Gdy Voyager 2 dotarł do Neptuna w 1989 roku, zaledwie 12 lat po rozpoczęciu swojej historycznej podróży przez Układ Słoneczny odkrył sześć nowych księżyców, wykonał pierwsze zdjęcia pierścieni planety i odnotował szczególnie gwałtowną burzę.

burza była czymś w rodzaju niespodzianki. Na półkuli południowej wiał wirujący, przeciwny do ruchu wskazówek zegara wiatr dochodzący do 1500 mil na godzinę (2414 km / h) – najsilniejszy, jaki kiedykolwiek zarejestrowano. Astronomowie nazwali ją Wielką Ciemną Plamą i chociaż minęła, zanim Teleskop Kosmiczny Hubble’a spojrzał na planetę pięć lat później, chcieli dowiedzieć się, dlaczego wiatry są tak ekstremalne.

Powiązane: Narodziny Burzy „Wielkiej Ciemnej Plamy” na Neptunie widziana po raz pierwszy (zdjęcie)

Byli również zdumieni innym problemem: Voyager 2 ujawnił, że Neptun jest cieplejszy niż Uran, mimo że znajduje się dalej od Słońca. Fizyk Brian Cox opisał w swoim dokumencie BBC The Planets: „Źródło tego dodatkowego ciepła pozostaje tajemnicą”. Ale czy to oznacza, że mamy w rękach podwójną łamigłówkę i czy jedna tajemnica może pomóc w jakiś sposób wyjaśnić drugą?

Zanim zaczniemy rozwiązywać te dwa problemy, musimy najpierw przyjrzeć się co właściwie oznacza „cieplejszy”. Ponieważ Neptun jest gazowym olbrzymem, nie możemy przetestować globalnej średniej temperatury na poziomie gruntu w sposób, w jaki moglibyśmy to zrobić na stałej powierzchni Ziemi. Zamiast tego, ponieważ jądro Neptuna jest prawdopodobnie małe, pomiary temperatury należy wykonywać na wysokości . Problem w tym, który z nich?

Problem z temperaturą

„Możemy mierzyć temperatury tylko w najbardziej zewnętrznych warstwach” – powiedział e-mailem Michael Wong, planetolog z University of California w Berkeley. Robiąc to, okazuje się, że Neptun w rzeczywistości nie jest gorętszy od Urana w rzeczywistości – mają zasadniczo tę samą temperaturę. Ale ponieważ Neptun otrzymuje mniej światła słonecznego, ponieważ znajduje się dalej od Słońca, nie powinno to mieć miejsca.

To podobieństwo temperatury sugeruje, że Neptun jest cieplejszy pod względem ilości emitowanego ciepła w porównaniu do ilości ciepła, które pochłania od słońca. Pomiary „Voyagera” pokazują, że Neptun emituje ponad dwa razy więcej ciepła niż pochłania ze słońca, podczas gdy Uran nie ”- powiedział Anthony Del Genio z NASA Goddard Institute for Space Studies (GISS). I tutaj sprawy stają się dość intrygujące.

To dlatego, że Neptun nie jest w tym przypadku niczym niezwykłym. „Jowisz i Saturn również emitują prawie dwa razy więcej ciepła niż pochłaniają, ale Uran tego nie robi” – powiedział Del Genio. „Uran to dziwak”.

Powiązane: Tajemniczy blask rozgrzewa pierścienie Urana

„Progresja temperatury w miarę oddalania się od Słońca pokazuje, że Jowisz jest najcieplejszym z gazowych olbrzymów, a następnie Saturn, potem Neptun. Uran jest tym, który jest nie na miejscu ”- powiedział Del Genio. „Jednak ten niezwykły wynik wiąże się z faktem, że Uran nie ma znaczącego wewnętrznego źródła ciepła”. Neptun znajduje sposób, aby ogrzać się do poziomu Urana, podczas gdy ten ostatni nie jest w stanie wytworzyć dodatkowego ciepła poza tym, które jest pozyskiwane ze słońca.

Ale czym jest wewnętrzne źródło ciepła? Mówiąc najprościej, jest to ciepło pozostałe po narodzinach Układu Słonecznego, kiedy powstały te planety. Ciepło kurczy się z prymitywnej mgławicy słonecznej – efekt znany jako skurcz Kelvina-Helmholtza.

„Dodatkowe źródło ciepła na Neptunie jest w dużej mierze spowodowane kurczeniem się grawitacji” – powiedział Joshua Tollefson, również z Uniwersytetu Kalifornii w Berkeley. „Gdy planeta powoli kurczy się grawitacyjnie, materia opadająca do wewnątrz zmienia swoją energię potencjalną w energię cieplną, która jest następnie uwalniana w górę z planety.”

Jednak nie ma wyraźnego powodu, dla którego Uran nie ma zbyt wiele wewnętrznego źródła ciepła – lub w ogóle. „Coś musiało zahamować ten proces na Uranie – być może z powodu kolizji w jej wczesnej historii, która przewróciła planetę na bok” – powiedział Tollefson. „Powstaje pytanie, dlaczego Neptun ma wewnętrzne źródło ciepła, a Uran nie?”

Zamarznięte planety, które uwielbiają bekać

Istnieje możliwość, że ciepło nie jest uwalniane z wnętrza w stałym tempie tempo, ale zamiast tego pojawia się w postaci „beknięć”. „Być może widzimy Urana w spokojnym okresie, podczas gdy Neptun beknął niedawno” – powiedział Tollefson. „Beknięcia są konwekcyjne, co może mieć miejsce w oddzielnych odcinkach oddzielonych długimi okresami czasu, ale możemy nie wiedzieć, czy to działa w ten sposób na pewno, chyba że zobaczymy któryś z tych epizodów konwekcyjnych. ”

Może to być również kwestia tego, że Uran jest starcem, a Neptun młodszym szczeniakiem. „To, ile ciepła wypromieniowuje planeta, zależy głównie od jej wieku oraz tego, jak szybko lub wolno uwalnia to ciepło” – powiedziała Amy Simon, starszy naukowiec z NASA w Planetary Atmosphere Research w NASA Goddard Space Flight Center. być zimniejszym. Szybkość ich uwalniania zależy od struktury i składu wnętrza, warstw chmur, konwekcji itd., A to może być dość skomplikowane. ”

Powiązane: Wewnątrz Gazowego Giganta Neptuna

giganci gazowi mogą wystąpić znaczne ilości helu, zmieniając ilość uwalnianego ciepła. W przypadku Urana i Neptuna możliwe jest, że są w różnym wieku lub, co bardziej prawdopodobne, zdarzenie, które przewróciło Urana na bok, mogło pomieszać jego wewnętrzną strukturę i / lub szybciej uwolnić ciepło ”- powiedział Simon.

Więc co z tymi wiatrami? Są niezaprzeczalnie gwałtowne i może to mieć coś wspólnego z temperaturą.

„Spekulowaliśmy od dawna, że chłód Neptuna i Urana może doprowadzić do warunków prawie beztarciowych a więc pozwól na szybsze wiatry ”- powiedziała Heidi Hammel, astronom planetarny, który dogłębnie badał obie planety i który był częścią zespołu obrazującego Neptuna z Voyagera 2.

Oznacza to, że nie ma gór, wzgórza lub inne kształty w krajobrazie Neptuna spowalniające wiatry. Ale czy istnieje związek między burzami a wewnętrznym źródłem ciepła? „Prawdopodobnie”, powiedział Hammel, „ale istnieje również delikatna równowaga między wewnętrznym ciepłem a wpadającym światłem słonecznym”.

Trudno jest określić ilościowo te efekty ze względu na długie skale czasowe. „Jeden rok na Neptunie to 165 ziemskich lat, więc nie mieliśmy okazji badać planety za pomocą nowoczesnych narzędzi przez większą część jej cyklu sezonowego” – powiedział Hammel. „Potrzebujesz dużo cierpliwości – i zaufania przeszłym i przyszłym pokoleniom planetologów – aby badać atmosfery planet zewnętrznych.”

„Myślę, że teoria miała dotyczyć większej ilości energii słonecznej , im więcej energii wiatrowej, ale na Ziemi „od dawna wiedzieliśmy, że ilość energii odbieranej przez słońce i przekształcanej w energię kinetyczną w atmosferze – czyli wiatr – to niewielki ułamek” – powiedział Del Genio.

Ziemia jest bardzo nieefektywnym silnikiem cieplnym i nie daje wiele korzyści. Jednym z powodów jest to, że ma stałą powierzchnię, która rozprasza energię wiatru przez tarcie, podczas gdy giganty gazowe nie. , więc jest to jeden z powodów, dla których wszystkie olbrzymy mają znacznie silniejsze wiatry niż Ziemia.

Dlaczego wiatry Neptuna s o silny?

„Wiatry są prawdopodobnie generowane głębiej niż światło słoneczne, więc prawdopodobnie wytwarza je połączenie wewnętrznego ciepła i rotacji” – powiedział Simon, podnosząc kwestię, dlaczego wiatry Urana i Neptuna „nie” pasują, biorąc pod uwagę, że mają podobne wskaźniki rotacji. „Mówi nam, że między nimi jest coś innego: częściowo wewnętrzne ciepło lub coś innego” – powiedział Simon.

Uran „może wiać do 560 mil na godzinę, a Neptuna do 1500 mil na godzinę. „Oba są niezwykle szybkie i osiągają szczyt z prędkością większą niż Jowisz” – powiedział Tollefson. NASA twierdzi, że Wielka Czerwona Plama Jowisza może wiać z prędkością 384 mil na godzinę. Ale on również mówi, że samo ciepło wewnętrzne nie może wyjaśnić prędkości, biorąc pod uwagę, że Uran nie generuje dodatkowego ciepła.

Wewnętrzna struktura planet – ich masy, rozmiary jądra i profile gęstości radialnej – jest niezwykle ważna dla zrozumienia wiatry, jakie widzimy. Jak powstają wiatry i jak głęboko sięgają, to obecnie odpowiedzi na pytania dotyczące Jowisza i Saturna dzięki sondzie NASA Juno i Cassini. Wynika to z niezwykle dobrych danych grawitacyjnych, które uzyskali, co oznacza, że można wykonać dobre modele struktury wewnętrznej.

Powiązane: Wielka czerwona plama Jowisza: najsłynniejsza burza naszego Układu Słonecznego

Symulacje komputerowe sugerują, że wiatry lodowych olbrzymów są ograniczone do płytkich głębokości w górnych warstwach ich atmosfery. Może to sugerować, że szybkie wiatry, które widzimy na Uranie i Neptunie, są przynajmniej częściowo spowodowane utajone wydzielanie ciepła z kondensacji w przypadku materiałów takich jak woda.

Del Genio również kwestionuje dostępne dane.Wyjaśnia, że kiedy mierzymy wiatry na Neptunie, patrzymy na jedną określoną wysokość. „Wiatry na innych wysokościach mogą być wolniejsze lub szybsze” – powiedział Del Genio. „Nie wiemy, ponieważ nigdy nie wrzucaliśmy sond do atmosfer większości planet zewnętrznych”.

Neptun i Uran pokazują, że planety, które powstają w podobnych warunkach, mogą zapewnić dwie skrajności. Simon mówi pomaga nam to ograniczyć modele formowania się tych planet i daje wskazówki dotyczące ogólnej formacji Układu Słonecznego. „Powinny również pomóc nam lepiej zrozumieć głębszą cyrkulację, biorąc pod uwagę, że są tak daleko od słońca.”

„Dodaje to naszej wiedzy z zakresu fizyki i chemii atmosfer planetarnych i pomaga nam zrozumieć naszą własną Ziemię. trochę lepiej, ponieważ fizyka i chemia działają w ten sam sposób, czy to tutaj, na Ziemi, czy na odległym Neptunie ”- powiedział Hammel.