Συναγωγή της στρατοσφαιρικής κυκλοφορίας του Δία από τη σύνθεσή του
Ο Δίας είναι ο βασιλιάς όλων των πλανητών του Ηλιακού Συστήματος. Είναι ο μεγαλύτερος, που αποτελείται κυρίως από αέριο, και πιστεύεται ότι σχηματίστηκε νωρίτερα από τους περισσότερους βραχώδεις πλανήτες – συμπεριλαμβανομένης της Γης – στην ιστορία του Ηλιακού Συστήματος.
Έχει πρωταρχικό ενδιαφέρον επειδή διατηρεί ένα αρχείο των στοιχειωδών τούβλων των πρώιμων σταδίων του Ηλιακού Συστήματος κρυμμένο στο βαθύ εσωτερικό του, ένα αρχείο που προσπαθεί να αποκαλύψει η αποστολή Juno της NASA [Bolton et al., Science, 2017]. Για τους περισσότερους ανθρώπους, ο Δίας είναι ένα φωτεινό περιπλανώμενο αστέρι, το οποίο λάμπει μόνο από τον Ήλιο, τη Σελήνη και την Αφροδίτη τη νύχτα. Ωστόσο, για τους ερασιτέχνες αστρονόμους και τους επιστήμονες, είναι γνωστό για τη δομή του με πολύχρωμες ζώνες, τη γιγάντια Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα του και τη σειρά τεσσάρων σημαντικών δορυφόρων που ανακάλυψε ο Γαλιλαίος στις αρχές του 17ου αιώνα.
Εκτός από την περίπλοκη δομή των νεφών που παρατηρείται στα εξωτερικά ατμοσφαιρικά στρώματα του Δία, λίγα είναι γνωστά για το εσωτερικό του. Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο παρατηρούν εκτενώς τον Δία εδώ και αιώνες, αλλά τα όργανά τους ανιχνεύουν μόνο τα εξώτατα 4.000 km της ατμόσφαιράς του, μόλις το 3% της συνολικής ακτίνας 70.000 km του Δία. Η κατανόηση των εξωτερικών στρωμάτων του Δία είναι ο μόνος τρόπος για να κατανοήσουμε τον πλανήτη στο σύνολό του μέσω της αλληλεπίδρασής του με το βαθύτερο εσωτερικό, το τοπικό διαπλανητικό περιβάλλον και τους δορυφόρους του.
Ο Δίας αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο, με μικρή ποσότητα μεθανίου και άλλα ίχνη ειδών. Το μεθάνιο παίζει καθοριστικό ρόλο καθώς αλληλεπιδρά με το υπεριώδες φως που προέρχεται από τον Ήλιο. Το μεθάνιο στην κορυφή της ατμόσφαιρας του Δία διασπάται σε μικρότερα κομμάτια από το ηλιακό φως και στη συνέχεια βυθίζεται προς την κατώτερη ατμόσφαιρα του Δία ενώ αντιδρά χημικά για να σχηματίσει όλο και υψηλότερα μόρια υδρογονανθράκων. Μερικά από τα πιο άφθονα, το αιθάνιο και το ακετυλένιο, έχουν μετρηθεί και παρακολουθηθεί από τη Γη και τα διαστημικά παρατηρητήρια εδώ και δεκαετίες. Αυτά τα μόρια παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον επειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ιχνηθέτες για τη στρατοσφαιρική κυκλοφορία του Δία, όπου δεν υπάρχουν παρατηρήσιμα νέφη που να δείχνουν αυτά τα μοτίβα κυκλοφορίας.
Το διαστημόπλοιο Cassini, γνωστό ότι έφερε πίσω έναν εκπληκτικό πλούτο πληροφοριών από το σύστημα του Κρόνου, πέταξε επίσης δίπλα στον Δία στα τέλη του 2000 και μέτρησε με ακρίβεια πώς το αιθάνιο και το ακετυλένιο κατανέμονται στον πλανήτη ως συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους [Nixon et al., Icarus , 2010]. Στο «Φωτοχημεία, μίξη και μεταφορά στη στρατόσφαιρα του Δία που περιορίζεται από το Cassini», ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Icarus , οι επιστήμονες Vincent Hue, Franck Hersant, Thibault Cavalié, Michel Dobrijevic και James Sinclair διερεύνησαν εάν η παρατηρούμενη κατανομή αιθανίου και ακετυλενίου θα μπορούσε, στην πραγματικότητα, να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας του Δία σε μεγάλο υψόμετρο
Η κατανομή των δύο μορίων θεωρητικά αναμενόταν να μιμείται το ένα το άλλο, επειδή και τα δύο προέρχονται από την ίδια πηγή:το μεθάνιο. Ωστόσο, μια έκπληξη που αποκάλυψε η Cassini ήταν ότι στην πραγματικότητα είναι αντισυσχετισμένοι. Η αφθονία του αιθανίου βρέθηκε περίεργα να αυξάνεται από τον ισημερινό στον πόλο, ενώ η ακετυλίνη έδειξε τις αντίθετες τάσεις, δηλαδή όπως περίμεναν και οι δύο επιστήμονες να κάνουν. Αυτή η ασυμφωνία μεταξύ της πρόβλεψης και των παρατηρήσεων θα μπορούσε να εξηγηθεί από διάφορους μηχανισμούς κυκλοφορίας στην ατμόσφαιρα του Δία που θα μπορούσαν να μεταφέρουν αιθάνιο διαφορετικά από το ακετυλένιο ή από έναν διαφορετικό τύπο χημείας, που εμφανίζεται στις πολικές του περιοχές.
Οι συγγραφείς ανέπτυξαν ένα συγκεκριμένο ατμοσφαιρικό μοντέλο για να προσομοιώσουν την κατανομή αυτών των δύο μορίων κάτω από διάφορα μοτίβα ατμοσφαιρικής κίνησης. Οι γνωστοί μηχανισμοί κίνησης περιλαμβάνουν κατευθυντική κίνηση, για παράδειγμα, ανέμους ή διαχυτική κίνηση, μια παρόμοια διαδικασία με το να αφήνετε το φακελάκι του τσαγιού σας να εγχυθεί σε ζεστό νερό. Η ατμοσφαιρική κίνηση που χρησιμοποίησαν στα μοντέλα τους προέρχεται από δεκαετίες παρατηρήσεων που μέτρησαν πώς εξελίχθηκε η σύνθεση της ατμόσφαιρας του Δία με την πάροδο του χρόνου. Πιο συγκεκριμένα, μια σημαντική πρόσκρουση κομήτη παρατηρήθηκε στον Δία το 1994, η οποία έφερε πολυάριθμα εξωγενή υλικά σε διάφορες συγκεκριμένες τοποθεσίες στον Δία. Έκτοτε, οι ατμοσφαιρικές κινήσεις του Δία παρακολουθούνται με τη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο αυτό το υλικό εξαπλώθηκε σε ολόκληρο τον πλανήτη.
Δείχνουν ότι ο εμπλουτισμός σε αιθάνιο στους πόλους θα μπορούσε ενδεχομένως να εξηγηθεί λαμβάνοντας υπόψη ότι ο Δίας έχει δύο μεγάλα κύτταρα ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας - κάπως παρόμοια με τα κύτταρα κυκλοφορίας του Hadley στη Γη - με ανοδική ροή στον ισημερινό και καθοδική ροή σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Ωστόσο, δείχνουν επίσης ότι, δεδομένης της τρέχουσας γνώσης για τη χημεία στην ατμόσφαιρα του Δία, η κατανομή της ασετυλίνης εξακολουθεί να προβλέπεται να ακολουθεί την ίδια τάση με το αιθάνιο, σε αντίθεση με αυτό που παρατηρήθηκε
Ένας τρόπος για να αποσυνδέσετε το αιθάνιο και το ακετυλένιο είναι να επικαλεστείτε έναν διαφορετικό τύπο χημείας που συμβαίνει στον ισημερινό ή σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Οι πόλοι του Δία είναι γνωστοί για τη φιλοξενία των πιο ισχυρών σέλας σε ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα, που πυροδοτούνται από το έντονο μαγνητικό πεδίο του Δία, και το οποίο είναι μια άλλη θεματική μελέτη της αποστολής Juno της NASA. Αυτά τα σέλας είναι μια υπογραφή της τεράστιας ποσότητας ενέργειας που απορρίπτεται με τη μορφή ενεργητικών ηλεκτρονίων στις πολικές περιοχές του Δία. Οι χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν ουδέτερα μόρια και ιόντα θα μπορούσαν θεωρητικά να είναι ένας τρόπος αποσύνδεσης αυτών των δύο υδρογονανθράκων και παραγωγής της παρατηρούμενης χημικής υπογραφής.
Προς υποστήριξη της αποστολής Juno, πρόσφατες επίγειες παρατηρήσεις από το Υπέρυθρο Τηλεσκόπιο της NASA υποδηλώνουν ότι, πράγματι, η ατμοσφαιρική περιοχή κάτω από το βόρειο σέλας του Δία αντιμετωπίζει δραματικά διαφορετικές συνθήκες από την υπόλοιπη ατμόσφαιρα [Sinclair et al., Icarus, 2018]. Όχι μόνο η ατμοσφαιρική θερμοκρασία ενισχύθηκε τοπικά κατά περίπου 20˚K, αλλά και το ακετυλένιο ενισχύθηκε τοπικά στην ίδια περιοχή, ενώ το αιθάνιο εμπλουτίστηκε σε ολόκληρη την πολική περιοχή.
Αυτά τα αποτελέσματα αποκλείουν την ατμοσφαιρική κυκλοφορία του Δία ως την αιτία για την αινιγματική κατανομή στην ατμοσφαιρική σύνθεση που αποκάλυψε ο Cassini. Ωστόσο, αυτό ανοίγει μια νέα ερευνητική κατεύθυνση όπου οι επιστήμονες θα πρέπει να κατανοήσουν πώς επηρεάζεται η στρατοσφαιρική χημεία από το υπέροχο σέλας του Δία.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Photochemistry, mixing and transport in Jupiter’s stratosphere constrained by Cassini, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους V. Hue από το Southwest Research Institute, F. Hersant και M. Dobrijevic από το Παν. Bordeaux, T. Cavalié από το Observatoire de Paris και J.A. Sinclair από το Jet Propulsion Laboratory/Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας.
