גל באינפרה אדום הקרוב לאורכי הגל בהם נעשו שימוש ב-VLT (very large telescope) הראו אובך רב יותר בחצי הצפוני של האזור המשווני הבהיר (bright equatorial zone), שעה שתצפיות ה-VLT ב-2008 הראו על תנועה לכיוון דרום (30).

רוחות

מהירות וכיוון הרוחות על צדק נקבעים על ידי מדידת שינוי מיקומם של העננים באטמוספירה. בינואר 1998 הכמוסה של הגלילאו מדדה רוחות במהירות של 530 קמ”ש ולאחר מספר חודשים היא עלתה ל-640 קמ”ש. זיהוי הרוחות המתמידות מתחת לענן שהתגלה, העלה את האפשרות שחום הבורח ממעמקי כוכב הלכת מניע אותן ולא חום השמש 11).

לרצועות של צדק מידות שונות, לכל רצועה הרוחב שלה ומהירויות הרוחות שונות. אלה נשארו קבועות במהלך תצפיות טלסקופיות ותצפיות הגלילאו. במספר תצלומים ניתן היה להבחין ברוח מכיוון שהיא משכה את העננים. המהירות המקסימלית שנמדדה בתצפית זו הייתה 460 קמ”ש (31).

השוואה בין המדידות שנעשו על ידי חלליות הוויג'ר ב-1979 והקאסיני הראו שמערכת הרוחות כמעט ולא השתנתה. כיוון הרוחות תואם לזה של העננים. הן נושבות לכיוון מזרח בצד הפונה לקו המשווה של ה-belts הכהים ומערבה בצד הפונה לקטבים. הרוחות החזקות ביותר הן בקו המשווה ומהירותן מגיעה ל-612 קמ”ש כאשר הן בכיוון מזרח. ישנם שני סוגי רוחות: רוחות חזקות ורחבות המקובצות מסביב לקו המשווה ורוחות בקווי רוחב גבוהים יותר. אלה האחרונות חלשות וצרות יותר. קבוצה של חוקרים מגרמניה, קנדה וארה”ב הציגה מודל ממוחשב המביא בחשבון את כל המאפיינים של מערכת הרוחות בכוכב הלכת ועל פיו הרוחות מגיעות עד לעומק של 7000 ק”מ באטמוספירה. הועלו שתי אפשרויות להסבר התנהגות הרוחות. האפשרות הרדודה והאפשרות העמוקה (מבחינת עומק חדירה לאטמוספירה). אלה המצדדים בגישה הרדודה יישמו טכניקות שפותחו למטאורולוגיה הארצית.

מכיוון שהאטמוספירה של כדור הארץ היא דקה מאוד (בהשוואה לגודלו), אפשר להתייחס אליה כאל שכבה פשוטה, המאפשרת לסימולציות הממוחשבות לנוע מהר יותר. המודלים הצליחו לייצר מספר רוחות בתצורת רצועות, אך הן כשלו מכיוון שהרוחות המשווניות של צדק נעות חזק יותר ובכיוון ההפוך ומסיבה זו ההבחנה בין האפשרות הרדודה לאפשרות העמוקה נופלת. כל הרוחות שוות. ב-1970 פותחה הגישה העמוקה הראשונה. הבדל חשוב בין האטמוספירות של כדור הארץ ושל צדק הוא שאטמוספירת כדור הארץ נתחמת בקרקע המוצקה שלו, שעה שצדק הוא כוכב לכת גזי. אין שום תחתית שתוחמת את הרוחות לשכבה דקה.

ככל שמעמיקים יותר באטמוספירה מולקולות המימן נדחסות עד שהן מתנהגות כמו חומר מתכתי ומבחינת המוליכות החשמלית. השדה המגנטי החזק של צדק מונע תנועה מהירה באזורים העמוקים המוליכים חשמל באמצעות מכניזם הפועל כבולם זרם מערבולת eddy current brake. מכניזם זה בולם את הזרמים המהירים ל-10% החיצוניים של רדיוס הכוכב. בהסתמך על גישה זו נבנה מודל של השכבה החיצונית שמתייחסות ל-7000 ק”מ החיצוניים של האטמוספירה (32).

בהסתמך על מדידות הקאסיני משנת 2000 נבנתה מפת מהירויות המראה מהירויות בטווח שבין S°70 – N°70. המהירות הממוצעת מגיעה ל-400 קמ”ש (20). בהקשר זה ראוי לציין שהכמוסה של הגלילאו מדדה את מהירות הרוחות עד לעומק של 70 ק”מ, ומתחתיו המהירות יציבה עד לעומק של 150 ק”מ. המהירות הגבוהה בעומק זה אינה תוצאה של קונבנציית רוחות (cloud convection) והיא משקפת למעשה צירקולציה פנימית של כוכב הלכת. עם האצתן של המהירויות האופקיות, הזרימה כלפי מעלה אינה אנכית פשוטה, אלא נגזרות בעוצמה על ידי הרוחות ויחסית לפסגות העננים הן כמעט אופקיות (33).

סערות

הסערות על צדק הן אדירות מימדים, פי 2 גדולות מסערות ארציות שמלוות ברוחות מהירות היכולות להמשך ימים ובברקים, למרות שמקור הסערות על כדור הארץ וצדק שונה בשני המקרים, הן מתאפיינות בתהליך דומה: עליית אוויר המביאה לירידת גשם (26). נצפו אלפי כתמים שכל אחד מהם הוא סערה השווה בגודלה לסערות הארציות הגדולות ביותר: רבות מהן משנות מיקום, נעות לקווי רוחב שונים או מתמזגות עם אחרות, ומבין אלה נמצאו כאלה שתוחלת החיים שלהן היתה 70 יום (7).

הקאסיני צפתה במה שנראה סערות קטנות ולבנות שנבלעו על ידי מערכות אחרות מסביב לכתם האדום הגדול, התפרקו ונכנסו לאזורי גזירה (shear zones) שנוצרו בשל הבדלי לחצים. חללית זו גילתה גם סערות ממושכות זמן גם בקטבים (34). סערות מערבולתיות שנצפו ב-2006 ואשר נעשה מעקב אחריהן באמצעות הטלסקופ האבל ומצפה הכוכבים keck נצפו גם ב-2008. הסערות שמסביב לכתם האדום הגדול, בשנה אחת הפכו משקטות למערבולות רבות עוצמה משני צידי הכתם (19).

תצפית שנעשתה על ידי הטלסקופ האבל כגיבוי לתצפית שנעשתה על ידי החללית New horizon צפתה בסערה שתוך 24 שעות גדלה מקוטר של 400 ק”מ לקוטר של 2000 ק”מ. על פי הערכות סערות בהירות נוצרות בין ענני המים העמוקים ביותר, עולות בעוצמה רבה ומזריקות תערובת של קרח אמוניה ומים עד לגובה של 30 ק”מ מעל לעננים הנראים. הן נעות במהירות מקסימלית של 600 קמ”ש ויוצרות מערבולות של עננים אדומים המקיפות את כוכב הלכת כולו. השוואה בין תצפיות שנעשו ב-1975 לתצפיות שנעשו ב-1990 מעידות על דימיון. 3 סערות שנצפו יש להן זמן מחזור של 15-17 שנה. הסערות פורצות בשיא עוצמת הרוח מבחינת מהירות ותמיד נראו שתי סערות הנעות באותה מהירות (35).

תופעה מעניינת שנצפתה היא התמזגות של 3 סערות גדולות, כל אחת בגודל חצי כדור הארץ, שנמשכה 60 שנה. התהליך החל ב-1939-1940 כאשר הבחינו ב-3 סערות שקיבלו את השם white ovals שנוצרו בשנים אלה. התוצר הסופי היא סערה בגודל 12,000 ק”מ. תהליך ההתמזגות החל בהתמזגותן של שתי סערות ב-1998 וסיומו היה בהתמזגות עם סערה שלישית שהסתיימה ב-2000. כל אחת מהן הייתה מערבולת בלחץ גבוה המסתובבת סביב עצמה ובהן רוחות הנעות נגד כיוון השעון במהירות של 470 קמ”ש (36). מיקומה של הסערה המשולבת הוא ב-W°350S °33 והיא מסתובבת סביב עצמה נגד כיוון השעון (37).

ציקלונים

כמו בכדור הארץ כך גם בצדק האוויר נע נגד כיוון השעון מסביב לאזורי לחץ נמוך בחצי הכדור הצפוני ועם כיוון השעון מסביב לאזורי לחץ נמוך בחצי הכדור הדרומי. אזורי הלחץ הנמוך נקראים ציקלונים ואזורי הלחץ הגבוה נקראים אנטי-ציקלונים. על צדק הציקלונים הם בעלי מבנה אמורפי ומערבולתיים המתפשטים ממרכזם החוצה בכיוון מזרח-מערב. הוויג'רים גילו שהם מתיזים מתוכם החוצה עננים בהירים ומתרחבים הנראים כמו כדורי ברקים גדולים. הגלילאו אישרה הנחה שפועלים באזורים אלה זרמי קונבנציה. באחד המקרים נקלט אחד העננים הבהירים האלה בצד היום של צדק ולאחר שעתיים הוא בהק בצד הלילה. האנטי-ציקלונים הם בעלי צורה אליפטית, יציבים ומאריכי חיים כמו הכתם האדום הגדול. לא נראו שום ברקים באנטי-ציקלונים. הסבירות היא שהאנטי ציקלונים אינם מושכים אנרגיה מתחת לזרמי הקונבנציה. הם פועלים בשונה מההוריקנים של צדק. הם מתחזקים את עצמם על ידי התמזגות עם מבנים קטנים יותר הנפלטים מציקלונים, תופעה שנצפתה על ידי הוויג'רים והגלילאו (27).

זרמי קונבקציה

מבחינים בין שני אזורי עננים של צדק. ה-zones שבהם עננים רבים יחסית וה-belts פחות מעוננים. הסיבה לכך היא אנרגיה הבאה מתוך כוכב הלכת הנעה כלפי הפסגות של ענני האמוניה שם היא מוקרנת לחלל. תהליך זה יוצר תאי קונבנציה בקנה מידה פלנטרי בעלי סימטריה רדיאלית בשל סיבובו המהיר של כוכב הלכת סביב עצמו. החלק הנע כלפי מעלה של כל תא קונבנציה מכיל מרכיבי עיבוי (condenseates) כמו מים ואמוניה המתעבים בטמפרטורה ובלחץ מתאימים עבור כל אחד מהם, היוצרים את ענני ה-ZONES. החלק הנע למטה של כל תא מרוקן יחסית מחומרים נדיפים (volatiles), פחות מעונן ויוצר לכן את ה-belts.

לשני אזורים אלה יש להוסיף אזור שלישי ה-hot spot. באזורים אלה התנאים המטאורלוגים המקומיים נקיים לגמרי מעננים, לפחות עד לרמה בה המים מתעבים ואפילו באזורים נמוכים יותר. גילוי ענן מים עמוק על ידי חללית הגלילאו עם חדירתה של הכמוסה לתוך האטמוספרה בתוך ה-hot spot שבהם לא מצאה מים בכלל הביא לידי מסקנה כי בעננים העמוקים יותר אין הומוגניות אופקית. מסקנה זו לא היה בה משום הפתעה מכיוון שתאי הקונבנציה בצדק חייבים להגיע למעמקים גדולים לא בהכרח כתאים בודדים. שרשראות של תאים עשויות להיות יציבות יותר (21).

עוד בטרם שוגרו החלליות לעבר צדק היה ידוע כי הוא פולט פי 2 חום ממה שהוא קולט מהשמש. עם הגעת החלליות אליו התברר כי תהליך זה קשור לזרמי הקונבנציה. מאחר שאנרגיית השמש על צדק היא רק 4% מזו המגיעה לכדור הארץ היה ברור שהמקור חייב להיות פנימי, והוא שאחראי לסערות השונות על פניו. גם לרצועות העננים הצבעוניות בכיוון מזרח מערב אשר מהירותן מגיעה ל-480 קמ”ש, מונעות על ידי זרמי הקונבנציה (26).

Hot spots

קיימים שני סוגי hot spots באטמוספירה. סוג אחד הוא מכלול האזורים הכהים הנמצאים ב-belts. אלה נראים בהירים מאד בפליטה תרמית בפרט בתחום הקרוב לאורך גל של 5 מיקרון. הרכיבים הגזיים הם מימן, הליום, מתאן ואמוניה. נראה שאזורים אלה נקיים יחסית מעננים, מקום בו מתרחשת פליטה מעומקים של 8 אטמוספירות והטמפרטורה קרובה ל-C°27 מגיעה לחלל. ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה יכולה להרגיש בחום גבוה מספיק בו יכולים להימצא אדי מים ו-phospine (PH3) (21).

סוג שני קיים בקוטב הצפוני. מדובר בפולסים חמים הפולטים קרני X שהתגלו על ידי הלווין צ'נדרה לגלי X. ההערכה הייתה כי מקורם של קרני ה-X חייב להיות מרוחק מצדק עצמו. התצפית בה התגלתה תופעה זו הייתה ב-18.12.2000 כאשר חללית הקאסיני חלפה ליד צדק. התברר שרוב הפולסים של קרני ה-X באים ל-hot spot ממקור קבוע סמוך לקוטב המגנטי הצפוני של צדק. במקום זה התגלו גם פליטות אנרגטיות באינפרה אדום ובאולטרה סגול. קרני ה-X פולטים פולסים במחזורים של 45 דקות, דומה לפליטות בקווי רוחב גבוהים שהתגלו על ידי חלליות הגלילאו והקאסיני.

סמוך לקטבים התגלה זוהר של קרני ה-X מזה זמן רב על ידי לווינים. החוקרים לא יכלו לקבוע את המיקום המדויק של קרינה זו. ההערכה הייתה כי קרני ה-X נוצרות על ידי יונים אנרגטיים של חמצן וגופרית. יונים אלה שמקורם בירח יו מעוררים, שעה שהם נעים סביב צדק בתוך המגנטוספירה שלו וחלקם נזרקים לתוך האטמוספירה בדרכם חזרה למסלול של יו. הלווין צ'נדרה הראה שגישה זו היא שגויה. יונים אלה אינם יכולים להגיע לקווי הרוחב הגבוהים, בהם נצפתה רוב קרינת ה-X. בשל המרחקים הגדולים, כ-30 רדיוסים של צדק, אין מספיק יונים אנרגטיים היכולים להתאים לתצפיות בהן הובחנה פליטת קרני ה-X.

אחת האפשרויות שהועלתה לפתרון הבעיה היא שיונים כבדים הנפלטים מהשמש כמו רוח השמש נלכדים באזורים החיצוניים של השדה המגנטי של צדק מואצים ומכוונים לקוטב המגנטי של כוכב הלכת. בזמן זה הם נעים קדימה ואחורה בתוך השדה המגנטי עצמו מקוטב לקוטב. התנועה המתנדנדת (oscillating motion) יכולה להסביר את פליטת קרני ה-X (38).

26. Britt R.R – “Stormy weather: Juvian superstorms like those on Earth” 9.2.2000
http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter-weather-000209.html
27. Tindal R. – “Galileo data show Jupiter's lightning associated with low pressure regions” 13.10.1998
Http://www.caltech.edu/~media/Press_Releases/PR11933.html
28. PIA10096: Polar lightning on Jupiter
Http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA10096
29. Britt R.R – “Mysteries dark spot near Jupiter's pole” 13.3.2002
http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter-spots-020313.html
30. “Sharping up Jupiter ” 2.10.2008
Http://www.spaceflightnow.com/news/n0810/02jupiter
31. “Winds near Jupiter's belt zone boundary” 3.3.1997
Http://galileo.ivv.nasa.gov/callisto/030397.html
32. “Organized wind chaos on Jupiter” 10.11.2005
Http://www.spacedaily.com/news/jupiter-clouds-05d.html
33. Seiff A. “Dynamics of Jupiter's atmosphere” Nature vol. 403 10.2.2000 pp. 603-605
34. “Nasa images show persistent Juvian polar storms” 16.7.2001
Http://dailynews.yahoo.com/h/nm/20010716/sc/Space_Jupiter_dc_3.html
35. “The mystery of Jupiter's jets uncovered” 25.1.2008
Http://www.spacedaily.com/reports/The_Mystery_Of_Jupiter_Jets_ Uncovered_999.html
36. Bridges A. “Jovian storms collide and merge” 24.10.2000
Http://www.space.com/scienceastronomy/jupiter-spots-001024.html
37. PIA01651: Dynamics after historic merges of storms on Jupiter”
Http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA01651
38. “Jupiter hot spots makes trouble for theory” 28.2.2002
Http://www.spaceflightnow.com/news/no202/28hotspot