Нещо странно се случва във вътрешността на Нептун

Когато Вояджър 2 стигна до Нептун през 1989 г., само 12 години след като потегли на историческото си пътуване през Слънчевата система, той откри шест нови луни, направи първите снимки на пръстените на планетата и засече особено силна буря на повърхността, предизвикваща огромна изненада.

 

Тази буря е гигантско петно в южното полукълбо, представляващо завихряне в посока обратна на часовниковата стрелка, на ветрове със скорост от 2414 км/ч, най-силните засичани някога. Астрономите го кръщават Голямото тъмно петно, но след време то изчезва. Пет години по-късно те насочват телескопа Хъбъл към него, опитвайки се да разкрият защо ветровете там са толкова екстремни. 

(Сн.1. Голямото тъмно петно.  Credit: Wikipedia)


РЕКЛАМА:

***

Учените са озадачени от ново откритие: Вояджър 2 установява, че Нептун е по-топъл от Сатурн, въпреки че се намира по-далече от Слънцето спрямо него. Както физикът Брайън Кокс казва в своето документално предаване по BBC, The Planets: “Източникът на тази допълнителна топлина остава мистерия”. Но значи ли това, че имаме двоен пъзел за разрешаване и може ли едната загадка да ни помогне по някакъв начин да обясним другата?

Преди да започнем да разглеждаме двата въпроса, първо трябва да дефинираме какво точно се разбира под “по-топло”. Тъй като Нептун е газов гигант, не можем да измерим средната му глобална температура на повърхността по начина, по който можем да направим това на твърдата повърхност на Земята. Въпреки че ядрото на Нептун изглежда е относително малко, температурните измервания трябва да бъдат направени на известна височина. Въпросът е на каква?

Проблемът с температурата

“Ние можем да извършваме температурни измервания само в най-външните слоеве” – пише Майкъл Уонг, планетарен учен от Калифорнийския университет в Бъркли, по email. В този ред на мисли, Нептун всъщност не е по-топъл от Уран в истинския смисъл на думата, по същество те имат общо взето еднаква температура. Но пък Нептун приема по-малко слънчева топлина, понеже е по-отдалечена, така че следва да се обясни, защо въпреки това температурите им са еднакви.

Това, което тези еднакви температури подсказват е, че Нептун излъчва повече топлина, отколкото абсорбира от Слънцето. “Измерванията, направени от Вояджър, показват, че Нептун излъчва приблизително двойно повече топлина, отколкото поема, докато Уран – не” – казва Антъни Дел Генио от Годардския институт за космически изследвания на НАСА. И тук нещата стават още по-интригуващи.

Нептун не е толкова необикновен в този случай. “Юпитер и Сатурн също излъчват почти двойно повече топлина, отколкото абсорбират, но не и Уран” – допълва Дел Генио. – “Уран е ексцентрикът тук”.

“Температурната прогресия с отдалечаването от Слънцето, показва че Юпитер е най-топлият от газовите гиганти, следван от Сатурн и след това от Нептун. Уран е този, който не си е на мястото” – казва още Дел Генио. – “Този необикновен резултат се обяснява с факта, че Уран не притежава значим вътрешен източник на топлина”. Нептун намира начин да се самозатопля до нивото на Уран, докато последният не е в състояние да генерира каквато и да било допълнителна топлина освен тази, поемана от Слънцето.

Какъв ще да е този източник на вътрешна топлина? С прости думи – това е топлина, останала от раждането на Слънчевата система, когато тези планети са се образували. Топлината се свива от първичната слънчева мъглявина – ефект, известен като свиването на Келвин-Хелмхолц. 

“Допълнителният източник на топлина на Нептун (а също на Юпитер и Сатурн) до голяма степен се дължи на гравитационното свиване” – казва Джошуа Толефсон, също от Калифорнийския университет в Бъркли. – “Докато планетата постепенно гравитационно се свива, набиващата се навътре материя променя потенциалната си енергия в топлинна енергия, която след това се освобождава нагоре и извън планетата.”

Така и не става напълно ясна причината, защо Уран няма съществен вътрешен източник на топлина, или дори такъв изцяло липсва. Може би сблъсък с друго тяло през ранната история на планетата да е довел до това положение, според Толефсон, но въпросът остава отворен.

 Замръзнали планети, които обичат да изригват

“Има вероятност топлината да не излиза от вътрешността с постоянна скорост, а вместо това да се освобождава с „изригвания“. Може би просто в днешно време виждаме Уран в спокоен период, докато Нептун изригва по-интензивно“, допуска Толефсон. „Избухванията са конвекция, която може да се случва в отделни епизоди, разделени от дълги времеви периоди, но не можем да знаем дали тя работи по този начин със сигурност, освен ако не се случи да наблюдаваме подобен конвективен епизод.“

Възможно е обяснението да се корени в това Уран да е по-стар и вече да е преминал през определени цикли, през които по-младият Нептун все още да не е. “Колко топлина излъчва една планета зависи най-вече от това колко е стара и колко бързо или бавно отделя тази топлина”, казва Ами Саймън, старши научен сътрудник по планетарни атмосферни изследвания на НАСА. “По-старата планета би била по-студена. Колко бързо се освобождава топлината зависи от вътрешната структура и състав, облачните слоеве, конвекцията и така нататък, като това може да бъде доста сложно”.

“На газовите гиганти могат да падат значителни количества дъжд от хелий, променящ количеството отделена топлина. За Уран и Нептун е възможно те да са на различна възраст или по-вероятно събитието, което е обърнало естественото развитие на Уран на негова страна, може да е разместило вътрешната му структура и/или да е освободило топлината по-бързо “, казва Саймън.

Възможно е наличието на тези необикновено силни ветрове да има нещо общо с температурата. „Дълго разсъждавахме над тезата, че студеността на Нептун и Уран може да доведе до условия почти без триене и това да позволи по-бързите ветрове“, казва Хайди Хамел, планетарен астроном, която е изучавала и двете планети и е била част от екипа снимащ Нептун от Вояджър 2.

С това тя иска да каже, че няма никакви планини, хълмове или други форми, които да забавят ветровете по Нептуновата повърхност. Но има ли връзка между бурите и вътрешния източник на топлина? – “Вероятно – казва Хамел, – но има и един деликатен баланс между вътрешната топлина и идващата слънчева светлина”.

Трудно е да се определи силата на тези ефекти поради дългите времеви диапазони, които са намесени тук. “Една година на Нептун са 165 земни години, така че ние сме нямали шанса да изследваме с модерни уреди една огромна част от сезонния цикъл на тази планета” – казва Хамел. “Нуждаем се от огромно търпение и вяра в предишните и в бъдещите поколения планетарни учени, за да изучим атмосферата на другите планети”.

“Предполага се, че теорията трябва да е – колкото повече слънчева енергия, толкова повече ветрове. Знаем, че на Земята, количеството енергия, получена от Слънцето и превърната в кинетична енергия в атмосферата (тоест във вятър) е една много малка част” – казва Дел Генио.

Земята е един много неефективен топлинен генератор. Една от причините е, че тя има твърда повърхност, която разсейва вятърната енергия чрез триене, докато газовите гиганти не. Така че това е една от причините на всички планети-гиганти да има много по-силни ветрове, отколкото на Земята.

Защо ветровете на Нептун са толкова силни

“Ветровете вероятно се генерират по-дълбоко отколкото светлината успява да проникне, така че навярно комбинация от въртенето на планетата и вътрешната й топлина ги образува” – казва Саймън, обръщайки внимание на факта, че силата на ветровете на Уран и Нептун не съвпада, въпреки че имат сходна скорост на въртене. “Това ни подсказва, че нещо е различно между тях, частично вътрешната топлина или нещо друго” – допълва тя.
Ветровете на Уран духат с 900 км/ч, докато тези на Нептун – с 2414 км/ч. И на двете планети ветровете са изключително екстремни и с по-голяма скорост от тези на Юпитер, в чието Голямо червено петно те духат с “едва” около 600 км/ч. Но вътрешната топлина сама по себе си не може да обясни тези скорости, като се има предвид, че Уран не генерира допълнителна топлина. 

Вътрешната структура на планетите – тяхната маса, размери на ядрото и радиална плътност – са изключително важни за разгадаването на причините за тези бурни ветрове. Как те се образуват и на каква дълбочина бушуват, са въпроси, на които поне за Юпитер и Сатурн, НАСА вече намери отговори, благодарение на космическите си апарати Джуно и Касини. Това стана благодарение на достатъчно подробните гравитационни данни, които са получили, което позволява да се направят добри модели на вътрешната структура. 

Компютърните симулации предлагат модел, според който ветровете на ледените гиганти са ограничени до плитки дълбочини в горните слоеве на атмосферата им. Това подсказва, че бързите ветрове, които наблюдаваме на Уран и Нептун, се дължат поне отчасти на латентното отделяне на топлина от конденз на вещества като вода. 

Дел Генио подлага на съмнение наличната информация. Той пояснява, че когато правим измервания на ветровете на Нептун, ние гледаме на една определена височина. “Ветровете на други височини могат да бъдат по-бавни или по-бързи” – добавя той – “Не можем да знаем защото никога не сме пускали сонди в атмосферите на повечето от далечните планети”.
Това, което Нептун и Уран ни показват е, че планети образувани в сходни условия могат да показват две крайности. Според Саймън това ни помага да ограничим моделите как се формират тези планети и дават улики за цялостното формиране на Слънчевата система. 

„Те също трябва да ни помогнат да разберем по-добре дълбоката циркулация, като се има предвид, че са толкова далеч от Слънцето.“ 

„Това допълва познанията ни за физиката и химията в планетарните атмосфери и ни помага да разберем собствената си планета малко по-добре, тъй като физиката и химията действат по същия начин, независимо дали тук, на Земята или на далечния Нептун“, заключва Хамел.

Източник: livescience

 

Може да поръчате за себе си или за приятел колие „Сатурн“ . Или да си харесате друго бижу, изработено от медицинска стомана, от многобройните видове, които предлагаме тук.

 


Европейска нощ на учените 2022 г.: