عواصف استمرت 100 عام تتحدى فهمنا لعمالقة الغاز

خلال مهمة الانقلاب الشمسي التي استمرت سبع سنوات ، شاهدت كاسيني عاصفة ضخمة تندلع وتحيط بزحل. يعتقد العلماء أن مثل هذه العواصف مرتبطة جزئيًا بالتأثيرات الموسمية لأشعة الشمس على الغلاف الجوي لكوكب زحل. حقوق الصورة: NASA / JPL-Caltech / معهد علوم الفضاء

تترك العواصف الضخمة علامات على جو زحل لعدة قرون.

اكتشف الباحثون عواصف عملاقة طويلة الأمد زحل، مشابه ل كوكب المشتريبقعة حمراء كبيرة ، من خلال دراسة الانبعاثات الراديوية واضطرابات غاز الأمونيا. يكشف البحث عن اختلافات كبيرة في الغلاف الجوي بين عمالقة الغاز ويتحدى الفهم الحالي للعواصف العملاقة ، ويقدم رؤى جديدة قد تؤثر على الدراسات المستقبلية على الكواكب الخارجية.

البقعة الحمراء العظيمة والاكتشافات الجديدة على زحل

أكبر عاصفة في النظام الشمسي ، إعصار مضاد يبلغ عرضه 10000 ميل يُعرف باسم البقعة الحمراء العظيمة ، قد زخرف سطح كوكب المشتري لمئات السنين.

كشفت دراسة جديدة أن زحل ، على الرغم من كونه أكثر تواضعًا في المظهر مقارنة بمظهر كوكب المشتري الملون ، إلا أنه يمتلك أيضًا عواصف عملاقة طويلة الأمد. هذه العواصف لها تأثيرات عميقة في الغلاف الجوي استمرت لقرون.

منهجية الدراسة

أجرى البحث علماء الفلك من جامعة كاليفورنيا، بيركليوجامعة ميشيغان آن أربور. قاموا بفحص الانبعاثات الراديوية من الكوكب ، والتي تنشأ من تحت السطح ، واكتشفوا اضطرابات طويلة الأمد في توزيع غاز الأمونيا.

نُشرت الدراسة في 11 أغسطس في المجلة تقدم العلم.

تم التقاط صورة راديو زحل باستخدام VLA في مايو 2015 ، مع انبعاثات راديو أكثر إشراقًا من زحل وحلقاته مطروحة لتعزيز التباين في الانبعاثات الراديوية الخافتة بين النطاقات العرضية المختلفة في الغلاف الجوي. نظرًا لأن الأمونيا تحجب موجات الراديو ، فإن السمات الساطعة تشير إلى المناطق التي يتم فيها استنفاد الأمونيا ويمكن أن يرى VLA أعمق في الغلاف الجوي. النطاق الساطع الواسع عند خطوط العرض الشمالية هو أعقاب عاصفة عام 2010 على زحل ، والتي على ما يبدو استنفدت غاز الأمونيا أسفل سحابة الأمونيا الجليدية ، وهو ما نراه بالعين المجردة. الائتمان: آر جيه سولت وإي دي باتر

طبيعة العواصف الضخمة

تحدث العواصف العملاقة كل 20 إلى 30 عامًا تقريبًا على زحل وتشبه الأعاصير على الأرض ، على الرغم من أنها أكبر بكثير. ولكن على عكس أعاصير الأرض ، لا أحد يعرف سبب حدوث العواصف الضخمة في الغلاف الجوي لكوكب زحل ، والذي يتكون أساسًا من الهيدروجين والهيليوم مع آثار الميثان والماء والأمونيا.

قال المؤلف الرئيسي تشنغ لي ، وهو زميل سابق في جامعة كاليفورنيا في 51 Peg b: “إن فهم آليات أكبر العواصف في النظام الشمسي يضع نظرية الأعاصير في سياق كوني أوسع ، مما يتحدى معرفتنا الحالية ويدفع حدود علم الأرصاد الجوية الأرضية”. بيركلي ، وهو الآن أستاذ مساعد في جامعة ميشيغان.

الاستكشاف والأدوات

Imke de Pater ، أستاذ فخري في جامعة كاليفورنيا في بيركلي لعلم الفلك وعلوم الأرض والكواكب ، كان يدرس عمالقة الغاز لأكثر من أربعة عقود لفهم تكوينهم بشكل أفضل وما يجعلهم فريدًا ، مستخدمًا مصفوفة Karl G. Jansky الكبيرة جدًا في نيو مكسيكو لسبر انبعاثات الراديو من أعماق الكوكب.

في المجال البصري ، يبدو أن الغلاف الجوي النطاقات لزحل يتحول بسلاسة من لون إلى لون. ولكن بالنظر هنا في ضوء الراديو – تتراكب بيانات VLA على صورة كاسيني لزحل – فإن الطبيعة المميزة للنطاقات واضحة. استخدم العلماء بيانات VLA لفهم الأمونيا بشكل أفضل في الغلاف الجوي لعملاق الغاز وتعلموا أن العواصف العملاقة تنقل الأمونيا من الغلاف الجوي العلوي إلى الغلاف الجوي السفلي. الائتمان: S. Dagnello (NRAO / AUI / NSF) ، I. de Pater et al (UC Berkeley)

“في الأطوال الموجية الراديوية ، نتحرى تحت طبقات السحب المرئية على الكواكب العملاقة. نظرًا لأن التفاعلات والديناميكيات الكيميائية ستغير تكوين الغلاف الجوي للكوكب ، فإن الملاحظات تحت طبقات السحب هذه مطلوبة لتقييد تكوين الغلاف الجوي الحقيقي للكوكب ، وهي معلمة رئيسية لنماذج تكوين الكوكب “. “تساعد عمليات الرصد الراديوي في توصيف العمليات الديناميكية والفيزيائية والكيميائية بما في ذلك النقل الحراري وتشكيل السحب والحمل الحراري في الغلاف الجوي للكواكب العملاقة على المستويين العالمي والمحلي.”

نتائج مفاجئة

كما ورد في الدراسة الجديدة ، وجد كريس مويكل ، طالب الدراسات العليا في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، دي باتر ، شيئًا مثيرًا للدهشة في انبعاثات الراديو من الكوكب: حالات شاذة في تركيز غاز الأمونيا في الغلاف الجوي ، والتي ربطوها بالأحداث السابقة للعواصف الضخمة في نصف الكرة الشمالي للكوكب.

التأثير على تركيز الأمونيا والاختلافات الجوية

وفقًا للفريق ، يكون تركيز الأمونيا أقل عند الارتفاعات الوسطى ، أسفل الطبقة السحابية العلوية من الأمونيا والجليد ، لكنه أصبح مخصبًا على ارتفاعات منخفضة ، أعمق من 100 إلى 200 كيلومتر في الغلاف الجوي. يعتقدون أن الأمونيا يتم نقلها من الغلاف الجوي العلوي إلى الغلاف الجوي السفلي عبر عمليات الترسيب وإعادة التبخير. علاوة على ذلك ، يمكن أن يستمر هذا التأثير لمئات السنين.

مقارنة زحل والمشتري

كشفت الدراسة كذلك أنه على الرغم من أن كلا من كوكب زحل والمشتري مصنوعان من غاز الهيدروجين ، إلا أن هذين العملاقين الغازيين مختلفان بشكل ملحوظ. في حين أن كوكب المشتري لديه شذوذ في طبقة التروبوسفير ، فقد تم ربطه بمناطقه (العصابات البيضاء) والأحزمة (العصابات الداكنة) وليست ناجمة عن العواصف كما هو الحال في زحل. يتحدى الاختلاف الكبير بين عمالقة الغاز المتجاورين الفهم الحالي لتشكيل العواصف العملاقة على عمالقة الغاز والكواكب الأخرى. قد يؤثر أيضًا على كيفية العثور على هذه العواصف وفحصها على الكواكب الخارجية في المستقبل.

المرجع: “التأثير العميق طويل الأمد لعواصف زحل العملاقة” بقلم تشنغ لي ، وإيمكي دي باتر ، وكريس مويكل ، وآر جيه سولت ، وبريان بتلر ، وديفيد دي بور وزيمينج زانج ، 11 أغسطس 2023 ، تقدم العلم.
DOI: 10.1126 / sciadv.adg9419

المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي (NRAO) هو مرفق تابع لمؤسسة العلوم الوطنية ، ويتم تشغيله بموجب اتفاقية تعاونية من قبل Associated Universities Inc.