Μη συμβατικά κύματα σε εξωγήινους ωκεανούς:μια νέα επιστημονική εξερεύνηση

Κύματα της θάλασσας. Πηγές εικόνας:Silas Baisch/Unsplash

Ένα απαλό αεράκι στη Γη μόλις και μετά βίας ζαρώνει μια λίμνη. Αλλά στον Τιτάνα, το μεγαλύτερο φεγγάρι του Κρόνου, η ίδια ριπή ανέμου θα μπορούσε να σηκώσει κύματα τόσο ψηλά όσο ένα διώροφο κτίριο.

Αυτή η περίεργη αναντιστοιχία είναι το επίκεντρο μιας νέας μελέτης που θέτει μια απλή αλλά εκπληκτικά δύσκολη ερώτηση:γιατί τα κύματα συμπεριφέρονται τόσο διαφορετικά μόλις φύγετε από τη Γη;

Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπάθησαν να προβλέψουν πώς μπορεί να σχηματιστούν κύματα σε κόσμους όπου σχεδόν τα πάντα είναι διαφορετικά (βαρύτητα, πίεση αέρα, θερμοκρασία, ακόμη και το ίδιο το υγρό). Αυτό έχει σημασία γιατί τα κύματα κάνουν περισσότερα από το να μετακινούν το νερό. Αναδιαμορφώνουν τις ακτές, μεταφέρουν ιζήματα και αναμειγνύουν υγρά. Με τον καιρό, μπορούν να αφήσουν ενδείξεις για το κλίμα και την ιστορία του τοπίου ενός ολόκληρου κόσμου.

Τα εξωγήινα κύματα δεν ακολουθούν τους κανόνες της γης

Μέχρι τώρα, οι περισσότερες απόπειρες πρόβλεψης κυμάτων πέρα από τη Γη επικεντρώνονταν σε έναν μόνο παράγοντα - συνήθως τη βαρύτητα. Αυτός ήταν ένας μεγάλος περιορισμός. 

Ένα κύμα δεν εξαρτάται μόνο από το πόσο δυνατά ένας πλανήτης έλκει προς τα κάτω. Εξαρτάται επίσης από το υγρό:πόσο πυκνό είναι, πόσο παχύρρευστο είναι και πόσο εύκολα μπορεί να διαταραχθεί η επιφάνειά του. Εξαρτάται επίσης από την ατμόσφαιρα πάνω από αυτό, συμπεριλαμβανομένου του πόσο αποτελεσματικά ο άνεμος μπορεί να μεταφέρει ενέργεια στο υγρό από κάτω.

Τα προηγούμενα μοντέλα αγωνίστηκαν να συνδυάσουν όλα αυτά τα συστατικά σε ένα πλαίσιο. Αυτό κατέστησε δύσκολο να προβλεφθεί εάν μια εξωγήινη λίμνη θα παρέμενε υαλώδης λεία ή θα ανέβαινε σε πανύψηλα κύματα.

Έτσι οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα νέο μοντέλο που ονομάζεται PlanetWaves. Υπολογίζει τη βαρύτητα, τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και τις ιδιότητες του υγρού, όπως η πυκνότητα, το ιξώδες και η επιφανειακή τάση.

"Το μοντέλο φασματικών κυμάτων που αναπτύχθηκε για αυτήν την εργασία, PlanetWaves, παράγει ένα τετραδιάστατο φάσμα υψομετρικών επιφανειών υγρού ως απόκριση σε ένα εφαρμοσμένο κλίμα ανέμου. Αυτό το μοντέλο που βασίζεται στη φυσική μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιονδήποτε πλανήτη", σημειώνουν οι συγγραφείς της μελέτης.

Με πιο απλά λόγια, η ομάδα ήθελε να μάθει τι συμβαίνει όταν ο άνεμος αγγίζει για πρώτη φορά μια εντελώς εξωγήινη λίμνη. Πόσο δυνατή πρέπει να είναι αυτή η πρώτη ρουφηξιά; Πότε ένας κυματισμός γίνεται κύμα; Και πόσο μεγάλο μπορεί να μεγαλώσει αυτό το κύμα;

Από τις λίμνες της Γης στους εξωγήινους ωκεανούς

Για να δοκιμάσουν το μοντέλο, οι ερευνητές το έφεραν αρχικά πίσω στο σπίτι. Συνέκριναν το PlanetWaves με δύο δεκαετίες μετρήσεων σημαδούρας από τη λίμνη Superior, ελέγχοντας εάν θα μπορούσε να αναπαράγει πραγματικά ύψη κυμάτων και κατώφλια ανέμου στη Γη.

Στη συνέχεια το έσπρωξαν σε ξένο έδαφος.

Στον Τιτάνα, όπου οι λίμνες αποτελούνται από υγρό μεθάνιο και αιθάνιο, τα οποία δεν συμπεριφέρονται σαν νερό. Αυτό, σε συνδυασμό με τον συνδυασμό χαμηλής βαρύτητας, χαμηλής ατμοσφαιρικής πίεσης και ελαφρύτερων υγρών καθιστά τον σχηματισμό κυμάτων εκπληκτικά εύκολο. Το μοντέλο δείχνει ότι ακόμη και ένα ήπιο αεράκι θα μπορούσε να δημιουργήσει κύματα ύψους περίπου 10 ποδιών (περίπου 3 μέτρων), κινούμενα αργά αλλά ανεβαίνοντας δραματικά.

Η ομάδα κοίταξε επίσης πίσω στο χρόνο στον Άρη, ειδικά μέρη όπως ο κρατήρας Jezero. Καθώς ο Άρης έχασε την ατμόσφαιρά του για δισεκατομμύρια χρόνια, η πίεση στην επιφάνεια μειώθηκε. Το μοντέλο προτείνει ότι καθώς συνέβαινε αυτό, θα χρειάζονταν ισχυρότεροι και ισχυρότεροι άνεμοι για την παραγωγή των ίδιων κυμάτων, προσφέροντας ενδείξεις για το πώς μπορεί να συμπεριφέρονταν οι αρχαίες λίμνες του Άρη.

Πέρα από το ηλιακό μας σύστημα, οι διαφορές γίνονται ακόμη πιο ακραίες. Για παράδειγμα, στον LHS 1140 b (ένας παγωμένος εξωπλανήτης σαν τη Γη), η ισχυρότερη βαρύτητα καταστέλλει την ανάπτυξη των κυμάτων, που σημαίνει ότι οι άνεμοι που μοιάζουν με τη Γη θα παράγουν μικρότερα κύματα. Στο Kepler-1649b, οι πυκνές λίμνες θειικού οξέος αντιστέκονται στην κίνηση, έτσι ακόμη και οι ισχυροί άνεμοι αγωνίζονται να δημιουργήσουν κυματισμούς. 

Στο 55 Cancri e, όπου οι ωκεανοί μπορεί να είναι φτιαγμένοι από λιωμένο βράχο, ακόμη και οι άνεμοι με δύναμη τυφώνα με ταχύτητα περίπου 80 μιλίων την ώρα θα παρήγαγαν κύματα ύψους μόνο λίγων εκατοστών. Η παχιά, βαριά, παχύρρευστη λάβα απλώς αρνείται να κινηθεί με τον τρόπο που κινείται το νερό.

"Στη Γη, έχουμε συνηθίσει σε ορισμένες δυναμικές κυμάτων. Αλλά με αυτό το μοντέλο, μπορούμε να δούμε πώς συμπεριφέρονται τα κύματα σε πλανήτες με διαφορετικά υγρά, ατμόσφαιρες και βαρύτητα, κάτι που μπορεί να προκαλέσει τη διαίσθησή μας", δήλωσε ο Andrew Ashton, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης και επιστήμονας στο Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).

Τι μπορούν να μας πουν τα εξωγήινα κύματα

Αυτό το μοντέλο PlanetaryWaves κάνει περισσότερα από το να περιγράφει εξωτικά κύματα. Ανοίγει μια νέα λεωφόρο για τη μελέτη των πλανητικών επιφανειών. Για παράδειγμα, ο Τιτάνας έχει ποτάμια και ακτές, αλλά εκπληκτικά λίγους σχηματισμούς δέλτα, που είναι συνηθισμένοι στη Γη. Αυτό το μοντέλο θα μπορούσε να σας εξηγήσει γιατί.

Εάν τα κύματα συμπεριφέρονται διαφορετικά εκεί, μπορεί να αναδιαμορφώνουν το τοπίο με απροσδόκητους τρόπους. Το μοντέλο θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση τέτοιων μυστηρίων.

Έχει και πρακτική αξία. Οι μελλοντικές αποστολές που στοχεύουν να προσγειώσουν ανιχνευτές στις λίμνες του Τιτάνα θα πρέπει να γνωρίζουν τι είδους κύματα πρέπει να επιβιώσουν αυτά τα όργανα. Ο σχεδιασμός για μια ήρεμη γήινη λίμνη είναι ένα πράγμα. Ο σχεδιασμός για αργά κινούμενα αλλά πανύψηλα εξωγήινα κύματα είναι κάτι άλλο.

Ωστόσο, το τρέχον μοντέλο εξακολουθεί να βασίζεται σε υποθέσεις σχετικά με συνθήκες που δεν έχουμε παρατηρήσει άμεσα - ειδικά σε μακρινούς εξωπλανήτες και ακόμη και στον Τιτάνα, όπου η κυματική δραστηριότητα δεν έχει δει ακόμη ξεκάθαρα. 

Επομένως, το επόμενο βήμα είναι να συγκρίνετε αυτές τις προβλέψεις με πραγματικές μετρήσεις, πιθανώς από μελλοντικές αποστολές ή βελτιωμένες παρατηρήσεις.

Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικό JGR Planets .