Fizyka układów planetarnych II. Uran i Neptun. Wykład 1

Transkrypt

1 Fizyka układów planetarnych II Uran i Neptun Wykład 1

2 Uran Neptun Ziemia półoś wielka 19,2 j.a. 30,1 j.a. 1,0 j.a. okres orbitalny 84,0 lata 164,8 roku 1 rok mimośród 0,046 0,011 0,017 inklinacja 0,77 1,8 nachylenie osi rotacji 97,77 28,32 23,44 okres rotacji (doba gwiazdowa) 17 h 14 min 24 s 15 h 57 min 59 s 23 h 56 min 04 s promień równikowy (1 bar) biegunowy masa km (4 R Z ) km (3,93 R Z ) 86, kg (14,5 M Z ) km (3,88 R Z ) km (3,83 R Z ) 102, kg (17,15 M Z ) 6378 km 6357 km kg (1,0 M Z ) śr. gęstość 1,27 g cm - 3 1,64 g cm - 3 5,5 g cm - 3 przysp. grawit. (na równiku) 8,87 m s ,2 m s - 2 9,8 m s - 2 albedo 0,51 0,41 0,367 Źródło: NASA Temp. efektywna 59,1 K 59,3 254,3 K I/(MR 2 ) 0,225 0,26 0,3308

3 Uran odkryty 13 III 1781 William Herschel Neptun jasność obserwowana 5,5 mag 7,8 mag średnica tarczy 3,3 4,1 2,2 2,4 23 IX 1846 Johann GoYried Galle (John C. Adams i Urbain Leverrier) Sir William Herschel Johann Gottfried Galle

4 Nietypowe nachylenie osi rotacji Urana Przyczyna pozostaje niewyjaśniona. Najprawdopodobniej jest to rezultat zderzenia z dużym planetozymalem w czasie tworzenia się Układu Słonecznego. XI 1997 Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010 przez 21 lat jeden z biegunów jest permanentnie oświetlony, gdy drugi doświadcza nocy polarnej. Po połowie okresu obiegu bieguny zamieniają się rolami. cykle normalnych dni i nocy występują w okolicach przesileń Źródło: HST

5 Atmosfery planet Za niebieskawy kolor odpowiedzialny jest metan, który jest 4 razy bardziej obfity niż w przypadku Jowisza czy Saturna. Metan rozprasza światło niebieskie, a absorbuje czerwone. H 2 83% He 15% CH 4 (metan) 2% śladowe H 2 S, HD, C 2 H 6 (etan), C 2 H 2 (acetylen) H 2 84% He 14% CH 4 (metan) 2% śladowe CO, HCN (cyjanowodór), C 2 H 6 (etan), C 2 H 2 (acetylen) Długość fali Źródło: Planetary Sciences, de Pater & Lissauer (2010)

6 Profile prędkości wiatru URAN nowe obserwacje z końca 2003: nawet 220 m/s NEPTUN silniejsze wiatry napędzane ciepłem z wnętrza największa obserwowana rozpiętość prędkości Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010

7 Uran w podczerwieni Widoczne stają się pasy i obszary wzmożonej aktywności Źródło: Madison Space Science Center obrazy uzyskane teleskopem Keck II w 2004 r., widocznych 31 chmur obszarów silnych ruchów konwekcyjnych na półkuli wychodzącej z polarnej nocy niektóre struktury ewoluują w ciągu kilkudziesięciu dni, inne obserwowane są przez lata chmury te składają się z kryształków metanu wynoszonego z głębszych warstw atmosfery czerwony kolor pierścieni to artefakt procesu obróbki obrazu Uran jako jedyny gazowy olbrzym nie ma znaczącej nadwyżki emisji termicznej (emituje prawie tyle, co pochłonie ze Słońca), co może tłumaczyć małą dynamikę zjawisk atmosferycznych (zamiast konwekcji transport przez znacznie wolniejszą dyfuzję)

8 Chmury kryształków metanu na Neptunie Szacowana wysokość jest rzędu km powyżej głównej pokrywy chmur Źródło: NASA Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010

9 Wielka Ciemna Plama na Neptunie Gigantyczny antycyklon na półkuli południowej, 15 x 7 tys km; była mniej stabilna (zmienia rozmiary i położenie względem równika) niż plama na Jowiszu, zanikła w 1994 r. Źródło: NASA

10 Nastaje lato na półkuli południowej Neptuna Źródło: HST

11 Budowa wewnętrzna Podobne modele struktury wewnętrznej dla obu planet, które muszą składać się ze skał i wody w 80 90% OBSERWOWANA GÓRNA CZĘŚĆ ATMOSFERY ATMOSFERA wodór, hel, metan; 7500 km grubości PŁASZCZ lody: wodny, amoniaku i metanu; temp K JĄDRO krzemiany, Mg, Fe/Ni; promień ok km Źródło: LPI

12 Budowa wewnętrzna Źródło: Planetary Sciences, de Pater & Lissauer (2010) płaszcz to prawdopodobnie gorący lód o cechach cieczy rozważane modele różnią się w szczegółach

13 Pole magnetyczne środek rozkładu pola przesunięty względem środka planety o 0,3 promienia Urana 50 razy silniejsze niż ziemskie środek rozkładu pola przesunięty względem środka planety o 0,55 promienia Neptuna 25 razy silniejsze niż ziemskie generowane w cienkiej warstwie górnej części płaszcza

14 Fizyka układów planetarnych II 1. Uran i Neptun Pole magnetyczne Znaczne nachylenie względem osi rotacji powoduje, że magnetosfery obu planet zachowują się w sposób nieobserwowany dla innych planet. Magnetosfera Urana dokonuje precesji. Magnetosfera Neptuna raz zorientowana jest jak np. dla Ziemi, pół okresu obrotu planety później jeden z biegunów jest skierowany w kierunku do Słońca. W następstwie tego spodziewać się można niezwykle skomplikowanego zachowania plazmy. Źródło: Planetary Sciences, de Pater & Lissauer (2010)

15 Pierścienie Urana 9 odkrytych w 1977 r., 2 przez Voyagera 2 w 1986r, dwa zewnętrzne w 2003 przez HST cechują się ostro zaznaczonymi brzegami, są wąskie (<10 km), choć ε zmienia szerokość od 20 do 100 km i jest eliptyczny Źródło: HST Źródło: NASA Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010

16 Pierścienie Urana Dwa pasterskie księżyce wokół pierścienia ε, Kordelia i Ofelia. Rozmiary ich nie przekraczają 40 km. Drobinki po zewnętrznej stronie pozostają w rezonansie 13:14 z Ofelią, co ujmuje im momentu pędu Drobinki po wewnętrznej stronie pozostają w rezonansie 24:25 z Kordelią, co zwiększa ich moment pędu w rezultacie pierścień cechuje się ostro zarysowanymi granicami Źródło: NASA

17 Pierścienie Urana Zewnętrzny pierścień µ stowarzyszony jest z księżycem Mab Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010

18 Księżyce Urana Do wizyty Voyagera 2 znanych było ich 5, wszystkie poza pierścieniami. Niskie albedo wskazuje na znaczną zawartość węgla. Średnia gęstość świadczy, że są mieszaniną lodu wodnego i krzemianów. Płaszczyzny orbitalne położone są w płaszczyźnie równika. Obiegają planetę w kierunku zgodnym z jej rotacją. Miranda Ariel Umbriel Tytania Oberon Źródło: NASA okres orb. [d] 1,41 2,52 4,14 8,7 13,5 mimośród 0,001 0,001 0,004 0,001 0,001 średnica [km] gęstość [g/cm 3 ] 1,20 1,67 1,40 1,72 1,63

19 Księżyce Urana Voyager 2 odkrył 11 księżyców wewnątrz orbity Mirandy o rozmiarach od 20 do 160 km. Kolejnych 11 o rozmiarach od 10 do 150 km odkryto teleskopami naziemnymi w latach W większości znajdują się poza orbitą Oberona, mają silnie nachylone płaszczyzny orbitalne, ich orbity wyróżniają się znacznym mimośrodem. orbita Oberona Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010

20 Księżyce Neptuna Przed wizytą Voyagera 2 znano tylko 2 Trytona (2710 km) i Nereidę (340 km). Voyager odkrył 6 ( km) w 1989 r., wśród nich Proteusza (420 km) największego satelitę o nieregularnym kształcie. Kolejnych 6 (20-60 km) zostało odkrytych z Ziemi w latach powierzchnię pokrywa zestalony azot, A = 0,72 gęstość ok. 2 g/cm 3, P = 5,9 d, spada na planetę lekko różowawe depozyty na południu zawierają metan, który wskutek procesów fotochemicznych przekształcił się w proste związki organiczne ciemne plamy to prawdopodobnie ślady gejzerów, zielonawy pas na równiku to względnie świeży szron azotowy nieliczne kratery po stronie w kierunku ruchu orbitalnego pory roku trwają 41 lat położenie punktu podsłonecznego zmienia się w sposób skomplikowany, co jest następstwem dynamiki orbitalnej planety i księżyca różnice nasłonecznienia mają jednak niewielki wpływ na powierzchnię księżyca posiada cienką atmosferę azotową z niewielką ilością metanu, ciśnienie 16x10-16 bar Źródło: NASA

21 Księżyce Neptuna Przed wizytą Voyagera 2 znano tylko 2 Trytona (2710 km) i Nereidę (340 km). Voyager odkrył 6 ( km) w 1989 r., wśród nich Proteusza (420 km) największego satelitę o nieregularnym kształcie. Kolejnych 6 (20-60 km) zostało odkrytych z Ziemi w latach kanciasta bryła o rozmiarach km i okresie orbitalnym 1,12 d

22 Księżyce Neptuna Przed wizytą Voyagera 2 znano tylko 2 Trytona (2710 km) i Nereidę (340 km). Voyager odkrył 6 ( km) w 1989 r., wśród nich Proteusza (420 km) największego satelitę o nieregularnym kształcie. Kolejnych 6 (20-60 km) zostało odkrytych z Ziemi w latach Neso obiega planetę w ciągu rekordowo długiego czasu 25,6 lat orbity księżyców zewnętrznych są silnie eliptyczne i znacznie nachylone do płaszczyzny równikowej planety układ w długich skalach czasowych jest dość chaotyczny niewykluczone jest np. zderzenie się Nereidy i Halimedy w skali porównywalnej do wieku Układu Słonecznego Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010

23 Pierścienie Neptuna Źródło: NASA

24 Pierścienie Neptuna jedyny rezonans to pierścień Adamsa i Galatea (42:43) Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010