Razlog za različni barvi Urana in Neptuna

Nazaj

Naše Osončje, katerega del smo seveda tudi mi, sestavlja pisana druščina nebesnih teles, ki se med sabo močno razlikujejo. V njem kraljuje Sonce okoli katerega kroži osem planetov ter na tisoče manjših objektov. Obstajata pa dva planeta, ki sta si izjemno podobna tako po barvi, velikosti, kot tudi po njuni notranji strukturi. To sta ledena orjaka Uran in Neptun, ki se nahajata na samem robu Osončja. Prepoznavna sta predvsem po modri barvi, ki je posledica metana (CH4) v njunih atmosferah. Vendar barvi teh planetov nista popolnoma enaki. Če je Neptun temno moder, pa je Uran modrozelen. Vprašanje, kaj je razlog tej razliki je astronome mučilo že desetletja. Letos pa je skupina astronomov pod vodstvom Patricka Irwina z Oxforda, izdelala natančen matematični model atmosfer obeh planetov in izkazalo se je, da odgovor tiči v majhnih razlikah v sestavi atmosfer obeh orjakov.

Pa si najprej na hitro oglejmo planete v Osončju. V grobem jih lahko razdelimo v dve skupini. Merkur, Venera, Zemlja ter Mars spadajo med planete Zemljinega tipa ali tako imenovane skalnate planete. Večino mase teh planetov predstavljajo težki elementi, kot sta železo ter nikelj in kamnine. Njihova najbolj zunanja plast, torej skorja, je trdna. Na Zemlji skorjo deloma prekriva tekoča voda, vse skalnate planete v Osončju z izjemo Merkurja pa obdaja ozračje. Ti planeti so nastali z akrecijo majhnih trdnih teles, imenovanih planetezimali. Takoj po nastanku so to bila vroča telesa, ki so jih v celoti prekrivali oceani lave. Njihovo površje pa se je hitro ohlajalo – le 150 milijonov let po njenem nastanku je na Zemlji že obstajala tekoča voda.

Planeti, ki po oddaljenosti sledijo Marsu, spadajo v drugo skupino – tako imenovane plinaste orjake. Njihovi glavni značilnosti sta, da so mnogo večji od Zemlje in da nimajo trdnega površja. Med njimi sta Jupiter in Saturn, ki sta bila na poti, da postaneta novi zvezdi, vendar njuna masa ni nikoli presegla praga, ki bi omogočal potek jedrskih reakcij v njuni notranjosti. Plinasti orjaki so mrzli svetovi, s temperaturami, ki so globoko pod ničlo.

Bližnji fotografiji Urana (na levi) ter Neptuna (na desni), ki ju je posnela NASINA sonda Voyager 2 v 80tih letih prejšnjega stoletja. Vir: NASA.

Jupiter in Saturn sta največja plinasta orjaka v Osončju. Če ju opazujemo skozi teleskop lahko vidimo, da sta povečini rumenkaste barve, kar je posledica dejstva, da v najbolj zgornjih plasteh njunih atmosfer kraljujejo oblaki iz zamrznjenega amoniaka (NH3). V notranjosti obeh planetov se najverjetneje nahajata trdni jedri, za katera znanstveniki mislijo, da ju sestavljajo železo, nikelj ter različne kamnine. Vodik ter helij predstavljata kar 90 % mase teh planetov. Oba sta najverjetneje nastala v dveh fazah, najprej z akumulacijo planetezimalov, takoj ob rojstvu Osončja, nato pa z akrecijo velikih količin plina.

Na obrobju Osončja kraljujeta Neptun in Uran, ki spadata v podrazred plinastih orjakov, ki jih imenujemo ledeni orjaki. Helij ter vodik predstavljata le okoli 20 % mase obeh planetov. Večino snovi, ki ju sestavlja, predstavlja mešanica elementov, kot so kisik, ogljik, dušik ter žveplo. Trdno jedro, ki se skriva globoko v njuni notranjosti, predstavlja le nekaj odstotkov njune mase. Okoli jedra se nahaja tako imenovani plašč, ki ga sestavljajo voda, metan in amonijak. Vse te spojine obstajajo kot superkritične tekočine, ki imajo mešane lastnosti tako kapljevin kot plinov. Znanstveniki si še danes niso popolnoma na jasnem, kako ledeni orjaki pravzaprav nastanejo. Nekateri modeli namesto akrecije plina na trdno jedro predvidevajo, da so se v začetnem protoplanetarnem disku, ki se je nahajal okoli nastajajočega Sonca, pojavljala območja z nekoliko višjo gostoto od okolice, kar je sčasoma privedlo do lokalnega gravitacijskega kolapsa. Nastanek zgoščin bi lahko bil posledica bližnjega srečanja z drugo zvezdo ali fotoizparevanja plina iz protoplanetarnega diska zaradi sevanja takrat Soncu bližnjih, zelo vročih zvezd.

Modra barva Neptuna in Urana je posledica dejstva, da metan ter drugi ogljikovodiki v njunih atmosferah močno absorbirajo rdečo ter infrardečo svetlobo. Manko rdeče svetlobe povzroči, da v spektru obeh planetov prevladuje modra barva, ki se močno sipa na molekulah metana ter areosoleh, ki se nahajajo v najbolj zgornjih plasteh obeh planetov.

Ko je v 80tih letih prejšnjega stoletja sonda Voyager 2 naredila prve bližnje posnetke obeh planetov, so astronomi ugotovili, da je Neptunova atmosfera veliko bolj aktivna od Uranove. Aerosoli, torej suspenzije trdnih delcev v atmosferi, tvorijo bele oblake v plasti Neptunove atmosfere, ki ji pravimo troposfera. Poleg tega je sonda Voyager 2 na Neptunu posnela tudi tako imenovano veliko temno liso. Šlo je za ogromno nevihto, s presekom 13.000 km × 6.600 km. Ta nevihta je bila dejansko velikanski anticiklon, nekoliko podoben veliki rdeči pegi na Jupitru. Toda če slednja na Jupitru obstaja že skoraj 400 let, pa se velika temna lisa na fotografijah Neptuna, ki jih je le nekaj let pozneje naredil Vesoljski teleskop Hubble, ni več pojavila.

Beli oblaki ter temne lise so na Neptunu reden pojav. Na Uranu je zgodba drugačna, saj so znanstveniki do sedaj tam zaznali le peščico podobnih oblakov ter eno samo temno liso, ki jo je Vesoljski teleskop Hubble posnel leta 2003 in je bila precej manjša od Neptunovih. Ta razlika v aktivnosti obeh atmosfer naj bi bila posledica dejstva, da oba planeta sicer v svoji notranjosti proizvajata toploto, vendar je Neptun pri tem uspešnejši, saj proizvede kar 1,6 krat več energije, kot jo dobi od Sonca, medtem ko je na Uranu ta faktor le 0,1. Izvor te toplote na Neptunu je danes še vedno nerešeno vprašanje.

Razlike v sestavi zgornjih plasti atmosfer Urana in Neptuna. Vir: NASA.

Kemična sestava aerosoli ter posledično tudi oblakov na Neptunu in Uranu, je bila dolgo časa uganka. Leta 2018 so astronomi dokončno potrdili obstoj vodikovega sulfida (H2S) v Uranovi atmosferi, za katerega sumijo, da se nahaja tudi na Neptunu. Ta plin globoko v troposferi obeh planetov reagira z amoniakom, pri čemer se tvori amoniakov hidrosulfid (NH4SH). Ta molekula je glavna sestavina tamkajšnjih oblakov. Ker je amoniaka manj od vodikovega sulfida, je slednji prisoten tudi v zgornjih plasteh troposfere, kjer tvori že omenjene aerosoli ter oblake.

Prav aerosoli pa naj bi bile odgovorne za različni barvi Neptuna in Urana. V najnovejši raziskavi je skupina astronomov uporabila posnetke ter meritve Vesoljskega teleskopa Hubble ter sonde Voyager 2, na podlagi katerih je izdelala matematični model zgornjih plasti atmosfer obeh planetov. Tam naj bi se aerosoli nahajale v treh ločenih plasteh na različnih višinah, pri čemer naj bi bila srednja plasti tista, ki določi odtenek modre barve planetov. Znanstveniki so sedaj prepričani, da se na delce aerosoli v tej plasti nalaga metanov led. Tako masa teh delcev naraste, kar povzroči njihov transport oziroma padec v nižje, gostejše plasti troposfere v obliki tako imenovanega metanovega snega. Ker je Neptunova atmosfera aktivnejša od Uranove, je tam metanovega snega več. Posledično sta gostota ter debelina srednje plasti aerosoli manjši zaradi česar je ta plast na Neptunu bolj prozorna. Modra svetloba iz nižjih plasti Neptunove atmosfere lahko tako veliko bolj nemoteno zapusti planet, kar mu daje temno moder videz.

Z istim modelom so znanstveniki pojasnili tudi obstoj temnih lis. Ti ogromni anticikloni naj bi potemnili ali zmanjšali prosojnost najnižje plasti plasti aerosoli zaradi česar naj bi od tam uhajalo manj svetlobe, kar naj bi tem atmosferskim vrtincem dajalo temen videz.

Dodatna čtiva za radovedneže

  1. Irwin, P. G. J., Teanby, N. A., Fletcher, L. N., Toledo, D., Orton, G. S., Wong, M. H., et al. (2022). Hazy blue worlds: A holistic aerosol model for Uranus and Neptune, including dark spots. Journal of Geophysical Research: Planets, 127, e2022JE007189. https://doi.org/10.1029/2022JE007189

Blog at WordPress.com.

Navzgor ↑

%d bloggers like this: