العدالة - ملخص النتائج - الجزء الثالث: المطر والبرق والأعاصير

تمت ملاحظة البرق لأول مرة على كوكب المشتري عندما اخترقت كبسولة غاليليو الغلاف الجوي، على الرغم من أنه كان أقل تكرارًا مما هو عليه على الأرض. نطاق البرق هو عُشر تلك التي تحدث في عالمنا، لكن شدتها أعلى بعشرات المرات

مطر

على كوكب المشتري هناك نوعان من المطر. ويرتبط مطر واحد بالسحاب، ومطر آخر يتعلق بنواته. المطر من النوع الأول - على الأرض يصل المطر إلى الأرض، وتمتصه التربة ويدخل مرة أخرى إلى دورة الماء المألوفة. وعلى المشتري يتبخر المطر في طريقه إلى الهبوط، ويعود فورًا إلى النظام، ويرتفع فيتبخر، ثم يتراجع، يتبخر ويعود، لا سمح الله (26). أما النوع الثاني من المطر فيرتبط بالهيليوم الموجود في أعماق كوكب المشتري. تدعم النتائج التي توصلت إليها Voyagers الفرضية المثيرة للجدل سابقًا والتي مفادها أنه يوجد في أعماق الكوكب وابل من الهيليوم. وفي أعماق كبيرة جدًا، يكون الضغط الجوي أكبر بملايين المرات من الضغط على الأرض، لدرجة أن الهيليوم يتصرف كالسائل. لا يختلط مع الهيدروجين . ولأن الهيليوم أثقل، فإنه يغوص تدريجياً نحو مركز المشتري (12).

برق

تمت ملاحظة البرق لأول مرة على كوكب المشتري عندما اخترقت كبسولة غاليليو الغلاف الجوي، على الرغم من أنه كان أقل تكرارًا مما هو عليه على الأرض. ومدى البرق هو عُشر ما يحدث في عالمنا، ولكن شدته أعلى بعشرات المرات (11).

واكتشفت مركبة غاليليو الفضائية نفسها على الجانب الليلي من كوكب المشتري أن البرق يتم التحكم فيه من خلال دورانات جوية واسعة النطاق مرتبطة بمناطق الضغط المنخفض (27). تظهر النتائج التي توصل إليها غاليليو أن البرق يحدث بشكل رئيسي في الأحزمة ويرتبط بمجموعات من السحب العالية اللامعة السميكة التي تظهر فجأة وتنمو خلال أيام قليلة إلى أبعاد 1000 كيلومتر. وفي قمم مجموعات السحب يبلغ الضغط الجوي مئات المليبار، وهو المكان الذي من المحتمل أن يتكثف فيه الماء والأمونيا وكبريتيد الهيدروجين (2). وقد لوحظ البرق في عدد محدود من خطوط العرض. مناطق القص المضادة للأعاصير. ويمكن معرفة عمق اختراق البرق للغلاف الجوي من حجم البقع الضوئية الموجودة في السحب. كلما كانت البقعة أكبر، كان الانهيار الكهربائي أعمق. وبحسب النتائج التي توصل إليها جاليليو، يظهر البرق في الطبقات التي من المتوقع أن تتشكل فيها السحب المائية (14).

اكتشفت المركبة الفضائية نيو هورايزنز البرق الليلي عند خطوط العرض العليا، مما يدل على أن تيارات الحمل الحراري لا تقتصر على خطوط العرض المنخفضة. والمعنى مصدر حرارة داخلي. وتتوافق شدتها مع قياسات البرق السابقة عند خطوط العرض المنخفضة، أي ما يعادل إضاءات قوية من الصواعق الأرضية الفائقة (28).

ضباب
يحتوي كوكب المشتري على طبقة ضبابية مرتفعة فوق طبقة السحابة الرئيسية. ولم تكن هذه النتيجة مفاجئة نظرا لأنه كان معروفا لفترة طويلة وجود كمية كبيرة من غاز الميثان في غلافه الجوي. ويتعرض الميثان الموجود على ارتفاعات عالية لتأثير الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس، فيتحلل ويشكل هيدروكربونات أكثر تعقيدا تتكثف على شكل قطرات.

أثار التحليل الأولي لنتائج غاليليو احتمال أن يكون ضباب المشتري مكونًا من طبقتين، إحداهما في طبقة الستراتوسفير المرتبطة بالثولين (أي الموحل) المشتق من الميثان، والطبقة الثانية في طبقة التروبوسفير العليا (21). يغطي الضباب أيضًا البقعة الحمراء الكبرى (29). شهدت الملاحظات التي تم إجراؤها بتاريخ 16-17/8/2008 باستخدام التلسكوب الكبير جدًا التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي، على تغيرات كبيرة في سطوع الضباب الاستوائي الموجود في أحزمة يبلغ عرضها 16,000 كيلومتر عند خط الاستواء. إن انعكاس الضباب بشكل كبير في الغلاف الجوي العلوي يعني أن الضباب قد زاد أو أنه ارتفع إلى ارتفاع أكبر، ويتحرك الجزء اللامع جنوباً مسافة تزيد عن 6000 كيلومتر. تم التوصل إلى هذه النتائج بعد مقارنة الملاحظات التي أجراها تلسكوب هابل في عام 2005. أظهرت ملاحظات هابل التي تم إجراؤها عند الأطوال الموجية في الأطوال الموجية القريبة من الأشعة تحت الحمراء التي يستخدمها التلسكوب الكبير جدًا (VLT) مزيدًا من الضباب في النصف الشمالي من المنطقة الاستوائية الساطعة، بينما أظهرت ملاحظات VLT في عام 2008 تحركًا نحو الجنوب (30).

معنويات

يتم تحديد سرعة واتجاه الرياح على كوكب المشتري من خلال قياس الموقع المتغير للسحب في الغلاف الجوي. وفي يناير 1998، قامت كبسولة جاليليو بقياس سرعة الرياح 530 كم/ساعة، وبعد بضعة أشهر زادت السرعة إلى 640 كم/ساعة. إن التعرف على الرياح المستمرة تحت السحابة التي تم اكتشافها، رفع احتمال أن تكون الحرارة الخارجة من أعماق الكوكب هي التي تحركها وليس حرارة الشمس 11).

لنطاقات المشتري أبعاد مختلفة، ولكل نطاق عرضه الخاص، كما تختلف سرعات الرياح. ظلت هذه ثابتة خلال الملاحظات التلسكوبية وملاحظات غاليليو. وفي عدة صور يمكن رؤية الريح لأنها كانت تسحب السحب. كانت السرعة القصوى المقاسة في هذه الملاحظة 460 كم/ساعة (31).

وأظهرت مقارنة القياسات التي أجرتها المركبة الفضائية فوييجر في عام 1979 وكاسيني أن نظام الرياح لم يتغير إلا بالكاد. اتجاه الرياح يتوافق مع اتجاه السحب. وهي تهب باتجاه الشرق على الجانب المواجه لخط الاستواء للأحزمة المظلمة وغربًا على الجانب المواجه للقطبين. أقوى الرياح تكون عند خط الاستواء وتصل سرعتها إلى 612 كم/ساعة عندما تكون في الاتجاه الشرقي. هناك نوعان من الرياح: رياح قوية وعريضة تتجمع حول خط الاستواء، ورياح عند خطوط عرض أعلى. هذا الأخير أضعف وأضيق. قدم مجموعة من الباحثين من ألمانيا وكندا والولايات المتحدة الأمريكية نموذجاً حاسوبياً يأخذ في الاعتبار جميع خصائص نظام الرياح على كوكب الأرض والذي تصل بموجبه الرياح إلى عمق 7000 كيلومتر في الغلاف الجوي. لقد تم طرح احتمالين لتفسير سلوك الأرواح. الخيار الضحل والخيار العميق (من حيث عمق الاختراق في الغلاف الجوي). أما أولئك الذين يؤيدون النهج الضحل فقد طبقوا تقنيات تم تطويرها للأرصاد الجوية الأرضية.

ونظرًا لأن الغلاف الجوي للأرض رقيق جدًا (بالمقارنة مع حجمه)، فيمكن التعامل معه كطبقة بسيطة، مما يسمح لعمليات المحاكاة الحاسوبية بالتحرك بشكل أسرع. تمكنت النماذج من إنتاج عدد من الرياح النطاقية، لكنها فشلت لأن رياح المشتري الاستوائية تتحرك بشكل أقوى وفي الاتجاه المعاكس ولهذا السبب يختفي التمييز بين الخيارات الضحلة والعميقة. كل الأرواح متساوية. في عام 1970 تم تطوير أول نهج عميق. هناك فرق مهم بين الغلاف الجوي للأرض والمشتري هو أن الغلاف الجوي للأرض يحده أرض صلبة، في حين أن كوكب المشتري كوكب غازي. لا يوجد قاع يحصر الأرواح في طبقة رقيقة.

كلما تعمقت في الغلاف الجوي، يتم ضغط جزيئات الهيدروجين حتى تتصرف مثل مادة معدنية ومن حيث التوصيل الكهربائي. يمنع المجال المغناطيسي القوي لكوكب المشتري الحركة السريعة في المناطق العميقة التي توصل الكهرباء من خلال آلية تعمل كمكابح للتيار الدوامي. تعمل هذه الآلية على إخماد التيارات السريعة حتى الـ 10% الخارجية من نصف قطر النجم. وبناء على هذا المنهج تم بناء نموذج للطبقة الخارجية يشير إلى الطبقة الخارجية البالغة 7000 كيلومتر من الغلاف الجوي(32).

بناءً على قياسات كاسيني من عام 2000، تم إنشاء خريطة سرعة توضح السرعات في النطاق بين S°70 - N°70. يصل متوسط ​​السرعة إلى 400 كم/ساعة (20). وفي هذا السياق تجدر الإشارة إلى أن كبسولة غاليليو قامت بقياس سرعة الرياح حتى عمق 70 كيلومترا، وأدناه تكون السرعة ثابتة حتى عمق 150 كيلومترا. السرعة العالية في هذا العمق ليست نتيجة الحمل الحراري السحابي، بل تعكس في الواقع الدورة الداخلية للكوكب. ومع تسارع السرعات الأفقية، لا يكون التدفق الصاعد عموديًا فحسب، بل مدفوعًا بقوة الرياح ويكون أفقيًا تقريبًا بالنسبة إلى قمم السحب (33).

العواصف

العواصف على كوكب المشتري هائلة الحجم، أكبر بمرتين من العواصف الأرضية التي تصاحبها رياح سريعة يمكن أن تستمر لأيام وبرق، وعلى الرغم من أن أصل العواصف على الأرض والمشتري يختلف في كلتا الحالتين، إلا أنهما يتميزان بـ عملية مشابهة: ارتفاع الهواء فيؤدي إلى نزول المطر (2). وقد رُصدت آلاف البقع، كل منها عبارة عن عاصفة تساوي في حجمها أكبر العواصف الأرضية: كثير منها يتغير موقعه، أو ينتقل إلى خطوط عرض مختلفة أو يندمج مع غيرها، ومن بينها وجد بعضها كان عمره 26 يوما (70). .

لاحظت كاسيني ما بدا وكأنه عواصف بيضاء صغيرة قد اجتاحتها أنظمة أخرى حول البقعة الحمراء الكبرى، وتكسرت ودخلت مناطق القص الناتجة عن اختلافات الضغط. واكتشفت هذه المركبة الفضائية أيضًا عواصف طويلة الأمد في القطبين أيضًا (34). كما تم رصد عواصف إيدي في عام 2006 ورصدها تلسكوب هابل ومرصد كيك في عام 2008. وتحولت العواصف المحيطة بالبقعة الحمراء الكبرى، خلال عام واحد، من الهدوء إلى دوامات قوية على جانبي البقعة (19).

لاحظت الملاحظة التي أجراها تلسكوب هابل كنسخة احتياطية للملاحظة التي أجرتها المركبة الفضائية نيو هورايزون عاصفة نمت في غضون 24 ساعة من قطر 400 كيلومتر إلى قطر 2000 كيلومتر. وبحسب التقديرات، تتشكل العواصف الخفيفة بين أعمق السحب المائية، وترتفع بقوة كبيرة وتحقن خليطاً من جليد الأمونيا والماء حتى ارتفاع 30 كيلومتراً فوق السحب المرئية. وتتحرك بسرعة قصوى تبلغ 600 كم/ساعة وتشكل دوامات من السحب الحمراء التي تحيط بالكوكب بأكمله. تشير المقارنة بين الملاحظات التي تم إجراؤها في عام 1975 والملاحظات التي تم إجراؤها في عام 1990 إلى وجود تشابه. 3 عواصف مرصودة لها دورة زمنية تتراوح من 15 إلى 17 سنة. وتندلع العواصف في ذروة الرياح من حيث السرعة ودائما ما تشاهد عاصفتان تتحركان بنفس السرعة (35).

ومن الظواهر المثيرة للاهتمام المرصودة اندماج 3 عواصف كبيرة، كل منها بحجم نصف الأرض، واستمرت لمدة 60 عامًا. بدأت العملية في 1939-1940 عندما لاحظوا 3 عواصف أعطيت اسم الأشكال البيضاوية البيضاء التي تم إنشاؤها في هذه السنوات. المنتج النهائي هو عاصفة بطول 12,000 كيلومتر. وبدأت عملية الاندماج باندماج عاصفتين عام 1998 وانتهت باندماج عاصفة ثالثة انتهت عام 2000. وكانت كل واحدة منها عبارة عن دوامة عالية الضغط تدور حول نفسها مع رياح تتحرك عكس اتجاه عقارب الساعة بسرعة 470 كم/ساعة (36). يقع موقع العاصفة المدمجة عند W°350S°33 وهي تدور عكس اتجاه عقارب الساعة (37).

الأعاصير

كما هو الحال على الأرض، يتحرك الهواء أيضًا على كوكب المشتري عكس اتجاه عقارب الساعة حول مناطق الضغط المنخفض في نصف الكرة الشمالي وفي اتجاه عقارب الساعة حول مناطق الضغط المنخفض في نصف الكرة الجنوبي. وتسمى مناطق الضغط المنخفض الأعاصير ومناطق الضغط المرتفع تسمى الأعاصير المضادة. على كوكب المشتري، الأعاصير لها هيكل غير متبلور ودوامي ينتشر من مركزها في اتجاه الشرق والغرب. اكتشف Vigers أنهم كانوا يقذفون سحبًا لامعة ومتوسعة تبدو وكأنها كرات كبيرة من البرق. وأكد جاليليو الافتراض بأن تيارات الحمل الحراري تعمل في هذه المناطق. وفي إحدى الحالات، تم امتصاص إحدى هذه السحب اللامعة على الجانب النهاري من كوكب المشتري وبعد ساعتين أشرقت على الجانب الليلي. تكون الأعاصير المضادة بيضاوية الشكل ومستقرة وطويلة العمر مثل البقعة الحمراء الكبرى. لم يُشاهد أي برق في الأعاصير المضادة. الاحتمال هو أن الأعاصير المضادة لا تجتذب طاقة أقل من تيارات الاتفاقية. إنهم يتصرفون بشكل مختلف عن أعاصير كوكب المشتري. وهي تحافظ على نفسها من خلال الاندماج مع الهياكل الأصغر المنبعثة من الأعاصير، وهي ظاهرة لاحظها فيجرز وجاليليو (27).

تيارات الحمل الحراري

يتم التمييز بين منطقتين سحابيتين لكوكب المشتري. المناطق التي تكثر فيها السحب نسبياً وتكون الأحزمة أقل غيوماً. وذلك لأن الطاقة القادمة من الكوكب تتحرك نحو قمم سحب الأمونيا حيث يتم إسقاطها في الفضاء. تخلق هذه العملية خلايا اتفاقية على نطاق كوكبي ذات تناظر شعاعي بسبب دوران الكوكب السريع حول نفسه. يحتوي الجزء المتحرك للأعلى من كل خلية اتفاقية على مكثفات مثل الماء والأمونيا التي تتكثف عند درجة الحرارة والضغط المناسبين لكل منهما، لتشكل سحب ZONES. يتم إفراغ الجزء المتحرك للأسفل من كل خلية نسبيًا من المواد المتطايرة، وأقل غيومًا وبالتالي يتم إنشاء الأحزمة.

يجب إضافة منطقة نقطة ساخنة ثالثة إلى هاتين المنطقتين. وفي هذه المناطق تكون ظروف الأرصاد الجوية المحلية خالية تماما من السحب، على الأقل حتى مستوى تكثف الماء وحتى في المناطق المنخفضة. أدى اكتشاف مركبة غاليليو الفضائية لسحابة مائية عميقة عند اختراق الكبسولة للغلاف الجوي داخل البقعة الساخنة حيث لم تجد ماء على الإطلاق، إلى استنتاج مفاده أن السحب العميقة ليس لها تجانس أفقي. ولم يكن هذا الاستنتاج مفاجئا لأن خلايا الاتفاقية في المشتري يجب أن تصل إلى أعماق كبيرة وليس بالضرورة كخلايا فردية. قد تكون سلاسل الخلايا أكثر استقرارًا (21).

وحتى قبل إطلاق المركبة الفضائية نحو المشتري، كان من المعروف أنها تنبعث منها ضعف الحرارة التي تمتصها من الشمس. ولدى وصول المركبة الفضائية، أصبح من الواضح أن هذه العملية مرتبطة بتيارات الاتفاقية. وبما أن طاقة الشمس على المشتري لا تتجاوز 2% من تلك التي تصل إلى الأرض، فقد كان من الواضح أن المصدر لا بد أن يكون داخليا، وأنه المسؤول عن العواصف المختلفة التي تحدث على سطحه. كما أن شرائط السحب الملونة في الاتجاه الشرقي الغربي والتي تصل سرعتها إلى 4 كم/ساعة تدفعها تيارات الاتفاقية (480).

النقاط الساخنة

هناك نوعان من النقاط الساخنة في الغلاف الجوي. أحد هذه الأنواع هو مجموعة المناطق الداكنة الموجودة في الأحزمة. تظهر هذه مشرقة جدًا في الانبعاث الحراري خاصة في نطاق الطول الموجي القريب من 5 ميكرون. المكونات الغازية هي الهيدروجين والهيليوم والميثان والأمونيا. ويبدو أن هذه المناطق خالية نسبيا من السحب، حيث يحدث انبعاث من أعماق 8 أجواء ودرجة حرارة تقترب من 27 درجة مئوية تصل إلى الفضاء. يمكن أن يستشعر التحليل الطيفي عالي الدقة درجات حرارة عالية بما يكفي لوجود بخار الماء والفوسفين (PH3) (21).

ويوجد النوع الثاني في القطب الشمالي. وهي عبارة عن نبضات ساخنة تنبعث منها أشعة سينية تم اكتشافها بواسطة القمر الصناعي تشاندرا للأشعة السينية، وتشير التقديرات إلى أن مصدر الأشعة السينية يجب أن يكون بعيدًا عن كوكب المشتري نفسه. الرصد الذي تم فيه اكتشاف هذه الظاهرة كان بتاريخ 18.12.2000 عندما مرت المركبة الفضائية كاسيني بالقرب من كوكب المشتري. وتبين أن معظم نبضات الأشعة السينية تأتي إلى النقطة الساخنة من مصدر ثابت بالقرب من القطب المغناطيسي الشمالي لكوكب المشتري. وفي هذا المكان، تم اكتشاف انبعاثات الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية النشطة أيضًا. تُصدر الأشعة السينية نبضات في دورات مدتها 45 دقيقة، على غرار الانبعاثات الموجودة في خطوط العرض العليا التي اكتشفتها المركبة الفضائية غاليليو وكاسيني.

منذ فترة طويلة تم اكتشاف توهج الأشعة السينية بواسطة الأقمار الصناعية بالقرب من القطبين. ولم يتمكن الباحثون من تحديد الموقع الدقيق لهذا الإشعاع. كان يعتقد أن الأشعة السينية تم إنشاؤها بواسطة أيونات الأكسجين والكبريت النشطة. يتم تحفيز هذه الأيونات الناشئة من القمر آيو أثناء تحركها حول كوكب المشتري داخل غلافه المغناطيسي ويتم طرد بعضها إلى الغلاف الجوي في طريق عودتها إلى مدار آيو. أظهر القمر الصناعي شاندرا أن هذا النهج خاطئ. لا يمكن لهذه الأيونات أن تصل إلى خطوط العرض العالية حيث يتم ملاحظة معظم الأشعة السينية. نظرا للمسافات الكبيرة، حوالي 30 نصف قطر كوكب المشتري، لا يوجد ما يكفي من الأيونات النشطة التي يمكن أن تتوافق مع الملاحظات التي تم فيها تمييز انبعاث الأشعة السينية.

أحد الاحتمالات التي تم طرحها لحل المشكلة هو أن الأيونات الثقيلة المنبعثة من الشمس نتيجة للرياح الشمسية محاصرة في المناطق الخارجية للمجال المغناطيسي لكوكب المشتري ويتم تسارعها وتوجيهها نحو القطب المغناطيسي للكوكب. في هذا الوقت يتحركون ذهابًا وإيابًا داخل المجال المغناطيسي نفسه من قطب إلى قطب. يمكن للحركة المتأرجحة أن تفسر انبعاث الأشعة السينية (38).

26. بريت آر آر - "الطقس العاصف: العواصف العاتية في كوكب المشتري مثل تلك الموجودة على الأرض" 9.2.2000
http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter-weather-000209.html
27. تيندال ر. - "بيانات غاليليو تظهر أن برق المشتري مرتبط بمناطق الضغط المنخفض" 13.10.1998/XNUMX/XNUMX
http://www.caltech.edu/~media/Press_Releases/PR11933.html
28. PIA10096: البرق القطبي على كوكب المشتري
http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA10096
29. بريت آر آر - "بقعة مظلمة غامضة بالقرب من قطب المشتري" 13.3.2002/XNUMX/XNUMX
http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter-spots-020313.html
30. "شحذ كوكب المشتري" 2.10.2008/XNUMX/XNUMX
http://www.spaceflightnow.com/news/n0810/02jupiter
31. "الرياح القريبة من حدود منطقة حزام المشتري" 3.3.1997/XNUMX/XNUMX
http://galileo.ivv.nasa.gov/callisto/030397.html
32. "فوضى الرياح المنظمة على كوكب المشتري" 10.11.2005/XNUMX/XNUMX
http://www.spacedaily.com/news/jupiter-clouds-05d.html
33. سيف أ. "ديناميكيات الغلاف الجوي لكوكب المشتري" Nature المجلد. 403 10.2.2000 ص. 603-605
34. "صور ناسا تظهر العواصف القطبية المستمرة للجوفيان" 16.7.2001
http://dailynews.yahoo.com/h/nm/20010716/sc/Space_Jupiter_dc_3.html
35. "كشف سر نفاثات المشتري" 25.1.2008
http://www.spacedaily.com/reports/The_Mystery_Of_Jupiter_Jets_ Uncovered_999.html
36. الجسور أ. "عواصف المشتري تتصادم وتندمج" 24.10.2000/XNUMX/XNUMX
http://www.space.com/scienceastronomy/jupiter-spots-001024.html
37. PIA01651: ديناميكيات بعد الاندماجات التاريخية للعواصف على كوكب المشتري "
http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA01651
38. "النقاط الساخنة في كوكب المشتري تثير المتاعب للنظرية" 28.2.2002/XNUMX/XNUMX
http://www.spaceflightnow.com/news/no202/28hotspot