Има нещо странно във вътрешността на Нептун

Когато Вояджър 2 достигна до Нептун през 1989 г., само 12 години след като тръгна на историческото си пътуване през Слънчевата система, той откри шест нови луни, направи първите изображения на пръстените на планетата и отбеляза особено силна буря.

Бурята беше нещо изненадващо. В южното полукълбо имаше въртящ се вихър, обратен на часовниковата стрелка, със скорост до 2414 km / h – най-силният регистриран досега. Астрономите го нарекоха Голямото тъмно петно.

Когато космическият телескоп Хъбъл наблюдава планетата пет години по-късно, силата на вихъра вече е намаляла, но не и желанието на учените да научат защо ветровете са толкова екстремни.

Имаше и още нещо: Вояджър 2 разкри, че Нептун е по-топъл от Уран, въпреки че е по-далеч от слънцето. Както физикът Брайън Кокс обсъжда в документалния си филм за BBC, The Planets: „Източникът на тази допълнителна топлина остава загадка.“ Това означава ли, че имаме двоен пъзел и може ли една мистерия да помогне да бъде обяснена друга по някакъв начин?

Нека първо да стане ясно, какво всъщност се разбира под „по-топло“. Тъй като Нептун е газов гигант, не е възможно да се тества обща средна температура на нивото на повърхността, по начина, по който може да стане това на твърдата повърхност на Земята. Тъй като ядрото на Нептун вероятно е малко, измерванията на температурата трябва да се правят на определена височина. Въпросът обаче е: на каква?

„Можем да измерваме температурите само в най-външните слоеве“, казва Майкъл Вонг, планетарен учен от Калифорнийския университет в Бъркли. По този начин установяваме, че Нептун всъщност не е по-горещ от Уран в реално изражение – те по същество имат една и съща температура. Но тъй като Нептун получава по-малко слънчево осветление, тъй като е по-далеч от слънцето, това не е естествено и не трябва да е така.

Това сходство в температурите показва, че Нептун отделя повече топлина в сравнение с количеството топлина, което поглъща от слънцето.

„Измерванията на Вояджър показват, че Нептун излъчва два пъти повече топлина, отколкото поглъща от слънцето, докато Уран не“, казва Антъни Дел Генио от Института за космически изследвания на Годард от НАСА (GISS) пред All About Space. И тук нещата стават доста интригуващи.

Това е така, не защото Нептун е необичаен. „Юпитер и Сатурн също отделят почти два пъти повече топлина, отколкото поглъщат, но при Уран не е така“, казва Дел Генио. „Точно Уран е странният.“

„Прогресията на температурата, когато се отдалечавате от слънцето, показва, че Юпитер е най-топлият от газовите гиганти. Следващият е Сатурн, след това – Нептун. Уран е този, който е на мястото си“, казва Дел Генио. „И все пак този необичаен резултат е свързан с факта, че Уран няма значителен вътрешен източник на топлина.“ Нептун намира начин да се затопли до нивото на Уран, докато последният не е в състояние да генерира допълнителна топлина, различна от тази, събрана от слънцето.

Но какво е вътрешен източник на топлина? Най-просто казано, това е топлина, останала от раждането на Слънчевата система, когато тези планети са били формирани. Топлината се свива от примитивната слънчева мъглявина – ефект, известен като свиването на Келвин-Хелмхолц.

„Допълнителният източник на топлина върху Нептун [и Юпитер и Сатурн] до голяма степен се дължи на гравитационното свиване“, казва Джошуа Толефсон, също от Калифорнийския университет в Бъркли. „Тъй като планетата бавно гравитационно се свива, материалът, попадащ навътре, променя потенциалната си енергия в топлинна енергия, която след това се освобождава нагоре извън планетата.“

И все пак няма ясна причина, поради която Уран няма вътрешен източник на топлина. „Нещо трябва да е зашеметило този процес при Уран – може би поради сблъсък в ранната му история“, казва Толфсън. „Въпросът е, защо Нептун има вътрешен източник на топлина, а Уран не?“.

Има възможност топлината да не се освобождава от вътрешността с постоянна скорост, а вместо това да се появява на „избухвания“.

„Може би просто виждаме Уран в спокоен период, докато Нептун е „избухнал“ по-скоро“, казва Толефсон. „Избухванията са конвекция, която може да се случи в отделни епизоди, разделени от дълги времеви периоди, но може да не знаем дали тя работи по този начин със сигурност, освен ако не видим, че се извършва един от тези конвективни епизоди.“

Възможно е, също така, проблемът с Уран да е по- стар, а Нептун да е по-млад. „Колко топлина излъчва една планета, зависи най-вече от това колко е стара и колко бързо или бавно отделя тази топлина“, казва Ейми Саймън, старши учен от НАСА за изследвания на планетарната атмосфера в центъра за космически полети на NASA Goddard. „По-стара планета би била по-студена. Колко бързо се освобождава топлината зависи от вътрешната структура и състав, облачните слоеве, конвекцията и т.н. и това може да бъде доста сложно.“

„На газовите гиганти може да има значителни количества хелиев дъжд, променящ количеството отделена топлина. За Уран и Нептун е възможно те да са на различна възраст или по-вероятно събитието, което променя Уран, може да е свързано с вътрешната му структура и / или освобождаване на топлината по-бързо “, казва Саймън.

А тези ветрове? Те са безспорно ожесточени и това може да има нещо общо с температурата.

„Дълго спекулирахме, че студенината на Нептун и Уран може да доведе до условия при които почти няма триене и така да позволи по-бързи ветрове“, казва Хайди Хамел, планетарен астроном, който е изучавал и двете планети и който е бил част от екипа анализирал изображения от Нептун, дошли от Voyager 2.

Това означава, че в пейзажа на Нептун няма планини, хълмове или други форми, които забавят ветровете. Но има ли връзка между бурите и вътрешния източник на топлина? – „Вероятно да“- казва Хамел, – „но има и деликатен баланс между вътрешната топлина и идващата слънчева светлина“.

Трудно е да се определи количествено влиянието на тези ефекти поради дългите времеви диапазони.

„Една година на Нептун е 165 земни години, така че не сме имали шанс да изучаваме планетата със съвременни инструменти през голяма част от нейния сезонен цикъл“, казва Хамел. „Има нужда от много търпение – и доверие в минали и бъдещи поколения планетни учени – за да се изучи атмосферата на външните планети“.

„Предполагам, че теоретично е вярно, колкото по-голямо е количество слънчева енергия, толкова повече енергия от вятъра се получава, но на Земята отдавна знаем, че голямото количество енергия, получено от слънцето е превърната в кинетична енергия в атмосферата – това означава, че на вятъра се пада малка част ”, казва Дел Генио.

Земята е много неефективен топлинен двигател. Една от причините е, че тя има плътна повърхност, която разсейва вятърната енергия чрез триене, докато газовите гиганти нямат такава повърхност, така че това е една от причините всички планети-гиганти да имат много по-силни ветрове, отколкото Земята.

„Ветровете вероятно се генерират по-дълбоко, отколкото слънчевата светлина може да проникне, така че комбинация от вътрешна топлина и въртене вероятно произвежда вихрите“, казва Саймън, повдигайки въпроса защо ветровете на Уран и Нептун не съвпадат, при положение че двете планети имат сходни скорости на въртене. „Това ни казва, че между тях нещо е различно: дали вътрешната топлина или нещо друго“, казва Саймън.

Ветровете на Уран могат да духат със скорост до 900 км / ч, а на Нептун – 2400 км / ч. „И при двете планети ветровете са изключително бързи и имат скорост по-бърза от тази на ветровете на Юпитер“, казва Толефсон. Според измерванията на НАСА, Голямото червено петно на Юпитер може да има скорост от около 600 км. в час Но в същото време обяснява, че вътрешната топлина сама по себе си не може да обясни скоростите, като се има предвид, че Уран не генерира допълнителна топлина.

Вътрешната структура на планетите – техните маси, размери на сърцевината и профили на радиална плътност – са изключително важни за разбирането на ветровете. Как се образуват ветровете и колко дълбоко отиват са въпроси, на които в момента отговарят космическите кораби на на НАСА, Джуно и Касини, съответно за Юпитер и Сатурн. Двете сонди изпращат изключително добри гравитационни данни, което означава, че могат да се правят добри модели за вътрешната структура на планетите.

Компютърните симулации предполагат, че ветровете на ледените гиганти са ограничени до плитки дълбочини в горните слоеве на атмосферата им. Това може да подскаже, че бързите ветрове, които виждаме на Уран и Нептун, се дължат поне отчасти на латентното отделяне на топлина от конденз на материал, като вода.

Дел Генио обаче, поставя под въпрос наличните данни. Той обяснява, че когато измерваме ветровете на Нептун, гледаме на една конкретна надморска височина. „Ветровете на други височини могат да бъдат по-бавни или по-бързи“, казва Дел Генио. „Не знаем, защото никога не сме пускали сонди в атмосферата на повечето външни планети.“

Това, което показват Нептун и Уран е, че планетите, които се образуват в подобни условия, могат да осигурят две крайности. Саймън казва, че това помага да се ограничат моделите на формиране на тези планети и дават идеи за цялостното формиране на Слънчевата система.

„Те също така трябва да ни помогнат да разберем по-добре дълбоката циркулация, като се има предвид, че са толкова далеч от слънцето.“
„Това допълва познанията ни за физиката и химията в планетарните атмосфери и ни помага да разберем и Земята малко по-добре, тъй като физиката и химията действат по същия начин, независимо дали тук, на Земята или на далечен Нептун“, казва Хамел.