Wiatry na Neptunie i Uranie

Gazowe olbrzymy, Uran i Neptun, jako planety zewnętrzne otrzymują od Słońca znacznie mniej energii na jednostkę powierzchni niż Ziemia. Biorąc pod uwagę ich średnią odległość od Słońca, dla Urana czynnik ten wynosi około 0.0027 a dla Neptuna 0.001 energii docierającej do Ziemi.. Można by oczekiwać, że w związku z tym aktywność atmosferyczna obydwu planet będzie niewielka. Dlatego zaskoczeniem okazały się wyniki misji Voyager 2 z przelotu w pobliżu Neptuna w roku 1989. Okazało się, że w atmosferze Neptuna wystepują bogata aktywność atmosferyczna i bardzo silne strefowe wiatry, o prędkościach przekraczających 300 m/s, znacznie silniejsze niż na Ziemi. Nie wiadomo dokładnie, skąd bierze się energia je napędzająca – czy wystarcza do tego słabe grzanie słoneczne, a być może ma też swój udział energia wydostająca się z wnętrza planety na zewnątrz – w przypadku Neptuna jest ona 1.6 razy większa od energii dostarczanej przez Słońce.

Natomiast trzy lata wcześniejszy przelot w okolicach Urana zdawał się wskazywać na słabą aktywność atmosferyczną planety, zaobserwowano nieliczne obłoki, chociaż i tu wiatry związane z ich ruchem osiągały prędkości powyżej 200 m/s. Jednorazowy przelot Voyagera 2 z konieczności pozwalał na obserwacje jedynie krótkich fragmentów aktywności atmosferycznej, dopiero obserwacje z wykorzystaniem orbitalnego teleskopu Hubble'a (HST) pozwoliły na dokładniejszą ocenę globalnej aktywności atmosferycznej oraz wyznaczenie charakterystyk wiatrów strefowych dla obydwu planet. Okazały się one podobne, pomimo istotnych różnic w insolacji - równik Urana jest nachylony do orbity pod kątem 98° (ktoś powiedział, że “planeta toczy sie po orbicie jak beczka”), dla Neptuna ta wartość wynosi 28°. Wszystkie te obserwacje jak i stan wiedzy na temat atmosfer oraz budowy wewnętrznej obydwu planet nie dawały jednak odpowiedzi na bardzo podstawowe pytanie: jak głęboko w atmosferze mamy do czynienia z wiatrami strefowymi oraz jaki ewentualnie wpływ na ich dynamikę mają warunki panujące we wnętrzu planety, głęboko poniżej obszarów, które można zaobserwować z zewnątrz.

15 maja b.r. w Nature ukazała się praca izraelsko-amerykańskiego zespołu pod kierownictwem Yohaia Kaspi z Instytutu Weizmanna w Rehovot w Izraelu, w której autorzy twierdzą, że obserwowane z zewnątrz przejawy aktywności atmosferycznej Urana i Neptuna, a wiatry strefowe w szczególności, są zjawiskami dotyczącymi górnych warstw atmosfery – mają miejsce w warstwie o grubości około tysiąca kilometrów. We wspomnianej warstwie zawarte jest ok. 0.15% całkowitej masy Urana, dla Neptuna jest to około 0.2% całkowitej masy - odpowiada to ciśnieniu około 2000 barów u podstawy warstwy dla Urana i 4000 barów dla Neptuna. Wyznaczona odległość jest górną granicą - w rzeczywistości aktywna warstwa atmosfery może być jeszcze cieńsza. Do jej wyznaczenia użyte zostały pomiary pola grawitacyjnego obydwu planet zgromadzone w trakcie przelotów stacji Voyager 2.

Z grubsza można powiedzieć, że obserwowane odchylenia pola grawitacyjnego od symetrii sferycznej mogą być spowodowane spłaszczeniem wspomnianych planet związanym z ich rotacją, ale też i przemieszczaniem mas w ich gęstych i masywnych atmosferach. Dla interpretacji danych tego rodzaju potrzebna jest wiedza o budowie wewnętrznej planet jak i o strukturze wiatrów strefowych wynikających m.in. z praw hydrodynamiki rządzących wirującymi gazowymi olbrzymami. Autorzy posłużyli się szeregiem dostępnych obecnie modeli budowy wewnętrznej Urana i Neptuna – okazało się, że ostateczne rezultaty dotyczące grubości aktywnej części atmosfery są mało czułe na szczegóły modeli.

Oszacowania grubości aktywnej części atmosfery oparte są na danych pomiarów grawimetrycznych Voyagera 2, których dokładności nie można już zmienić. I pewnie nie prędko w okolice Urana czy Neptuna zawita kolejny próbnik wysłany z Ziemi. Lepiej jest z Saturnem i Jowiszem. Obecnie w układzie Saturna znajduje się sonda Cassini – zakończenie misji, które planuje się na rok 2017, ma być związane z wprowadzeniem sondy na niską orbitę polarną wokół Saturna tak, aby przeprowadzić pomiary grawimetryczne podobne do opisanych powyżej; ostatecznie Cassini zakończy swoją podróż w atmosferze Saturna. Natomiast do Jowisza zmierza wystrzelona w roku 2011 amerykańska sonda Juno, która z kolei ma być umieszczona na niskiej polarnej orbicie wokół planety, tak aby przeprowadzić bardzo dokładne pomiary jej pola grawitacyjnego – sonda dotrze w pobliże Jowisza w roku 2016.

Z konieczności w tak krótkiej notce trzeba ograniczyć się do bardzo powierzchownego opisu zagadnień związanych zarówno z subtelnymi pomiarami jak i ich interpretacją, nie wspominając np. o efektach związanych z istnieniem dynama i wytwarzanego przez nie pola magnetycznego planet, czy wzajemnej orientacji osi rotacji planet i osi dipola magnetycznego opisującego w pierwszym przybliżeniu ich pola magnetyczne. Można jednak chyba oczekiwać, że pod koniec obecnej dekady będziemy wiedzieć dużo więcej o dynamice gęstych i rozległych atmosfer planet olbrzymów.

Czytaj więcej: