Άγριοι άνεμοι στον Ποσειδώνα

Η ανώτερη ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα περιέχει μερικούς από τους ταχύτερους ανέμους στο ηλιακό σύστημα, φτάνοντας ταχύτητες άνω των 400 m/s (900 mph). Το πώς διατηρούνται αυτοί οι θυελλώδεις άνεμοι είναι ένα μυστήριο για τους πλανητικούς επιστήμονες – ο Ποσειδώνας βρίσκεται 30 φορές πιο μακριά από τον Ήλιο από τη Γη, που σημαίνει ότι ο πλανήτης δέχεται 900 φορές λιγότερη ροή από τη Γη. Έτσι, φαίνεται ότι η εισερχόμενη ακτινοβολία από μόνη της δεν μπορεί να τροφοδοτήσει τους ακραίους ανέμους στον Ποσειδώνα.

Το Voyager 2 βρήκε ότι ο Ποσειδώνας εκπέμπει πάνω από διπλάσια ενέργεια από ό,τι θα λάμβανε μόνο από την ηλιακή ακτινοβολία [1], επομένως κάποια εσωτερική δύναμη πρέπει να οδηγήσει την ενέργεια μέσα στον Ποσειδώνα. Σε μια πρόσφατη εργασία [2], οι επιστήμονες παρατήρησαν φωτεινά χαρακτηριστικά σύννεφων στον Ποσειδώνα με το τηλεσκόπιο Keck για να συμπεράνουν τη δομή και τη δυναμική της ανώτερης ατμόσφαιρας του πλανήτη. Η ταχύτητα και η θέση αυτών των νεφών συνδέονται με την ατμοσφαιρική θερμοκρασία, τη σύνθεση και τις συναγωγικές κινήσεις. Με τη σειρά τους, αυτές οι ιδιότητες παρέχουν ενδείξεις σχετικά με την ιστορία σχηματισμού και την εξέλιξη του Ποσειδώνα και μπορούν να βοηθήσουν στην εξήγηση του τρόπου με τον οποίο τροφοδοτείται ο Ποσειδώνας.

Οι ταχύτητες ανέμου του Ποσειδώνα προέρχονται από την παρακολούθηση των φωτεινών χαρακτηριστικών του σύννεφου καθώς περιστρέφονται γύρω από τον πλανήτη (Εικόνα 1). Παρακολουθώντας τη θέση κάθε σύννεφου καρέ-καρέ, μπορεί να προσδιοριστεί μια ταχύτητα. Αυτή η ταχύτητα είναι σχεδόν καθαρά στην κατεύθυνση Ανατολής-Δύσης. Λόγω του αρκετά γρήγορου ρυθμού περιστροφής του Ποσειδώνα (μια ημέρα στον Ποσειδώνα είναι 16 ώρες), η δύναμη Coriolis διορθώνει αυτά τα χαρακτηριστικά σε γεωγραφικό πλάτος, παρόμοια με το πώς είναι δύσκολο να σηκώσετε ή να κατεβάσετε τα χέρια σας αν τα κρατάτε έξω ενώ περιστρέφεστε στη θέση τους πολύ γρήγορα. Ένα παγκόσμιο προφίλ ταχύτητας ανέμου, που ονομάζεται "ζωνικό προφίλ ανέμου" σχηματίζεται με το συνδυασμό των ταχυτήτων των χαρακτηριστικών του σύννεφου σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη.

Το Voyager 2 έκανε τις πρώτες μετρήσεις του ζωνικού προφίλ ανέμου του Ποσειδώνα. Οι επακόλουθες παρατηρήσεις του Ποσειδώνα με το τηλεσκόπιο Keck έδωσαν τις πιο πρόσφατες μετρήσεις του ζωνικού ανέμου. Σημαντικές διαφορές ταχύτητας ανέμου έως και 100 m/s (225 mph) μεταξύ των ζωνικών προφίλ ανέμου που λαμβάνονται σε διαφορετικά φίλτρα και μήκη κύματος έχουν παρατηρηθεί στον ισημερινό του Ποσειδώνα. Αυτές οι διαφορές στην ταχύτητα του ανέμου μπορεί να οφείλονται στην αλλαγή του πλανήτη με την πάροδο του χρόνου ή στην παρατήρηση σε διαφορετικά φασματικά παράθυρα.

Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες μπόρεσαν να αποκλείσουν την προηγούμενη εξήγηση. Παρατηρώντας τον Ποσειδώνα σε δύο φίλτρα, εναλλάξ μεταξύ των δύο σε μία νύχτα, μπόρεσαν να δημιουργήσουν ένα σύνολο εικόνων και στα δύο φίλτρα που ελαχιστοποιούσαν τις κινήσεις σύννεφων μεταξύ των καρέ σε κάθε φίλτρο. Δεδομένου ότι κάθε φίλτρο ανιχνεύει διαφορετικά ύψη στον Ποσειδώνα, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι διαφορές των 100 m/s που είδαν πρέπει να οφείλονται στο ότι οι ταχύτητες του ανέμου αλλάζουν ανάλογα με το βάθος.

Αυτές οι κατακόρυφες διαφορές στις ταχύτητες του ανέμου παρέχουν πολλές ενδείξεις για τη δομή της περιβάλλουσας ατμόσφαιρας και τι οδηγεί τη δυναμική της. Οι διαβαθμίσεις της πίεσης λόγω της γεωγραφικής θερμοκρασίας ή των διακυμάνσεων της σύνθεσης είναι απαραίτητες για την κίνηση των ανέμων. Το μέγεθος της κατακόρυφης διαφοράς ταχύτητας ανέμου συνδέεται μαθηματικά με την ισχύ αυτών των διακυμάνσεων. Τα σύννεφα είναι πιο εμφανή στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη του Ποσειδώνα, υποδηλώνοντας ότι αυτές οι περιοχές είναι πολύ ψυχρότερες και πλουσιότερες σε συμπυκνώσιμο μεθάνιο από τον ισημερινό. Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι αυτή η εικόνα εκτείνεται κάθετα σε όλη την ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα. Ωστόσο, η παρατηρούμενη διαφορά ταχύτητας ανέμου των 100 m/s φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με αυτό το εύρημα.

Στην πρόσφατη εργασία τους, οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι κάτω από το παρατηρούμενο κατάστρωμα σύννεφων, η παραπάνω εικόνα μπορεί να αναστραφεί. Συμπεραίνουν ότι εάν ο ισημερινός είναι θερμότερος από τα μεσαία γεωγραφικά πλάτη, σύμφωνα με τις μεσαίες υπέρυθρες παρατηρήσεις του πλανήτη, το μεθάνιο θα πρέπει να εξαντληθεί έως και τέσσερις φορές περισσότερο στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη σε σύγκριση με τον ισημερινό. Αυτό το εύρημα έχει επίσης συνέπειες για το πώς η ατμόσφαιρα κυκλοφορεί και κατανέμει την ενέργεια. Καθεστώτα πλούσια σε μεθάνιο συνάδουν με την άνοδο του αέρα, ο οποίος διαστέλλεται αδιαβατικά και ψύχεται σε συμπυκνωμένα σωματίδια σύννεφων. Αντίθετα, τοποθεσίες φτωχές σε μεθάνιο συνεπάγονται κινήσεις καθόδου. Όπως τα κύτταρα Hadley στη Γη, αυτό αποτελεί ένα παγκόσμιο μοντέλο κυκλοφορίας για την ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα. Όμως, αυτή η μελέτη υποστηρίζει ότι η ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα είναι δομικά περίπλοκη. Δεν είναι βέβαιο πόσα κύτταρα υπάρχουν, αν υπάρχουν κύτταρα κυκλοφορίας στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο και πόσο βαθιά πηγαίνουν.

Οι επίγειες παρατηρήσεις και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble ήταν ο κυρίαρχος τρόπος μελέτης της νεφελώδους ατμόσφαιρας του Ποσειδώνα από τότε που πέταξε το Voyager στα τέλη της δεκαετίας του 1980. Πρόσφατα, ο Ποσειδώνας έχει μια σειρά από ασυνήθιστη θυελλώδη δραστηριότητα. Μια γιγαντιαία καταιγίδα στη συνήθως σκοτεινή και ήσυχη ισημερινή περιοχή του Ποσειδώνα ανακαλύφθηκε το καλοκαίρι του 2017 με τον Keck [3] και ένα ολοκαίνουργιο σκοτεινό σημείο, μόλις το πέμπτο που έχει δει ποτέ, εντοπίστηκε με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble τον Σεπτέμβριο του 2015 [4] (Εικόνα 2).

Τι σχηματίζει αυτά τα χαρακτηριστικά, πόσο βαθιά εκτείνονται και από τι αποτελούνται είναι προς το παρόν άγνωστο. Η NASA έχει προσδιορίσει τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα ως πιθανούς στόχους για μια νέα αποστολή ναυαρχίδας διαστημικού σκάφους τις επόμενες δεκαετίες. Ένα άλλο κοντινό πλάνο του Ποσειδώνα θα παρείχε μια ματιά υψηλής ανάλυσης σε αυτά τα συναρπαστικά συστήματα cloud και θα βοηθούσε στην επίλυση αυτών των αναπάντητων ερωτημάτων.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Κάθετη διάτμηση ανέμου στην ανώτερη ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα που εξηγείται με μια τροποποιημένη εξίσωση θερμικού ανέμου, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Joshua Tollefson, Imke de Pater, Philip S. Marcus και Michael H. Wong από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Berkeley, Statia Luszcz-Cook από το Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας, Lawrence A. Sromovsky και Patrick M. Fry από το Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison και Leigh N. Fletcher από το University of Leicester.

Αναφορές:

1. J.C. Pearl, B.J. Conrath., Το άλμπεντο, η αποτελεσματική θερμοκρασία και το ενεργειακό ισοζύγιο του Ποσειδώνα, όπως προσδιορίζεται από τα δεδομένα του Voyager. JGR Space Physics 96, S01. σελ. 18921-18930 (1991). https://doi.org/10.1029/91JA01087
2. J. Tollefson, et al., Κάθετη διάτμηση ανέμου στην ανώτερη ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα εξηγείται με μια τροποποιημένη εξίσωση θερμικού ανέμου. Ίκαρος 311, 1. σελ. 317-339 (2018). https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S001910351630210X
3. http://www.keckobservatory.org/new_storm_makes_surprise_appearance_on_neptune/
4. Wong et al., A new dark vortex on Neptune. Astrophysical Journal 155, 3. σελ. 117-125 (2018). https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S001910351630210X