Η ενεργειακή κρίση των γίγαντων του φυσικού αερίου λύθηκε μετά από 50 χρόνια

Ζώντας όπως κάνουν στις μακρινές, εγκαταλειμμένες από τον ήλιο φθάνοντας του ηλιακού συστήματος, ο Δίας και ο Κρόνος, οι γίγαντες των αερίων, και ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, οι γίγαντες του πάγου, αναμενόταν πάντα να είναι παγωμένα βασίλεια. Αλλά όταν το διαστημόπλοιο Voyager της NASA πέρασε δίπλα τους στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και του 1980, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι και οι τέσσερις κόσμοι είχαν πλανητικούς πυρετούς - μια αποκάλυψη τόσο τρομακτική όσο το να βρεις μια φωτιά μέσα στον καταψύκτη σου.

Οι επακόλουθες παρατηρήσεις από επίγεια τηλεσκόπια και τα διαστημόπλοια Galileo και Cassini έδειξαν ότι οι πυρετοί τους σε όλο τον πλανήτη έχουν επιμείνει στο πέρασμα του χρόνου. Οι πλανητικές πυρεξίες τους είναι οξείες:τα χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη του Δία, για παράδειγμα, θα πρέπει να είναι παγωμένα -110 βαθμοί Κελσίου. Αντίθετα, η ατμόσφαιρα εκεί μαγειρεύεται στους 325 βαθμούς. Ποιος αποτεφρωτήρας ινκόγκνιτο κρύβεται πίσω από αυτό; Και πώς αυτή η άγνωστη πηγή θερμότητας θερμαίνει όχι μόνο ένα σημείο στον πλανήτη, αλλά ολόκληρη την ανώτερη ατμόσφαιρα;

Οι επιστήμονες προσπάθησαν να εξηγήσουν αυτήν την «ενεργειακή κρίση», αλλά παρέμειναν «μπερδεμένοι για περίπου 50 χρόνια», δήλωσε ο James O'Donoghue, πλανητικός αστρονόμος στην Ιαπωνική Υπηρεσία Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης. Τώρα δύο έγγραφα αποκάλυψαν οριστικά από πού προέρχεται όλη αυτή η θερμότητα:ο Δίας και το βόρειο και νότιο φως του Κρόνου — τα σέλας τους.

Τα αποτελέσματα προέρχονται από λεπτομερείς μετρήσεις της ανώτερης ατμόσφαιρας και των δύο γιγάντων αερίου. Η ατμοσφαιρική θερμοκρασία του Κρόνου μετρήθηκε από το διαστημικό σκάφος Cassini κατά τη διάρκεια των ελιγμών που τελικά το βύθισαν στον πλανήτη. Το Δία συρράφτηκε χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο στην κορυφή ενός γιγαντιαίου ηφαιστείου της Χαβάης. Και οι δύο δείχνουν ότι οι ατμόσφαιρες είναι πιο θερμές κοντά στις ζώνες σέλας κάτω από τους δύο μαγνητικούς πόλους. Καθώς πλησιάζετε στον ισημερινό, η θερμοκρασία πέφτει. Σαφώς, το σέλας φέρνει τη θερμότητα — και, όπως συμβαίνει με ένα καλοριφέρ, αυτή η θερμότητα μειώνεται με την απόσταση.

Μια λύση στην ενεργειακή κρίση μπορεί να έχει εκτεταμένες επιπτώσεις. Οι πλανήτες - από εκείνους στο δικό μας ηλιακό σύστημα μέχρι εκείνους που περιφέρονται γύρω από τα μακρινά αστέρια - δεν διατηρούν πάντα την ατμόσφαιρά τους. Πολλοί αέριοι φάκελοι καταστρέφονται με την πάροδο του χρόνου, μετατρέποντας σε ορισμένες περιπτώσεις γιγάντιους κόσμους σε μικροσκοπικούς, ακατοίκητους φλοιούς. Οι ερευνητές θέλουν να είναι σε θέση να τους διακρίνουν από τους κατοικήσιμους πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη. Αν ελπίζουμε να το κάνουμε, είπε ο Zarah Brown, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, «μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους που θα θέλατε να μάθετε είναι η θερμοκρασία της εξωτερικής ατμόσφαιρας, καθώς εκεί χάνεται το αέριο στο διάστημα». /P>

Alien Auroras

Το βόρειο και το νότιο φως της Γης δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητό, αλλά τα βασικά είναι ξεκάθαρα.

Ο ήλιος εκτοξεύει βολέ μαγνητικών πεδίων και ενεργητικών σωματιδίων στο διάστημα. Όταν αυτά τα βόλια - πιο γνωστά ως ηλιακός άνεμος - φτάνουν στον πλανήτη μας, αλληλεπιδρούν με τη μαγνητική φυσαλίδα της ίδιας της Γης, η οποία είναι γνωστή ως μαγνητόσφαιρα. Τα ενεργειακά σωματίδια στη συνέχεια σπειροειδώς κατεβαίνουν προς τους βόρειους και νότιους μαγνητικούς πόλους του πλανήτη. Εκεί, αποσπούν άτομα αερίου και μόρια στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Αυτές οι κρούσεις ενεργοποιούν προσωρινά τα αέρια, τα οποία εκπέμπουν ορατές λάμψεις φωτός.

Γενικά, τα σέλας απαιτούν τρία συστατικά:μια πηγή ενεργητικών σωματιδίων, ένα μαγνητικό πεδίο και μια ατμόσφαιρα. Ο Δίας και ο Κρόνος έχουν και τα τρία, αλλά τα σέλας κανενός πλανήτη δεν είναι αρκετά σαν αυτά της Γης.

Το μαγνητικό πεδίο της Γης προέρχεται από την ανάδευση υγρών κραμάτων νικελίου-σιδήρου βαθιά κάτω από τα πόδια μας. Αλλά οι γίγαντες του αερίου δεν έχουν πυρήνες υγρού σιδήρου. Αντίθετα, η τεράστια βαρύτητα των πλανητών συμπιέζει κολοσσιαίους όγκους υγρού υδρογόνου στους εξωτερικούς πυρήνες τους τόσο σκληρά που τα ηλεκτρόνια του υδρογόνου απελευθερώνονται. Η διαδικασία μετατρέπει το υδρογόνο σε μέταλλο που δημιουργεί μαγνητισμό.

Επειδή αυτές οι δίνες μεταλλικού υδρογόνου είναι τόσο τεράστιες, οι μαγνητόσφαιρες των αέριων γιγάντων κάνουν τη Γη να μοιάζει λιλιπούτεια. Η μαγνητόσφαιρα του Δία «είναι η μεγαλύτερη δομή στο ηλιακό σύστημα», είπε ο O'Donoghue. "Η ουρά του κατεβαίνει στον Κρόνο και πιθανώς και πέρα."

Οι γίγαντες του αερίου δεν μπορούν επίσης να βασιστούν σε άφθονη παροχή ενεργειακών σωματιδίων ή πλάσματος από τον ηλιακό άνεμο, ο οποίος διαλύεται με την αυξανόμενη απόσταση από τον ήλιο. Αντίθετα, βασίζονται σε πράξεις ηφαιστειακής αλχημείας.

Ο Δίας παίρνει το μεγαλύτερο μέρος του πλάσματος του από το φεγγάρι του Ιώ, το πιο ηφαιστειακό αντικείμενο που είναι γνωστό στην επιστήμη. Οι σχεδόν σταθερές μαγματικές εκρήξεις της Io εκτοξεύουν μια αφθονία ηφαιστειακού υλικού στο διάστημα. Εκεί, λούζεται στο φως του ήλιου, διεγείρεται ηλεκτρικά και μετά πέφτει στο Δία. Το μεγαλύτερο μέρος του πλάσματος του Κρόνου προέρχεται από τον Εγκέλαδο, ένα παγωμένο φεγγάρι σαν καθρέφτη που εκτοξεύει θεαματικούς πίδακες παγωμένης υδάτινης ύλης στο διάστημα.

Αυτά τα πλάσματα εκτοξεύονται στις εκτεταμένες μαγνητόσφαιρες των πλανητών, οι οποίες τους επιταχύνουν στους πόλους. Εκεί, τα φορτισμένα σωματίδια στο πλάσμα συγκρούονται με μόρια αερίου στην ατμόσφαιρα.

Τα σέλας στον Κρόνο εκπέμπουν κυρίως υπεριώδες φως. στον Δία, βρίσκονται τόσο σε υπεριώδη όσο και σε υπέρυθρα μήκη κύματος. Αλλά οι διαδικασίες που παράγουν φως δεν είναι οι ίδιες με αυτές που παράγουν θερμότητα. Σε αυτήν την περίπτωση, "όλα είναι θέμα τριβής", είπε ο O'Donoghue.

Το πλάσμα ρέει στους μαγνητικούς πόλους των πλανητών μέσω γραμμών πεδίου - μαγνητισμένοι έλικες που εκτείνονται μακριά στο διάστημα. Αυτοί οι τρύπες και τα ρέματά τους περιστρέφονται μαζί με τον πλανήτη. Αλλά μερικές φορές παλεύουν να συμβαδίσουν. Ο Δίας, για παράδειγμα, περιστρέφεται μία φορά κάθε 10 ώρες. Όταν αυτά τα ρεύματα πλάσματος υστερούν σε σχέση με την περιστροφή του πλανήτη, οι ισχυροί δυτικοί άνεμοι του Δία τα σπρώχνουν. Η έλξη αυτών των ανέμων στα αργά κινούμενα ρεύματα πλάσματος δημιουργεί τριβή. Και αυτή η τριβή παράγει θερμότητα - ίσως, στην περίπτωση του Δία, 125 φορές περισσότερη θερμότητα από ό,τι παίρνει ο πλανήτης από τον ήλιο. «Αυτό είναι κάπως τρελό», είπε ο O'Donoghue.

Δεν αποτελεί έκπληξη, λοιπόν, το γεγονός ότι οι αστρονόμοι αναρωτιούνται εάν τα σέλας είναι η πηγή αυτών των πλανητικών πυρετών. «Για δεκαετίες, ήταν προφανές ότι υπήρχε άφθονη ενέργεια στο σέλας», είπε ο Λουκ Μουρ, ανώτερος ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης. Αλλά για να πλοηγηθούν από την καχυποψία στη βεβαιότητα, οι αστρονόμοι χρειάζονταν έναν χάρτη:συγκεκριμένα, έναν χάρτη θερμότητας των ανώτερων ατμοσφαιρών των γιγάντων του αερίου και του πάγου. Με αυτό, μπορούσαν να δουν εάν οι υψηλότερες θερμοκρασίες θα μπορούσαν να υπερτεθούν στα σέλας και αν αυτή η θερμότητα διαχέεται σε ολόκληρο τον πλανήτη.

Ο πρώτος χάρτης προήλθε από μια τελική πράξη. Τον Απρίλιο του 2017, μετά από 13 χρόνια σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο, το διαστημικό σκάφος Cassini της NASA έλαβε εντολή να κάνει κάτι αξιοσημείωτο:να κάνει 22 τροχιές του πλανήτη ενώ βουτάει επανειλημμένα μεταξύ αυτού και των δακτυλίων του. Ο λεγόμενος Μεγάλος Τελικός, ο οποίος ολοκληρώθηκε στις 15 Σεπτεμβρίου 2017, όταν το διαστημόπλοιο κάηκε στα σύννεφα του Κρόνου, έδωσε στο Cassini μια κοντινή εικόνα του κόσμου όπως κανένα άλλο.

Καθώς το Cassini περνούσε κοντά στον Κρόνο, κοίταξε μέσα από την ατμόσφαιρα του πλανήτη τα φωτεινά αστέρια πέρα. Το φως από αυτά τα αστέρια φαινόταν να αλλάζει ανάλογα με την πυκνότητα της ατμόσφαιρας από την οποία πέρασε το φως. Η πυκνότητα και η θερμοκρασία ενός αερίου σχετίζονται, επομένως οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δεκάδες από αυτές τις μετρήσεις, γνωστές ως αστρικές αποκρύψεις, για να δημιουργήσουν λεπτομερείς χάρτες θερμότητας τόσο για την ημέρα όσο και για τη νύχτα της ανώτερης ατμόσφαιρας του Κρόνου.

Δημοσιεύτηκε πέρυσι στο Nature Astronomy , οι χάρτες θερμότητας έδειξαν μια θερμική αιχμή γύρω από τα σέλας και μια ήπια πτώση της θερμοκρασίας προς τον ισημερινό.

Σίγουρα φαινόταν σαν να ευθύνονται τα σέλας. Αλλά «αν η θεωρία μας για την ανακατανομή της ενέργειας στον Κρόνο είναι σωστή, θα έπρεπε να λειτουργήσει και στον Δία», είπε ο Μπράουν, ο οποίος ήταν ο κύριος συγγραφέας της μελέτης για τον Κρόνο.

Τώρα, λόγω της δουλειάς του O'Donoghue και των συναδέλφων του, φαίνεται ότι το κάνει.

Η απόδοση του ανώτερου ατμοσφαιρικού πυρετού του Δία στα δικά του σέλα απαιτούσε επίσης έναν χάρτη θερμότητας. Αλλά η δημιουργία ενός τέτοιου χάρτη δεν είναι καθόλου εύκολη. Η χαοτική ανώτερη ατμόσφαιρα του πλανήτη αλλάζει από εβδομάδα σε εβδομάδα. Δεν μπορείτε απλώς να κάνετε μια μέτρηση κοντά στους πόλους μια νύχτα, στη συνέχεια να επιστρέψετε μερικές εβδομάδες αργότερα και να τη συγκρίνετε με μια μέτρηση κοντά στον ισημερινό. Με τον καιρό, οι ουρανοί θα μετατοπιστούν σημαντικά και οι ενδείξεις τυχόν ροών θερμότητας θα χαθούν.

Αυτό που χρειάζονταν οι ερευνητές ήταν ένας παγκόσμιος χάρτης θερμότητας που φτιάχτηκε σε μια σχετικά σύντομη χρονική στιγμή — ένας που έδειχνε τη ροή της θερμότητας σε αρκετές ώρες.

Ο O'Donoghue, ο Moore και η παρέα του στράφηκαν στο Παρατηρητήριο Keck στην κορυφή του αδρανούς ηφαιστείου Mauna Kea της Χαβάης. Το χρησιμοποίησαν για να παρατηρήσουν τον Δία στο υπέρυθρο φως για δύο νύχτες - 14 Απριλίου 2016 και 25 Ιανουαρίου 2017 - για πέντε ώρες το καθένα. Κατά τη διάρκεια κάθε νύχτας δημιουργούσαν έναν χάρτη θερμότητας υψηλής ανάλυσης της πλευράς της ημέρας του Δία. Και οι δύο χάρτες έδειξαν ξεκάθαρα τις θερμοκρασίες να κορυφώνονται γύρω από τις ζώνες σέλας, αγγίζοντας τους 730 βαθμούς Κελσίου. Αυτό το θερμικό ζενίθ μειώθηκε σταδιακά καθώς πλησιάζατε στον ισημερινό, όπου ο υδράργυρος εξακολουθούσε να αγγίζει τους εντυπωσιακούς 325 βαθμούς.

Τα αποτελέσματά τους, προς το παρόν διαθέσιμα σε προεκτύπωση που έχει γίνει αποδεκτή στο Nature , εναρμονίζονται με αυτό που είδε το Cassini στον Κρόνο. [Σημείωση του συντάκτη:Αυτή η εργασία έχει πλέον δημοσιευτεί. ] Τα αποτελέσματα θεωρήθηκαν ως σκληρή απόδειξη ότι τα σέλας μπορούν να λύσουν την ενεργειακή κρίση. "Είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός, βλέποντας ότι είναι η θέρμανση του σέλας", δήλωσε η Rosie Johnson, ερευνήτρια διαστημικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Aberystwyth στην Ουαλία, η οποία δεν ασχολήθηκε με κανένα από τα δύο χαρτιά.

Η Licia Ray, ερευνήτρια διαστημικής και πλανητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Lancaster στην Αγγλία, η οποία επίσης δεν ασχολείται με κανένα από τα δύο έγγραφα, επαινεί το αυστηρό σύνολο δεδομένων της μελέτης του Κρόνου. Αλλά είναι λιγότερο πεπεισμένη από το χαρτί του Δία. "Χρησιμοποιούν μόνο δύο νύχτες δεδομένων και θεωρώ ότι αυτό είναι ένα πρόβλημα", είπε. Όμως, παρά τους ενδοιασμούς της, «νομίζω ότι το αποτέλεσμα της βαθμίδας θερμοκρασίας [στο Δία] πιθανότατα θα διατηρηθεί, επειδή το έχουν δει στον Κρόνο», είπε.

Το να έχουμε σχετικά λίγες παρατηρήσεις είναι «μια δίκαιη ανησυχία, γιατί αυτά είναι πολύ δυναμικά μέρη, αυτοί οι γιγάντιοι πλανήτες», είπε ο Μουρ. Επιπλέον νύχτες παρατηρήσεων του Δία έχουν συλλεχθεί και βρίσκονται υπό επεξεργασία.

Εν πάση περιπτώσει, οι περισσότεροι ανεξάρτητοι ερευνητές φαίνονται πεπεισμένοι ότι οι πυρετοί σε όλο τον πλανήτη είναι μέχρι τα σέλας. Αυτά τα έγγραφα παρέχουν «μια πολύ ωραία επιβεβαίωση ότι αυτό που υποπτευόμασταν ότι συνέβαινε συμβαίνει στην πραγματικότητα», δήλωσε ο Leigh Fletcher, πλανητολόγος στο Πανεπιστήμιο του Leicester στην Αγγλία που δεν ασχολήθηκε με την εργασία. «Η ενέργεια διαρρέει από την περιοχή του σέλας προς τα χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη». Το ερώτημα είναι:Πώς;

The Wicked Western Winds

Η πλειονότητα των μοντέλων ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας αγωνίζεται να μεταφέρει τη θερμότητα από το σέλας μέσω των δυτικών ανέμων του Δία και του Κρόνου στον ισημερινό — ωστόσο, οι θερμικοί χάρτες τους δείχνουν ότι αυτά τα καταιγιστικά εμπόδια με κάποιο τρόπο ξεπερνιούνται.

Μια πιθανή λύση εμπνεύστηκε από τις παρατηρήσεις του Cassini. Ο Cassini ανακάλυψε ότι, μερικές φορές, μια διαταραχή σε ένα χαμηλότερο στρώμα της ατμόσφαιρας του Κρόνου μπορεί να προκαλέσει τη μετανάστευση αυτού του στρώματος στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Μια τέτοια αναστροφή μπορεί να διαταράξει και να επιβραδύνει τους ισχυρούς δυτικούς ανέμους της ανώτερης ατμόσφαιρας — ίσως αρκετά για να επιτρέψει τη διαρροή της θερμότητας του σέλας.

Θεωρητικά, αυτός ο μηχανισμός θα μπορούσε να ισχύει και για τον Δία. Αλλά στις ανώτερες ατμόσφαιρες των γιγάντων αερίου δεν υπάρχουν σύννεφα - σαφείς δείκτες κίνησης - γεγονός που καθιστά τη μελέτη των ανέμων εκεί "εξαιρετικά προκλητική", είπε ο Fletcher. Προς το παρόν, αυτό το κομμάτι της ενεργειακής κρίσης παραμένει ένας γρίφος χωρίς λύση.

Η ομάδα του O'Donoghue υποπτεύεται ότι μια δεύτερη διαδικασία μπορεί να βοηθήσει στη διανομή της θερμότητας γύρω από τον Δία. Περιστασιακά, η έντονη ηλιακή δραστηριότητα του ανέμου θα ασκήσει πίεση στη μαγνητόσφαιρα του Δία, συμπιέζοντάς την. Προηγούμενες εργασίες έδειξαν ότι όταν συμβεί αυτή η συμπίεση, τα ρεύματα πλάσματος του Io μπορούν να ωθηθούν γρήγορα στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Το πρόσθετο πλάσμα δίνει σε αυτούς τους ισχυρούς δυτικούς ανέμους περισσότερο για να ωθήσουν, κάτι που θα μπορούσε να προκαλέσει μια αιχμή θέρμανσης.

Μια τέτοια αιχμή μπορεί να έχει παρατηρηθεί κατά τις πρόσφατες έρευνες. Περίπου την ώρα της παρατήρησης της 25ης Ιανουαρίου 2017, όταν η δραστηριότητα του ηλιακού ανέμου ήταν σχετικά υψηλή, η ήδη καυτή ανώτερη ατμόσφαιρα αυξήθηκε σε θερμοκρασία. Η ομάδα εντόπισε ταυτόχρονα μια περίεργη δομή υψηλής θερμοκρασίας που κινείται από τις ζώνες σέλας προς τον ισημερινό. Αυτά τα φαινόμενα δεν παρατηρήθηκαν κατά την παρατήρηση της 14ης Απριλίου 2016, όταν η δραστηριότητα του ηλιακού ανέμου ήταν σχετικά ήσυχη.

Η ομάδα εικάζει ότι μια έκρηξη δραστηριότητας ηλιακού ανέμου στις αρχές του 2017 μπορεί να έχει τσιμπήσει τη μαγνητόσφαιρα του πλανήτη. Θα μπορούσαν όμως να παίζουν και άλλοι παράγοντες. Ο Ray εικάζει ότι μια άνοδος της ηφαιστειακής δραστηριότητας στην Io μπορεί να παρέχει μια εναλλακτική εξήγηση. Χωρίς περισσότερες παρατηρήσεις, δεν μπορούν να είναι σίγουροι με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, είπε ο O'Donoghue.

Παρά αυτά τα παρατεταμένα προβλήματα, η οριστική ταύτιση των σέλας ως ατμοσφαιρικοί εμπρηστές του Δία και του Κρόνου έχει ενισχύσει σημαντικά την κατανόησή μας για αυτούς τους κόσμους. Ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, ωστόσο, παραμένουν τυλιγμένοι σε μια πυκνή ομίχλη αβεβαιότητας. Έχουν διαφορετικές ατμόσφαιρες, μαγνητικά πεδία και περιστροφικές συμπεριφορές - «είναι εκκεντρικοί», είπε ο Μπράουν - που σημαίνει ότι αυτό που λειτουργεί για τους γίγαντες του αερίου μπορεί να μην λειτουργεί για τους γίγαντες του πάγου. Είναι τόσο μακριά που δυσκολευόμαστε να τα δούμε λεπτομερώς χρησιμοποιώντας τα τηλεσκόπια της Γης και φαίνεται ότι δεν θα τα επισκεφτεί άλλο διαστημόπλοιο στο άμεσο μέλλον. Μέχρι να έρθει εκείνη η μέρα, αυτές οι μακρινές σφαίρες θα παραμείνουν ξένες, και οι δύο ταλαιπωρημένες από πλανητικούς πυρετούς που δεν έχουμε ακόμη καταλάβουμε.

Ενημέρωση: 4 Αυγούστου 2021
Όταν εμφανίστηκε για πρώτη φορά αυτό το άρθρο, η έρευνα που περιγράφει τα σέλας του Δία ήταν διαθέσιμη μόνο ως προεκτύπωση. Τώρα έχει δημοσιευτεί στο Φύση.