تایید طوفان الکتریکی از جنس توپ‌های خمیری یخی آمونیاک در سیاره مشتری

بارش تگرگ عجیبی از «توپ‌های خمیری یخی»(icy mushballs) که مخلوط‌های یخی از آمونیاک و آب هستند، در سیاره مشتری تأیید شده است، جایی که رعد و برق‌های شدید، این «توپ‌های خمیری یخی» را هنگام طوفان‌های بزرگ نورانی می‌کند.

کد خبر: ۷۹۴۲۸۵

تاریخ: ۰۱ ارديبهشت ۱۴۰۴ - ۱۰:۳۱

به گزارش ایران اکونومیست، محققان با استفاده از اولین شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی از «وَردسپهر» یا «تروپوسفر»(troposphere) سیاره مشتری نشان دادند که بیشتر حجم آب و هوا به طرز شگفت‌آوری در عمق کم این سیاره است، اما سامانه‌های همرفتی عمیق به درون آن نفوذ کرده و آمونیاک و آب را از هم جدا می‌کنند و آنها را به زیر ابرها می‌کشند.

«تروپوسفر» پایین‌ترین لایه اتمسفری است. این لایه ۷۵ درصد کل جرم جو و تقریباً تمام بخار آب و ذرات معلق درون هواسپهر را در خود جای داده‌ است.

به نقل از اس‌تی‌دی، این موضوع، این ایده را که سیاره غول‌پیکر گازی مشتری مخلوطی همگن از گازهاست، نقض می‌کند، چرا که در آن، «توپ‌های خمیری یخی» مانند قنات‌های زیرزمینی عمل می‌کنند که مواد شیمیایی را به دام می‌اندازند و منتقل می‌کنند. این موضوع می‌تواند درک ما را از جو سیارات غول‌پیکر تغییر دهد.

رونمایی از طوفان‌های یخی

یک «توپ خمیری یخی» غول‌پیکر از جنس آمونیاک و آب را تصور کنید که در پوسته‌ای سخت از یخ پیچیده شده است. حالا تصور کنید که این توپ‌ها مانند دانه‌های تگرگ از جو سیاره مشتری سقوط می‌کنند و با جرقه‌های قدرتمند رعد و برق، نورانی می‌شوند.

به گفته دانشمندان در دانشگاه کالیفرنیا، این آب و هوای چشمگیر فقط یک داستان علمی-تخیلی نیست و واقعاً در سیاره مشتری اتفاق می‌افتد. این طوفان‌های یخی همراه با رعد و برق، ممکن است در سایر سیارات غول‌پیکر گازی در منظومه شمسی ما مانند سیاره زحل، اورانوس و نپتون و سیارات گازی دیگر در سراسر کهکشان رخ دهند.

مفهوم «توپ‌های خمیری» برای اولین بار در سال ۲۰۲۰ مطرح شد. این توپ‌ها برای توضیح تغییرات در سطوح گاز آمونیاک مشاهده شده در جو بالایی سیاره مشتری استفاده شدند. این بی‌نظمی‌ها توسط «فضاپیمای جونو»(Juno spacecraft) متعلق به ناسا، شناسایی و توسط تلسکوپ‌های رادیویی زمینی تأیید شدند.

در آن زمان «کریس موکل»(Chris Moeckel) دانشجوی فارغ‌التحصیل دانشگاه کالیفرنیا به همراه استاد راهنمای خود، پروفسور «امریتا ایمکه پاتر»(Emerita Imke Pater )، در این مورد تردید داشتند، زیرا این نظریه نیاز به شرایط جوی بسیار خاصی داشت.

از شک تا تأییدیه سه‌بعدی

«موکل» که سال گذشته دکترای خود را از دانشگاه برکلی دریافت کرد و اکنون محقق آزمایشگاه علوم فضایی دانشگاه برکلی است، گفت: من و «ایمکه» هر دو می‌گفتیم که هیچ راهی در جهان وجود ندارد که این نظریه درست باشد. خیلی چیزها باید کنار هم قرار بگیرند تا این موضوع را توضیح دهند، خیلی عجیب به نظر می‌رسد. من سه سال تلاش کردم تا خلاف این نظریه را ثابت کنم و موفق نبودم.

تصویر سه‌بعدی از «تروپوسفر» سیاره مشتری نشان می‌دهد که اکثر سامانه‌های آب و هوایی در این سیاره در عمق کم آن هستند و تنها به ۱۰ تا ۲۰ کیلومتر پایین‌تر از سطح قابل مشاهده سیاره می‌رسند که شعاع آن ۷۰ هزار کیلومتر است.

با این حال، برخی از آب و هواها در «تروپوسفر» در عمق بیشتری ظاهر می‌شوند و آمونیاک و آب را دوباره توزیع می‌کنند و آنچه را که مدت‌ها تصور می‌شد یک جو یکنواخت است، از هم جدا می‌کنند.

سطوح کم‌عمق در مقابل طوفان‌های عمیق

«موکل» گفت: هر بار که به سیاره مشتری نگاه می‌کنید، بیشتر سطح آن را می‌بینید. سطحی که کم‌عمق است، اما چند چیز مانند گرداب‌ها و این طوفان‌های بزرگ می‌توانند در آن مشاهده شوند.

« ایمکه» ۱۰ سال پیش کشف کرد که آمونیاک تا سطح حدود ۵۰ کیلومتری کاهش یافته است. وی گفت:  «فضاپیمای جونو» نشان می‌دهد که آمونیاک در تمام عرض‌های جغرافیایی تا حدود ۱۵۰ کیلومتری کاهش یافته است که واقعاً عجیب است. این همان مسئله‌ای است که «کریس» سعی دارد آن را با سامانه‌های طوفانی خود که بسیار عمیق‌تر از آنچه انتظار داشتیم هستند، توضیح دهد.

سیاره‌های غول‌پیکر گازی مانند مشتری و زحل و غول‌های یخی مانند سیاره نپتون و اورانوس، هدف اصلی ماموریت‌های فضایی فعلی و تلسکوپ‌های بزرگ از جمله «تلسکوپ فضایی جیمز وب»(James Webb Space Telescope) هستند.

این ماموریت‌ها می‌توانند به ما در درک تاریخچه شکل‌گیری منظومه شمسی و مشاهدات واقعی از سیارات فراخورشیدی دوردست کمک کنند. بسیاری از این سیارات، بزرگ و گازی هستند. از آنجایی که ستاره‌شناسان فقط می‌توانند جوهای بالایی سیارات فراخورشیدی دوردست را ببینند، دانستن چگونگی تفسیر علائم شیمیایی در این مشاهدات می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا جزئیاتی از فضای داخلی سیارات فراخورشیدی را مشاهده کنند.

اختلاط جوی و قله ابرهای گمراه‌کننده

«موکل» گفت: در واقع ما نشان می‌دهیم که بالای جو سیاره می‌تواند نمایانگر بسیار بدی از آنچه درون سیاره در حال روی دادن است، باشد، زیرا طوفان‌هایی مانند «طوفان‌های توپ خمیری»، جو را از هم جدا می‌کنند. پس ترکیب شیمیایی قله ابرهای جو لزوماً منعکس کننده ترکیبات در اعماق جو سیاره نیستند و بعید است که سیاره مشتری نیز استثناء باشد.

«ایمکه» گفت: ما می‌توانیم این موضوع را به سیارات اورانوس، نپتون و سیارات فراخورشیدی دیگر تعمیم دهیم.

جو سیاره مشتری با جو سیاره زمین متفاوت است. این سیاره از گاز هیدروژن و هلیوم با مقادیر کمی از مولکول‌های گازی مانند آمونیاک و آب ساخته شده است که از توده جو سنگین‌تر هستند. همچنین سیاره مشتری طوفان‌هایی مانند «لکه سرخ بزرگ»(Great Red Spot) دارد که قرن‌ها طول می‌کشند.

در این سیاره گاز آمونیاک و بخار آب بالا می‌روند و تبدیل به قطرات منجمد مانند برف می‌شوند و به طور مداوم می‌بارند. همچنین در این سیاره هیچگونه سطح جامدی برای برخورد وجود ندارد، پس این قطرات باران چه زمانی باید از سقوط کردن بایستند؟

باران بدون سطح و اختلاط عمودی

«موکل» گفت: روی زمین، شما یک سطح دارید و باران در نهایت به این سطح برخورد خواهد کرد. سؤال این است که اگر سطح را بردارید، چه اتفاقی می‌افتد؟ قطرات باران تا چه حد به اعماق سیاره فرو می‌روند؟ این چیزی است که ما در سیارات غول‌پیکر مشاهده می‌کنیم.

این سؤال برای دهه‌ها توجه دانشمندان سیاره‌شناسی را جلب کرده است، زیرا تصور می‌شود فرآیندهایی مانند باران و طوفان، «مخلوط‌کننده‌های عمودی»(vertical mixers) اصلی جو سیارات هستند. برای دهه‌ها، فرضیه یک جو مختلط، استنتاج‌ها در مورد ترکیبات داخلی سیارات غول‌پیکر گازی بود.

مشاهدات توسط تلسکوپ‌های رادیویی نشان می‌دهد که این فرضیه نادرست است.

«موکل» با تشبیه به یک قابلمه آب جوش گفت: ابرهای متلاطم باعث می‌شوند که باور کنید جو کاملاً مخلوط است. اگر به بالای جو نگاه کنید، آن را در حال جوشیدن می‌بینید و فرض می‌کنید که کل ظرف در حال جوشیدن است، اما این یافته‌ها نشان می‌دهد که اگرچه به نظر می‌رسد بالای آن در حال جوشیدن است، اما در زیر آن لایه‌ای وجود دارد که بسیار پایدار و کند است.

نظریه توپ‌های خمیری

«موکل» گفت: در سیاره مشتری به نظر می‌رسد که اکثر باران‌های آب و برف آمونیاک در جو سرد مشتری بالا می‌روند و هنگام ریزش تبخیر می‌شوند.

محققان توانستند این مشاهدات را از طریق شبیه‌سازی آب و هوای پویا و استاندارد توضیح دهند.

مشاهدات رادیویی فضاپیمای «جونو»، مناطقی را که اختلاط ضعیفی داشتند نیز ردیابی کرد. این مناطق به طرز عجیبی فاقد آمونیاک بودند و هیچ مکانیسم شناخته‌شده‌ای که بتواند این مشاهدات را توضیح دهد، وجود نداشت.

این مسئله منجر به نظریه‌هایی مبنی بر تشکیل سنگ‌های تگرگ از آب و یخ آمونیاک شد که از جو خارج می‌شوند و آمونیاک را از بین می‌برند، اما اینکه چگونه سنگ‌های تگرگی می‌توانند به اندازه کافی سنگین باشند که صدها کیلومتر به درون جو سقوط کنند، یک معما بود.

برای توضیح اینکه چرا آمونیاک در بخش‌هایی از جو مشتری وجود ندارد، «تریستان گیلوت» (Tristan Guillot) دانشمند سیاره‌شناس، نظریه‌ای را ارائه داد که مبتنی بر طوفان‌های شدید و سنگ‌های تگرگ به نام «توپ‌های خمیری» بود.

تشکیل توپ‌های خمیری و سقوط عمیق

این «توپ‌های خمیری» می‌توانند مقادیر زیادی آب و آمونیاک را با نسبت ۳ به ۱ به دام بیندازند. آنها به دلیل اندازه و وزنشان، به اعماق جو سقوط می‌کنند و آمونیاک را با خود حمل می‌کنند. این مساله به توضیح این موضوع کمک می‌کند که چرا به نظر می‌رسد آمونیاک در جو بالایی وجود ندارد.

با این حال، این فرآیند به شرایط خاص بستگی دارد. طوفان‌ها باید جریان‌های صعودی بسیار قوی، حدود ۱۰۰ متر در ثانیه داشته باشند و ذرات آبکی باید به سرعت با آمونیاک مخلوط شوند و به اندازه کافی بزرگ شوند تا از سقوط جان سالم به در ببرند.

«موکل» گفت: سفر «توپ‌های خمیری» از حدود ۵۰ تا ۶۰ کیلومتر پایین‌تر از عرشه ابر به صورت قطرات آب شروع می‌شود. این قطرات به سرعت تا بالای عرشه ابر بالا می‌روند. در آنجا منجمد می‌شوند و سپس بیش از صد کیلومتر به داخل سیاره سقوط می‌کنند.

وی افزود: در آنجا شروع به تبخیر و رسوب مواد می‌کنند. بنابراین، ما شاهد این سامانه عجیب بودیم که بسیار پایین‌تر از عرشه ابر فعال می‌شود و تا بالای جو می‌رود و سپس در اعماق سیاره فرو می‌رود.

شواهد رادیویی و تأیید کارشناسان

«موکل» گفت: یک نقطه کوچک زیر ابر وجود داشت که شبیه خنک شدن یعنی ذوب شدن یخ یا افزایش آمونیاک یعنی ذوب و آزاد شدن آمونیاک بود. این واقعیت که هر دو استدلال فقط با «توپ‌های خمیری» توجیه می‌شد، مرا متقاعد کرد.

به گفته «هوآژی»(Huazhi)، نویسنده مقاله و متخصص پویایی ابر در سیارات غول‌پیکر و دانشجوی فوق دکترا در مؤسسه فناوری کالیفرنیا، این شواهد رادیویی نمی‌توانسته تنها توسط قطرات باران آب یا برف آمونیاک ایجاد شده باشد.

«موکل» گفت: برخلاف تمایل زیاد من برای یافتن پاسخی ساده‌تر، این مقاله از نظر مشاهده‌ای، نشان می‌دهد که این فرآیند ظاهراً درست است.

برش‌نگاری سه‌بعدی و انتشار داده‌ها

دانشمندان در سراسر جهان به طور منظم با تلسکوپ‌های زمینی، سیاره مشتری را رصد می‌کنند و زمان‌بندی آنها با نزدیک‌ترین فاصله فضاپیمای «جونو» از این سیاره، هر ۶ هفته یکبار همزمان است.

محققان در فاصله زمانی فوریه ۲۰۱۷ تا آوریل ۲۰۱۹ از داده‌های «تلسکوپ فضایی هابل»(HST) و «آرایه بسیار بزرگ»(VLA) در نیومکزیکو برای تکمیل مشاهدات «جونو» استفاده کردند تا تصویری سه‌بعدی از تروپوسفر مشتری ایجاد کنند.

«موکل» گفت: من یک مدل «برش‌نگاری» یا «توموگرافی»(tomography) را توسعه دادم که مشاهدات رادیویی را می‌گیرد و آنها را به یک تصویر سه‌بعدی از آن قسمت از جو که توسط «جونو» دیده می‌شود، تبدیل می‌کند.

«برش‌نگاری» نوعی تصویربرداری سه‌بعدی است. در برش‌نگاری، عکس، برشی از حجم است که ممکن است در هر یک از سه جهتِ فضا باشد.

تصویر سه‌بعدی از آن نوار باریک از سیاره مشتری تأیید کرد که بیشتر تغییرات آب و هوا در ۱۰ کیلومتری جو بالایی آن اتفاق می‌افتد.

«موکل» گفت: لایه چگالش آب نقش مهمی در کنترل دینامیک و آب و هوای سیاره مشتری ایفا می‌کند که تنها، قدرتمندترین طوفان‌ها و امواج‌ها می‌توانند از این لایه عبور کنند.

«موکل» خاطرنشان کرد که تجزیه و تحلیل او از جو این سیاره به دلیل کمبود داده‌ها از ماموریت «جونو» به تأخیر افتاده است.

وی با توجه به داده‌های فعلی منتشر شده مجبور شد به طور مستقل روش‌های پردازش داده‌های ماموریت را بازسازی کند و از آن زمان، این منابع را برای حمایت از تلاش‌های تحقیقاتی در آینده در دسترس عموم قرار داده است.

این تحقیقات در مجله Science Advances منتشر شده است.