Burze na Jowiszu są napędzane przez procesy podobne do tych na Ziemi

Nowe badania wskazują, że burze w regionach polarnych Jowisza są napędzane przez procesy znane fizykom badającym ziemskie oceany i atmosferę. Geofizyczne podobieństwa, na planetach oddalonych od siebie o 727 milionów kilometrów, mogą pomóc w lepszym zrozumieniu tych procesów na naszej planecie.

Burze na Jowiszu

.Naukowcy z University of California – San Diego, pod kierownictwem Lii Siegelman, po raz pierwszy zauważyli, że burze na gazowym olbrzymie są podobne do ziemskich w 2018 roku, kiedy uchwycili podobieństwa między obrazami ogromnych cyklonów na Jowiszu a turbulencjami oceanicznymi na naszej planecie. Fizycy postrzegają powietrze i wodę jako płyny, więc ich zdaniem zastosowanie fizyki oceanu do Jowisza nie jest nadużyciem, jak mogłoby się wydawać, Siegelman stwierdziła: „Jowisz jest w zasadzie oceanem gazu”.

Ta wstępna obserwacja doprowadziła naukowców do rozpoczęcia analizy zdjęcia w wysokiej rozdzielczości cyklonów Jowisza wykonanego w podczerwieni przez sondę kosmiczną NASA Juno. Badanie wykazało, że rodzaj konwekcji (proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w gazie, cieczy lub plazmie) podobny do tego obserwowanego na Ziemi pomaga w utrzymaniu burz na Jowiszu, które mogą mieć tysiące kilometrów szerokości i trwać latami.

Badanie koncentrowało się bezpośrednio na cyklonach Jowisza, ale nukowcy zauważyli również delikatne wąsy, znane badaczom jako filamenty, w przestrzeniach między gazowymi wirami. Włókna te miały również ziemskie odpowiedniki. Badacze wykorzystał szczegółowe zdjęcia Juno, aby odkryć, czy to podobieństwo do procesów oceanicznych i atmosferycznych naszej planety było prawdziwe.

Procesy podobne do ziemskich

.Badanie opublikowane Nature Physics, wykazało również dodatkowe podobieństwa między procesami napędzającymi cyklony na Jowiszu a tymi zachodzącymi na Ziemi. Naukowcy wskazują, że włókna między cyklonami gazowego olbrzyma działają w połączeniu z konwekcją, aby inicjować i podtrzymywać gigantyczne burze na planecie. W szczególności, jak podkreślają naukowcy, włókna Jowisza działają w sposób przypominający to, co oceanografowie i meteorolodzy nazywają frontami na Ziemi.

Jak tłumaczą badacze, fronty są często omawiane w prognozach pogody – na przykład zimne fronty lub fronty burzowe – ale odnoszą się zarówno do gazów, jak i cieczy. Front to granica między masami gazu lub cieczy o różnych gęstościach ze względu na różnice we właściwościach, takich jak temperatura. W oceanie mogą być one również spowodowane różnicami w zasoleniu, które wpływa na gęstość wody morskiej wraz z temperaturą. Kluczową cechą frontów jest to, że ich krawędzie czołowe charakteryzują się silnymi prędkościami pionowymi, które mogą tworzyć wiatry lub prądy.

Aby spróbować zrozumieć rolę włókien, które mogła wyraźnie zobaczyć między cyklonami na Jowiszu na zdjęciach Juno, naukowcy przyjrzeli się serii zdjęć w podczerwieni z Juno. Fotografie obejmowały północny region polarny gazowego olbrzyma i zostały wykonane w 30-sekundowych odstępach.

Zdjęcia zostały wykonane w podczerwieni, co pozwoliło badaczom obliczyć temperaturę – jasne obszary były cieplejsze, a ciemne chłodniejsze. Na Jowiszu cieplejsze części atmosfery odpowiadają cienkim chmurom, a chłodniejsze reprezentują grubą pokrywę chmur, blokującą więcej ciepła emanującego z przegrzanego jądra Jowisza. Następnie naukowcy prześledzili ruch chmur i włókien w 30-sekundowych odstępach między zdjęciami, aby obliczyć poziome prędkości wiatru.

Te dwie informacje pozwoliły badaczom na zastosowanie metod z nauk o oceanach i atmosferze ziemskiej na Jowiszu, umożliwiając im obliczenie pionowych prędkości wiatru, które odpowiadałyby temperaturom i poziomym prędkościom wiatru uzyskanym przez naukowców ze zdjęć. Gdy zespół obliczył pionowe prędkości wiatru, był w stanie zobaczyć, że włókna Jowisza rzeczywiście zachowywały się jak fronty na Ziemi.

Pionowe prędkości wiatru na krawędziach frontów na Jowiszu, zdaniem astronomów, oznaczały również, że fronty były zaangażowane w transport energii w postaci ciepła z gorącego wnętrza planety do jej górnej atmosfery – napędzając gigantyczne cyklony. Chociaż konwekcja jest głównym czynnikiem napędzającym, fronty odpowiadają za jedną czwartą całkowitej energii kinetycznej cyklonów na Jowiszu i czterdzieści procent pionowego transportu ciepła.

„Te cyklony na biegunach Jowisza utrzymują się od czasu ich pierwszej obserwacji w 2016 roku. Te włókna pomiędzy dużymi wirami są stosunkowo małe, ale stanowią ważny mechanizm podtrzymujący cyklony. To fascynujące, że fronty i konwekcja są obecne i mają wpływ na Ziemię i Jowisza – sugeruje to, że procesy te mogą również występować w innych turbulentnych ciałach płynnych we Wszechświecie” – tłumaczy Siegelman.

Z gwiazd powstaliśmy, w gwiazdy się obrócimy

.Członek Polskiego Towarzystwa Astronomicznego, Piotr KOŁACZEK-SZYMAŃSKI, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Pod koniec swojego życia gwiazda wykonuje gwałtowne oscylacje. W skali setek lub tysięcy lat doznaje gwałtownych rozprężeń, staje się wyraźnie większa i chłodniejsza, a następnie się kurczy. Jej powierzchniowe obszary są przyciągane zbyt słabo i „odlatują” od niej. Rozpad następuje warstwowo. Trwa to przez tysiące lat. Jedyne, co pozostaje, to jądro, biały karzeł złożony z węgla i tlenu, otoczony przez gaz, który powstaje w procesie odpadania warstw”.

„Mniejsze gwiazdy kończą swój żywot na etapie spalania węgla i tlenu. Gwiazdy masywniejsze są tak ciężkie, że w pozostających z nich białych karłach dochodzi do takiego wzrostu temperatury, że nawet tlen i węgiel spalają się i przechodzą w kolejne pierwiastki. Gwiazda staje się czerwonym nadolbrzymem. Na samym końcu tego procesu, bezpośrednio przed eksplozją supernowej, w jej jądrze pojawia się żelazo. Od tego momentu gwiazda nie może generować więcej energii. Po raz kolejny dochodzi do stanu krytycznego w jej życiu – zaczyna się rozpadać”.

„W pewnym momencie w jądrze robi się tak gęsto, że nawet elektrony pełzające wokół atomów żelaza nie mogą już dłużej tego robić. Zaczyna się proces neutronizacji materii. Elektrony wnikają w jądro atomów i zamieniają protony w neutrony. Żelazo zostaje zniszczone – powstaje gwiazda neutronowa”.

„Jądro gwiazdy neutronowej kurczy się i jednocześnie staje się sprężyste. Odbija się od zewnętrznej materii gwiazdy jak piłka. Powoduje to powstanie dużej fali uderzeniowej. Napór materii z zewnątrz jest tak duży, że powoduje zatrzymanie fali uderzeniowej w miejscu, w wyniku czego gwiazda zaczyna się niebywale rozgrzewać. Wskutek tego wybuchowego, deflagracyjnego spalania się powstaje duża część układu okresowego pierwiastków. Materia po śmierci gwiazdy, składająca się z pierwiastków ciężkich, może zasilić nowo powstające gwiazdy i planety”.

„Pierwiastki, z których się składamy, na przykład węgiel, azot i tlen, powstają dzięki śmierci mało masywnych gwiazd, jak nasze Słońce. W wyniku eksplozji supernowej powstaje tlen. Nasze ukochane złoto i srebro są efektem procesu jeszcze rzadszego – „zlania się” dwóch gwiazd neutronowych. Każdy atom węgla, tlenu i azotu w naszym ciele – kiedyś był obecny we wnętrzu gwiazdy. Bez nich nie moglibyśmy zaistnieć. Nasze życie powstało za sprawą gwiazd” – pisze Piotr KOŁACZEK-SZYMAŃSKI w tekście „Z gwiazd powstaliśmy, w gwiazdy się obrócimy„.

Oprac. EG