Jowisz i jego księżyce

Fizyka układów planetarnych Jowisz i jego księżyce Wykład 6

Jowisz Ziemia półoś wielka 5,2 j.a. 1,0 j.a. okres orbitalny 11,86 roku 1 rok mimośród 0,05 0,017 inklinacja (kąt nachylenia płaszczyzny orbity względem ekliptyki) 1,3 okres rotacji (doba gwiazdowa) 9 h 55 min 30 s 23 h 56 min 04 s promień równikowy (1 bar) biegunowy masa 71492 km (11,21 R Z ) 66854 km (10,52 R Z ) 1900 10 24 kg (318 M Z ) 6378 km 6357 km 6 10 24 kg (1,0 M Z ) śr. gęstość 1,3 g cm - 3 5,5 g cm - 3 przysp. grawit. (na równiku) 24,8 m s - 2 9,8 m s - 2 albedo 0,52 0,367 I/(MR 2 ) 0,254 0,3308

Budowa wewnętrzna lodowo-skaliste jądro wodór staje się ciekły powyżej ciśnienia 10 5 bar powyżej 10 6 bar (głębokość 15000 km, temperatura 6000 K) zaczyna zachowywać się jak ciekły metal (przewodzi prąd, nieprzezroczysty dla VIS). Jest to mieszanina protonów i elektronów warstwa ta ma grubość 50 tys. km, u jej podstawy ciśnienie sięga 40-70 MBar, a temperatura 22000 K jądro ma masę ok. 10 M Z, składa się z lodów (woda, metan, amoniak) i krzemianów. Może jest zestalone wskutek ogromnego ciśnienia planeta emituje 2 razy więcej energii niż dostaje od Słońca skutek powolnej kontrakcji. Ciepło transportowane jest poprzez konwekcję /SwRI

Budowa wewnętrzna Całkowita moc promieniowania planety L wynosi L = L v + L ir + L i, gdzie L v to odbite światło słoneczne (głównie zakres widzialny), L ir to światło słoneczne pochłonięte i ponownie wyemitowane przez planetę (głównie w podczerwieni), L i to emisja własna z akumulowanego ciepła (głównie podczerwień). Temperatura efektywna T e obliczana jest poprzez scałkowanie wyemitowanej energii w podczerwieni, czyli zależy od L ir i L i. Temperatura równowagowa T eq to temperatura, którą miałaby planeta w przypadku braku wewnętrznego źródła energii. Zatem na podstawie prawa Stefana-Boltzmanna L i = 4π R 2 σ T 4 4 ( e T eq ), gdzie R to promień planety. Tempo spadku średniej temperatury wewnątrz planety wynosi dt i dt = L i c V M, gdzie M to masa planety, c V to ciepło właściwe przy stałej objętości. Dla Jowisza L i jest zgodne z ilością zakumulowanego ciepła wynikającej z modelu procesu powstawania planety.

Budowa wewnętrzna Rozważmy prosty model budowy wewnętrznej planety składającej się jedynie z wodoru. Uproszczone równanie stanu, tj. relacja między ciśnieniem P i gęstością ρ, ma postać P = Kρ 1+1/n, gdzie K to stała politropowa, n to wykładnik politropy. Niech n = 1. Wówczas P = Kρ 2. Scałkowanie równania równowagi hydrostatycznej R P(r) = g(r')ρ(r')dr' lub dp r dr = g(r)ρ(r), gdzie g(r ) to przyspieszenie grawitacyjne w r, R to promień planety, daje przebieg zmian gęstości wewnątrz planety w postaci! sin( Cr) $ ρ = ρ c # &, gdzie C = 2πG " Cr % K, a ρ c to gęstość w centrum. Promień planety jest zdefiniowany w taki sposób, że ρ = 0, zatem sin(cr) = 0 CR = π R = π C. Otrzymujemy wartość R = 8 10 4 km (niezależną od masy!). Wartość ta jest niewiele większa od wartości rzeczywistej 7 10 4 km, co wskazuje wyraźnie, że Jowisz nie jest zbudowany wyłącznie z wodoru, choć nasze założenia są co do rzędu wielkości poprawne.

Budowa wewnętrzna Źródło: Marley & Fortney 2007 W bardziej realistycznych modelach bierze się pod uwagę multum efektów, m.in. bardziej skomplikowane równania stanu skład chemiczny rotacja pole magnetyczne kontrakcja i chłodzenie Występuje degeneracja rozwiązań.

Pole magnetyczne Źródło: SwRI w warstwie metalicznego wodoru działa dynamo magnetohydrodynamiczne źródło potężnego pola magnetycznego planety (magnetyczny moment dipolowy 19000 większy niż dla Ziemi) ogon magnetosfery ma 5 j.a. w kierunku dosłonecznym rozpościera się na 3 5 mln km oś dipola nachylona jest względem osi rotacji planety o 9,6 w odległości od 20 do 60 promieni planety naładowane cząstki tworzą torus prądu elektrycznego generującego dodatkowe pole magnetyczne widoczne jako zniekształcenie ( wyciągnięcie ) linii sił pola magnetycznego

Pole magnetyczne zorze widziane w ultrafiolecie wywoływane przez cząstki wiatru słonecznego oraz jony pochodzące z księżyców galileuszowych (głównie Io) Źródło: Lowell Observatory jony siarki i tlenu tworzą torus współrotujący z planetą (zaznaczono na czerwono) wskutek wzajemnego ruchu pojawia się napięcie rzędu 4 10 5 V i prąd 3 10 6 A płynący z Io do Jowisza (zaznaczony na zielono) podstawa znajduje się w jonosferze planety, 250 km powyżej warstwy chmur Źródło: HST

Struktura chmur układ pasów może się zmieniać w czasie (np. w latach 2010-11 zanikł południowy pas równikowy) powyżej 50 równoleżnika dominuje marmurkowy rozkład czerwono-brązowych chmur, często w postaci rotujących komórek prędkość wiatrów w strefie równikowej sięga 180 m/s

Struktura chmur układ pasów może się zmieniać w czasie (np. w latach 2010-11 zanikł południowy pas równikowy) powyżej 50 równoleżnika dominuje marmurkowy rozkład czerwono-brązowych chmur, często w postaci rotujących komórek prędkość wiatrów w strefie równikowej sięga 180 m/s Źródło: Vasada & Snowman 2005, Rep.Prog.Physics 68, 1935

Skład i budowa atmosfery Próbnik sondy Galileo zaobserwował strukturę nieco odstającą od przewidywań: chmury cieńsze, niejednorodne brak H 2 O Czym głębiej tym silniejsze wiatry! kryształki amoniaku kryształki wodorosiarczku amonu gazowe; wodór, hel, metan, amoniak, woda chmury lodu wodnego

Struktura chmur ciemne pasy i jasne strefy to efekt konwekcji w górnej części atmosfery pasy to obszary opadania chłodnej materii strefy to obszary cieplejszej materii wynoszonej przez konwekcję z wnętrza kolory są nadawane w zależności od warunków przez siarkę i fosforowodór

Struktura chmur Obszar między 10 a 50 N, mozaika obrazów wykonanych w podczerwieni jasnoniebieskie i białawe obszary to chmury wysokie czerwonawo-brązowe obszary to chmury nisko położone obszary purpurowo-fioletowe to prawdopodobnie zamglenia w górnej części atmosfery dwa wpływające na siebie owale mają średnicę ok. 3500 km widoczne także jaśniejsze i ciemniejsze plamy

Wielka Czerwona Plama Układ wysokiego ciśnienia (antycyklon), obserwowany od 1664 r. (Robert Hook) Obecnie 12 24 tys. km, 100 lat temu była 2 razy większa Położenie stabilne względem równika, dryf w długości zeograficznej Czerwonawy kolor (w VIS) pozostaje zagadką (fosfor i siarka?) Źródło: Caltech Mozaika obrazów wykonanych w podczerwieni wysokie i grube chmury są białe wysokie i cienkie chmury są różowe chmury niskie są niebieskie i brązowe Różnica w położeniu chmur sięga 30 km Cały obszar jest położony 8 km powyżej otoczenia Ciemny pierścień wokół plamy stanowi lokalną depresję

Wielka Czerwona Plama Źródło: HST

Łączenie się antycyklonów Źródło: HST Źródło: Youssef & Marcus 2003, Icarus 162, 74 jeden z antycyklonów obserwowany był od 90 lat proces łączenia się FA i BE trwał 3 tygodnie, powstały BA ma średnicę 12 tys. km mergingi prawdopodobnie doprowadziły do powstania Wielkiej Czerwonej Plamy

Mała Czerwona Plama Źródło: Univ. of Alaska Źródło: HST plama powstała w 2000 r. zmieniła kolor na czerwonawy 5 lat później w lipcu 2006 plama ta minęła wielką czerwoną plamę w bezpiecznej odległości

Wyładowania atmosferyczne 3-10 razy rzadsze lecz setki razy silniejsze niż na Ziemi

Pierścienie pierścienie ażurowe główny pierścień Źródło: Cornell Univ. własności optyczne wskazują, że składają się głównie z drobnego pyłu (kilka µm)

Io Europa Ganimedes Kallisto półoś wielka 421 800 km (6,1 R J ) 671 100 km (9,7 R J ) 1 070 400 km (15,5 R J ) 1 882 700 km (27,2 R J ) okres orbitalny 1,77 d 3,55 d 7,16 d 16,69 d mimośród 0,0041 0,0094 0,0011 0,0074 średnica 3640 km (1,05 D K ) 3120 km (0,90 D K ) 5260 km (1,51 D K ) 4820 km (1,39 D K ) masa 8,9 10 22 kg (1,21 M K ) 4,8 10 22 kg (0,65 M K ) 14,8 10 22 kg (2,0 M K ) 10,8 10 22 kg (1,5 M K ) śr. gęstość 3,5 g cm - 3 3,0 g cm - 3 1,9 g cm - 3 1,8 g cm - 3 albedo 0,63 0,67 0,43 0,22 I/(MR 2 ) 0,377 0,346 0,312 0,358

Budowa wewnętrzna Io: rozmiar jądra zależy od przyjętego w modelu składu chemicznego Europa, Kallisto: detekcja zaburzeń pola magnetycznego Jowisza wskazuje na podpowierzchniowy słony ocean Ganimedes: własne pole magnetyczne Kallisto: mieszanina skał i lodu wodnego Źródło: Planetary Sciences, Cambridge 2010

Io Pióropusze sięgają do 300 km ponad powierzchnię księżyca. Składają się głównie z SO 2. Siarka w zależności od temperatury przybiera kolor żółty, pomarańczowy, czerwony lub czarny. Np. czarne obszary są tworzone przez stopioną, a następnie zestaloną siarkę. Białawe obszary są tworzone przez szron lub śnieg SO 2. Praktycznie brak kraterów uderzeniowych młoda powierzchnia nieustannie odnawiana 1 cm grubości rocznie.

Io Obserwacje w podczerwieni dobitnie ujawniają gorące obszary skorupy bezpośrednio związane z największymi wulkanami (L-K Lei-Kung, L Loki, Pi Pillan, M Marduk, Pe Pele). Kolor niebieskawy to temperatura ok. 90 K ( 183 C), żółty powyżej 170 K ( 103 C). Małe obszary aktywności wulkanicznej (o rozmiarach poniżej zdolności rozdzielczej zdjęcia) przekraczają 1500 K (1227 C)

Io Zaobserwowano ok. 120 centrów aktywności wulkanicznej. Powyżej pojawienie się nowego wulkanu między 4 kwietnia a 19 września 1997. Pióropusz sięgał 120 km wysokości.

Io Obszar wypływu lawy o długości ok. 500 km i szerokości ok. 180 km. Ślady po wielu epizodach, najświeższy wypływ jest najciemniejszy, widocznych wiele źródeł w centrum i na północy.

Io Jak poprzednio, szersze pole wzbogacone o obraz w podczerwieni na 5 µm.

Io Wypływ lawy z kalder Łańcucha Tvashtar. Lewe zdjęcie wykonano 25 listopada 1999, fontanna lawy sięga 1,5 km, czarne obszary to świeże depozyty. Prawe zdjęcie z 22 lutego 2000, ślad po wcześniejszym wypływie przypomina L, żółto-pomarańczowy obszar to świeża, gorąca lawa, dwa jasne punkty znaczą koniec strumienia lawy.

Io Obszary górzyste (ok. 2% powierzchni) są świadectwem występowania ruchów pionowych fragmentów skorupy. Powyżej podłużne góry w pobliżu kaldery Hi iaka (ciemny obszar pośrodku). Wysokość płaskowyżu to ok. 3,5 km, maks. 11 km. Obie formacje do siebie pasują wskazując na ryft między nimi. Pochodzenie nie jest jasne: skutek naporu bąbli magmy efekt naprężeń powstałych w czasie tonięcia ciągle przyrastającej na grubość skorupy

Siły pływowe Rozważmy sferyczne ciało o promieniu R, położone w środku układu współrzędnych, które doświadcza oddziaływania grawitacyjnego od punktowej masy m położonej w r o, przy czym r 0 >> R. W dowolnym punkcie r zawierającym element masy ciała siła oddziaływania pływowego na jednostkę masy jest różnicą oddziaływania grawitacyjnego w r i w środku masy ciała F T ( r) = Gm r 0 r 3 ( r 0 r) + Gm r r. 3 0 0 Jeśli ograniczymy się do punktów leżących na linii łączącej środek rozważanego ciała i położenie m, to możemy pominąć notację wektorową F T ( x) = Gm ( x 0 x) + Gm 2 2 x 0 2x Gm x 0 3. Dla Io wielkość pływów od Jowisza, ale także innych księżyców wynosi 100 m. Źródło: Planetary Sciences, Cambridge 2010

Io Źródło:Lellouch et al. 2000 Źródło:Pater et al. 2002 Śladowa atmosfera składająca się z SO 2 i SO (efekt fotodysocjacji) oraz O, S, Na, K, Cl. Po lewej: emisja radiowa SO 2. Po prawej: emisja w bliskiej podczerwieni SO, model o wysokiej temperaturze najlepiej opisuje obserwacje, co świadczy o wulkanicznym pochodzeniu molekuły.

Europa

Europa Pęknięcia lodowe skorupy mają często charakter podwójnych grzbietów. Na zdjęciu powstała dolina na ok. 1,5 km szerokości. Grzbiety sięgają 300 m względem otoczenia. Jaśniejszy obszar to prawdopodobnie czysty lód wodny, ciemniejszy to lód domieszkowany krzemianami i solami. Pochodzenie nieznane zgniatanie skorupy lub pęknięcia i wypływ świeżego lodu Stosunkowo nowy krater uderzeniowy (26 km średnicy), biel wyrzuconego (na 1000 km) materiału sugeruję lód. Środkowa górka (niewidoczna na zdjęciu) ma 600 m wysokości

Europa Źródło: Pappalardo et al. 1998, Nature 391, 365 Struktury nazwane piegami (kopuły i depresje) wskazują na obszary silnej podpowierzchniowej konwekcji (diapiry) deformującej powierzchnię

Europa Struktura przypominająca pole zamarzniętych kier na oceanie. Widocznych także kilka kraterów uderzeniowych o średnicach ok 500 m. Tu grubość skorupy szacuje się na 4-6 km Mozaika zdjęć obszaru chaotycznego (300 525 km)

Europa ciepły lód słony ocean konwekcja lokalne roztopy skalny płaszcz Płaszcz i jądro rotują nieco wolniej niż skorupa, która dokonuje jednego dodatkowego obrotu raz na 50000 lat Źródło: Exploring the Solar System, Willey-Blackwell 2010

Ganimedes 1/3 powierzchni pokryta przez ciemne obszary gęsto pokryte kraterami Obszary jasne wydają się w wielu przypadkach młodsze Uskoki o wysokości do kilkuset metrów są związane z naprężeniami skorupy Aktywność tektoniczna skończyła się ok. 3,5 mld lat temu

Ganimedes Pole widzenia 664 518 km, struktura ciemnego obszaru to efekt wysycenia kraterami uderzeniowymi, jasne pasma są pochodzenia tektonicznego w połączeniu z lodowym wulkanizmem (lód zamiast lawy)

Ganimedes Struktura położona na skraju ciemnego obszaru, powstała wskutek ścinania, przesuwania i obracania się fragmentu skorupy - ruchów wymuszonych przez zachodzące w pobliżu procesy tektoniczne. Pole 63 120 km

Ganimedes Kratery łańcuchowe na granicy ciemnego i jasnego obszaru efekt spadku komety, która rozpadła się tuż przed zderzeniem. Pole 214 217 km

Kallisto Powierzchnia w nienaruszonej formie pierwotnej Nie wiadomo, czym jest ciemny materiał pokrywający glob Widoczna struktura uderzeniowa Valhalla jasny obszar o średnicy 600 km i koncentryczne pęknięcia do 1300 od centrum

Kallisto

Kallisto

Układ Jowisza Większość spośród 57 księżyców poza orbitą Kallisto skupia się w 5 grupach (1-2 duże obiekty do kilkudziesięciu km średnicy, reszta o rozmiarach 2 4 km) Ich łączna masa to 0,1% masy Europy Część obiega planetę w kierunku przeciwnym niż jej rotacja Są to pozostałości po przechwyconych, a następnie rozdrobnionych planetoidach sprzed 4,5 mld lat. Obecnie brak jest wydajnego mechanizmu przechwytywania