11.2: الكواكب العملاقة
- Page ID
- 197356
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف الخصائص الفيزيائية الأساسية والمظهر العام والدوران للكواكب العملاقة
- وصف تكوين وهيكل المشتري وزحل وأورانوس ونبتون
- قارن وقارن بين مصادر الحرارة الداخلية للكواكب العملاقة
- وصف اكتشاف وخصائص المجالات المغناطيسية للكواكب العملاقة
دعونا الآن نفحص الكواكب الأربعة العملاقة (أو الجوفيانية) بمزيد من التفصيل. لا يقتصر نهجنا على تصنيف خصائصها فحسب، بل مقارنتها مع بعضها البعض، مع ملاحظة أوجه التشابه والاختلاف ومحاولة ربط خصائصها بكتلتها المختلفة ومسافاتها عن الشمس.
الخصائص الأساسية
الكواكب العملاقة بعيدة جدًا عن الشمس. يبعد المشتري أكثر من خمس مرات عن الشمس عن مسافة الأرض (5 AU)، ويستغرق أقل من 12 عامًا للدوران حول الشمس. يبعد زحل حوالي ضعف مسافة المشتري (حوالي 10 AU) ويستغرق ما يقرب من 30 عامًا لإكمال مدار واحد. يدور أورانوس في 19 AU بفترة 84 عامًا، بينما يتطلب نبتون، عند 30 AU، 165 عامًا لكل دائرة من دوائر الشمس. هذه الجداول الزمنية الطويلة تجعل من الصعب علينا نحن البشر قصير العمر دراسة التغير الموسمي على الكواكب الخارجية.
يوجد العديد من أوجه التشابه بين المشتري وزحل في التكوين والبنية الداخلية، على الرغم من أن كوكب المشتري أكبر بأربعة أضعاف تقريبًا. أورانوس ونبتون أصغر حجمًا ويختلفان في التكوين والبنية الداخلية عن أشقائهما الكبار. تم تلخيص بعض الخصائص الرئيسية لهذه الكواكب الأربعة في الجدول\(\PageIndex{1}\).
| كوكب |
المسافة (أستراليا) |
الفترة (سنوات) |
القطر (كم) |
الكتلة (الأرض = 1) |
الكثافة (جم/سم 3) |
الدوران (ساعات) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| المشتري | 5.2 | 11.9 | 2,800 142 | 318 | 1.3 | 9.9 |
| زحل | 9.5 | 29.5 | 120,540 | 95 | 0.7 | 10.7 |
| أورانوس | 19.2 | 84.1 | 51,200 | 14 | 1.3 | 17.2 |
| نبتون | 30.0 | 164.8 | 49,500 | 17 | 1.6 | 16.1 |
كوكب المشتري، العملاق بين العمالقة، لديه كتلة كافية لتكوين 318 أرضًا. يبلغ قطرها حوالي 11 مرة من قطر الأرض (وحوالي عُشر قطر الشمس). يبلغ متوسط كثافة كوكب المشتري 1.3 جم/سم 3، وهو أقل بكثير من أي من الكواكب الأرضية. (تذكر أن الماء له كثافة 1 جم/سم 3.) تنتشر مادة المشتري على حجم كبير جدًا بحيث يمكن استيعاب حوالي 1300 قطعة أرض بداخلها.
تبلغ كتلة زحل 95 مرة كتلة الأرض، ويبلغ متوسط كثافته 0.7 جم/سم 3 فقط - وهو الأدنى من أي كوكب آخر. نظرًا لأن هذا أقل من كثافة الماء، فسيكون زحل خفيفًا بما يكفي ليطفو.
تبلغ كتلة كل من أورانوس ونبتون حوالي 15 مرة من كتلة الأرض، وبالتالي فإن كتلتها تزيد بنسبة 5٪ فقط عن كوكب المشتري. وكثافتها البالغة 1.3 جم/سم 3 و 1.6 جم/سم 3، على التوالي، أعلى بكثير من كثافة زحل. هذا دليل يخبرنا أن تركيبتها يجب أن تختلف اختلافًا جوهريًا عن عمالقة الغاز. عندما بدأ علماء الفلك في اكتشاف أنظمة كوكبية أخرى (الكواكب الخارجية)، وجدنا أن الكواكب بحجم أورانوس ونبتون شائعة، وأن هناك المزيد من الكواكب الخارجية المتوسطة الحجم بين الأرض وعمالقة الجليد هذه، وهو نوع من الكواكب غير موجود في نظامنا الشمسي.
المظهر والدوران
عندما ننظر إلى الكواكب، نرى فقط أغلفتها الجوية، التي تتكون أساسًا من الهيدروجين وغاز الهيليوم (انظر صورة الفصل). تتكون السحب العلوية لكوكب المشتري وزحل، وهي الجزء الذي نراه عند النظر إلى هذه الكواكب من الأعلى، من بلورات الأمونيا. على كوكب نبتون، تتكون السحب العلوية من الميثان. في أورانوس، لا نرى أي طبقة سحابية واضحة على الإطلاق، ولكن فقط ضبابًا عميقًا وخاليًا من المعالم.
كوكب المشتري، الذي يُرى من خلال التلسكوب، هو كوكب ملون وديناميكي. تسمح لنا التفاصيل المميزة في أنماط السحب بتحديد معدل دوران الغلاف الجوي على مستوى السحابة، على الرغم من أن دوران الغلاف الجوي هذا قد لا يكون له علاقة تذكر بدوران الكوكب الأساسي. والأهم من ذلك هو دوران الوشاح واللب؛ ويمكن تحديد ذلك من خلال الاختلافات الدورية في موجات الراديو القادمة من المشتري، والتي يتحكم فيها المجال المغناطيسي. نظرًا لأن المجال المغناطيسي (الذي سنناقشه أدناه) ينشأ في أعماق الكوكب، فإنه يشترك في دوران الداخل. فترة الدوران التي نقيسها بهذه الطريقة هي 9 ساعات و 56 دقيقة، مما يمنح المشتري أقصر «يوم» من أي كوكب. بنفس الطريقة، يمكننا قياس أن فترة الدوران الأساسية لزحل هي 10 ساعات و 40 دقيقة. تتمتع أورانوس ونبتون بفترات دوران أطول قليلاً تبلغ حوالي 17 ساعة، ويتم تحديدها أيضًا من خلال دوران مجالاتهم المغناطيسية.
يُظهر مقطع فيديو قصير مصنوع من صور تلسكوب هابل الفضائي دوران كوكب المشتري بميزاته الجوية العديدة.
تذكر أن الأرض والمريخ لهما مواسم لأن محاور الدوران الخاصة بهما، بدلاً من «الوقوف بشكل مستقيم»، مائلة بالنسبة إلى المستوى المداري للنظام الشمسي. هذا يعني أنه عندما تدور الأرض حول الشمس، أحيانًا نصف الكرة الأرضية وأحيانًا «يميل الآخر إلى» الشمس.
ما هي المواسم بالنسبة للكواكب العملاقة؟ يميل محور الدوران لكوكب المشتري بمقدار 3 درجات فقط، لذلك لا توجد مواسم يمكن الحديث عنها. ومع ذلك، فإن زحل له مواسم، حيث يميل محور دورانه بزاوية 27 درجة إلى العمودي على مداره. يتمتع نبتون بنفس ميل زحل (29 درجة) تقريبًا؛ لذلك، يمر بمواسم مماثلة (ببطء أكثر). أغرب المواسم على الإطلاق هي أورانوس، التي لديها محور دوران مائل بمقدار 98 درجة فيما يتعلق بالاتجاه الشمالي. من الناحية العملية، يمكننا القول أن أورانوس يدور على جانبه، ويتبعه نظام الحلقة والقمر، ويدور حول خط استواء أورانوس (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
لا نعرف سبب انقلاب أورانوس بهذه الطريقة، ولكن أحد الاحتمالات هو الاصطدام بجسم كوكبي كبير عندما كان نظامنا يتشكل لأول مرة. مهما كان السبب، فإن هذا الميل غير المعتاد يخلق مواسم مثيرة. عندما وصل Voyager 2 إلى أورانوس، كان قطبه الجنوبي متجهًا مباشرة نحو الشمس. شهد نصف الكرة الجنوبي صيفًا مضاءًا بنور الشمس لمدة 21 عامًا، بينما خلال نفس الفترة كان نصف الكرة الشمالي غارقًا في الظلام. في موسم 21 عامًا المقبل، تشرق الشمس على خط استواء أورانوس، ويمر كلا نصفي الكرة الأرضية بدورات من الضوء والظلام أثناء دوران الكوكب (الشكل\(\PageIndex{6}\)). ثم هناك 21 عامًا من نصف الكرة الشمالي المضيء ونصف الكرة الجنوبي المظلم. بعد ذلك يتكرر نمط التناوب ليلا ونهارا.
تمامًا كما هو الحال على الأرض، تكون الفصول أكثر تطرفًا في القطبين. إذا كنت ستقوم بتثبيت منصة عائمة في القطب الجنوبي لأورانوس، على سبيل المثال، فستشهد 42 عامًا من الضوء و 42 عامًا من الظلام. يمكن لأي رائد فضاء مستقبلي مجنون بما يكفي لإقامة معسكر هناك أن يقضي معظم حياته دون رؤية الشمس.
التكوين والهيكل
على الرغم من أننا لا نستطيع رؤية هذه الكواكب، إلا أن علماء الفلك واثقون من أن الأجزاء الداخلية لكوكب المشتري وزحل تتكون أساسًا من الهيدروجين والهيليوم. بالطبع، تم قياس هذه الغازات في غلافها الجوي فقط، لكن الحسابات التي أجريت لأول مرة منذ أكثر من 50 عامًا أظهرت أن هذين الغازين الخفيفين هما المادة الوحيدة الممكنة التي يمكن من خلالها بناء كوكب بكتل وكثافات كوكب المشتري وزحل المرصودة.
من الصعب التنبؤ بالهياكل الداخلية العميقة لهذين الكوكبين. ويرجع ذلك أساسًا إلى أن هذه الكواكب كبيرة جدًا لدرجة أن الهيدروجين والهيليوم في مراكزها يتم ضغطها بشكل كبير وتتصرف بطرق لا يمكن لهذه الغازات أن تتصرف بها أبدًا على الأرض. تتنبأ أفضل النماذج النظرية التي لدينا لهيكل المشتري بضغط مركزي أكبر من 100 مليون بار وكثافة مركزية تبلغ حوالي 31 جم/سم 3. (على النقيض من ذلك، يحتوي قلب الأرض على ضغط مركزي يبلغ 4 ملايين بار وكثافة مركزية تبلغ 17 جم/سم 3.)
عند الضغط داخل الكواكب العملاقة، يمكن أن تتخذ المواد المألوفة أشكالًا غريبة. على بعد بضعة آلاف من الكيلومترات تحت السحب المرئية لكوكب المشتري وزحل، تصبح الضغوط كبيرة جدًا بحيث يتغير الهيدروجين من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة. وبشكل أعمق، يتم ضغط هذا الهيدروجين السائل بشكل أكبر ويبدأ في العمل مثل المعدن، وهو شيء لا يفعله أبدًا على الأرض. (في المعدن، لا ترتبط الإلكترونات بقوة بالنواة الأصلية ولكن يمكنها التجول. هذا هو السبب في أن المعادن هي موصلات جيدة للكهرباء.) على كوكب المشتري، الجزء الأكبر من الداخل هو الهيدروجين المعدني السائل.
نظرًا لأن كوكب زحل أقل ضخامة، فإنه لا يحتوي إلا على كمية صغيرة من الهيدروجين المعدني، ولكن معظم الأجزاء الداخلية منه عبارة عن سائل. أورانوس ونبتون صغيران جدًا للوصول إلى ضغوط داخلية كافية لتسييل الهيدروجين. سنعود إلى مناقشة طبقات الهيدروجين المعدنية عندما نفحص المجالات المغناطيسية للكواكب العملاقة.
يحتوي كل من هذه الكواكب على نواة مكونة من مواد أثقل، كما يتضح من التحليلات التفصيلية لمجالات الجاذبية. من المفترض أن هذه النوى هي أجسام الصخور والجليد الأصلية التي تشكلت قبل التقاط الغاز من السديم المحيط. توجد النوى تحت ضغط عشرات الملايين من القضبان. بينما يتحدث العلماء عن نوى الكوكب العملاق التي تتكون من الصخور والجليد، يمكننا التأكد من عدم اتخاذ الصخور أو الجليد أي أشكال مألوفة عند مثل هذه الضغوط ودرجات الحرارة. تذكر أن المقصود حقًا بـ «الصخور» هو أي مادة تتكون أساسًا من الحديد والسيليكون والأكسجين، بينما يشير مصطلح «الجليد» في هذا الفصل إلى المواد المكونة أساسًا من عناصر الكربون والنيتروجين والأكسجين جنبًا إلى جنب مع الهيدروجين.
\(\PageIndex{3}\)يوضح الشكل الهياكل الداخلية المحتملة للكواكب الجوفانية الأربعة. يبدو أن الأربعة جميعًا لديهم نوى متشابهة من الصخور والجليد. في كوكب المشتري وزحل، تشكل النوى نسبة قليلة فقط من الكتلة الكلية، بما يتفق مع التركيب الأولي للمواد الخام الموضحة في الجدول\(11.1.1\). ومع ذلك، فإن معظم كتلة أورانوس ونبتون تكمن في هذه النوى، مما يدل على أن الكواكب الخارجية لم تكن قادرة على جذب كميات هائلة من الهيدروجين والهيليوم عندما تكونت لأول مرة.
مصادر الحرارة الداخلية
بسبب أحجامها الكبيرة، تم تسخين جميع الكواكب العملاقة بقوة أثناء تكوينها من خلال انهيار المواد المحيطة على نواتها. كان كوكب المشتري، كونه الأكبر، هو الأكثر سخونة. يمكن أن تظل بعض هذه الحرارة البدائية داخل هذه الكواكب الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك، من الممكن للكواكب العملاقة الغازية إلى حد كبير أن تولد الحرارة بعد تكوينها عن طريق الانكماش البطيء. (مع وجود كتلة كبيرة جدًا، حتى كمية ضئيلة من الانكماش يمكن أن تولد حرارة كبيرة.) إن تأثير مصادر الطاقة الداخلية هذه هو رفع درجات الحرارة في الأجزاء الداخلية والأجواء للكواكب أعلى مما نتوقعه من تأثير التسخين للشمس وحدها.
يمتلك المشتري أكبر مصدر للطاقة الداخلية، حيث يبلغ 4 × 10 17 واط؛ أي أنه يتم تسخينه من الداخل بطاقة تعادل 4 ملايين مليار مصباح بقوة 100 واط. هذه الطاقة هي تقريبًا نفس إجمالي الطاقة الشمسية التي يمتصها المشتري. وبالتالي فإن الغلاف الجوي لكوكب المشتري هو عبارة عن تقاطع بين الغلاف الجوي الكوكبي العادي (مثل الغلاف الجوي للأرض)، الذي يحصل على معظم طاقته من الشمس، والغلاف الجوي للنجم، الذي يتم تسخينه بالكامل بواسطة مصدر طاقة داخلي. معظم الطاقة الداخلية لكوكب المشتري هي الحرارة البدائية، المتبقية من تكوين الكوكب قبل 4.5 مليار سنة.
يحتوي زحل على مصدر طاقة داخلي يبلغ حوالي نصف حجم كوكب المشتري، مما يعني (نظرًا لأن كتلته تبلغ حوالي الربع فقط) أنه ينتج ضعف كمية الطاقة لكل كيلوغرام من المواد التي ينتجها المشتري. نظرًا لأنه من المتوقع أن يكون لدى زحل حرارة بدائية أقل بكثير، يجب أن يكون هناك مصدر آخر في العمل يولد معظم هذه الطاقة 2 × 10 17 واط. هذا المصدر هو فصل الهيليوم عن الهيدروجين في داخل زحل. في غلاف الهيدروجين السائل، يشكل الهيليوم الثقيل قطرات تغرق في اتجاه القلب، وتطلق طاقة الجاذبية. في الواقع، لا يزال زحل متمايزًا - مما يسمح للمواد الخفيفة بالارتفاع وسقوط المواد الثقيلة.
أورانوس ونبتون مختلفان. يحتوي نبتون على مصدر طاقة داخلي صغير، بينما لا يصدر أورانوس كمية قابلة للقياس من الحرارة الداخلية. ونتيجة لذلك، يتمتع هذان الكوكبان بنفس درجة حرارة الغلاف الجوي تقريبًا، على الرغم من مسافة نبتون الأكبر من الشمس. لا أحد يعرف لماذا يختلف هذان الكوكبان في حرارتهما الداخلية، ولكن كل هذا يوضح كيف يمكن للطبيعة أن تجعل كل عالم مختلفًا قليلاً عن جيرانه.
حقول مغناطيسية
يحتوي كل كوكب من الكواكب العملاقة على مجال مغناطيسي قوي ناتج عن التيارات الكهربائية في داخله الذي يدور بسرعة. ترتبط المجالات المغناطيسية للكوكب بالمجال المغناطيسي، وهي مناطق حول الكوكب يهيمن فيها المجال المغناطيسي الخاص بالكوكب على المجال المغناطيسي العام بين الكواكب. تعد الأغلفة المغناطيسية لهذه الكواكب أكبر ميزاتها، حيث تمتد ملايين الكيلومترات في الفضاء.
في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، اكتشف علماء الفلك أن المشتري كان مصدرًا للموجات الراديوية التي أصبحت أكثر كثافة في الأطوال الموجية الأطول وليس الأطوال الموجية الأقصر - تمامًا عكس ما هو متوقع من الإشعاع الحراري (الإشعاع الناجم عن الاهتزازات الطبيعية للجسيمات داخل كل المادة). ومع ذلك، فإن هذا السلوك نموذجي للإشعاع المنبعث عندما تتسارع الإلكترونات عالية السرعة بواسطة مجال مغناطيسي. نسمي هذا الإشعاع السنكروتروني لأنه لوحظ لأول مرة على الأرض في مسرعات الجسيمات، تسمى السنكروترونات. كانت هذه أول إشارة لنا إلى أن المشتري يجب أن يكون لديه مجال مغناطيسي قوي.
أظهرت الملاحظات اللاحقة أن موجات الراديو تأتي من منطقة تحيط بالمشتري بقطر عدة أضعاف الكوكب نفسه (الشكل\(\PageIndex{4}\)). تشير الأدلة إلى أن عددًا كبيرًا من الجسيمات الذرية المشحونة يجب أن تدور حول كوكب المشتري، وتتصاعد حول خطوط قوة المجال المغناطيسي المرتبط بالكوكب. هذا هو بالضبط ما نلاحظه يحدث، ولكن على نطاق أصغر، في حزام فان ألين حول الأرض. تعمل المجالات المغناطيسية لزحل وأورانوس ونبتون، التي اكتشفتها المركبة الفضائية التي مرت لأول مرة بالقرب من هذه الكواكب، بطريقة مماثلة، ولكنها ليست بنفس القوة.
تعرف على المزيد حول الغلاف المغناطيسي لكوكب المشتري ولماذا نستمر في الاهتمام به من هذا الفيديو المختصر لوكالة ناسا.
داخل كل غلاف مغناطيسي، تدور الجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي؛ ونتيجة لذلك، يمكن تسريعها إلى طاقات عالية. يمكن أن تأتي هذه الجسيمات المشحونة من الشمس أو من جوار الكوكب نفسه. في حالة المشتري، تبين أن أيو، أحد أقماره، لديه ثورات بركانية تطلق الجسيمات المشحونة إلى الفضاء مباشرة إلى الغلاف المغناطيسي الجوفي.
لا يتماشى محور المجال المغناطيسي لكوكب المشتري (الخط الذي يربط القطب الشمالي المغناطيسي بالقطب الجنوبي المغناطيسي) تمامًا مع محور دوران الكوكب؛ بل يميل بحوالي 10 درجات. تتمتع أورانوس ونبتون بإمالة مغناطيسية أكبر تبلغ 60 درجة و 55 درجة على التوالي. مجال زحل، من ناحية أخرى، يتماشى تمامًا مع محور دورانه. لا يُفهم جيدًا سبب اختلاف درجات الميل المغناطيسي للكواكب المختلفة.
تبين أن العمليات الفيزيائية حول كواكب الجوفانية هي نسخ أكثر اعتدالًا مما يجده علماء الفلك في العديد من الأجسام البعيدة، من بقايا النجوم الميتة إلى مراكز القوة البعيدة المحيرة التي نسميها الكوازارات. أحد أسباب دراسة الأغلفة المغناطيسية للكواكب العملاقة والأرض هو أنها توفر نظائر قريبة يمكن الوصول إليها لعمليات كونية أكثر نشاطًا وتحديًا.
المفاهيم الأساسية والملخص
كوكب المشتري أكبر بـ 318 مرة من الأرض. تبلغ مساحة زحل حوالي 25٪ من كوكب المشتري، بينما تبلغ ضخامة أورانوس ونبتون 5٪ فقط. تحتوي الأربعة على أجواء عميقة وغيوم معتمة، وتدور جميعها بسرعة بفترات من 10 إلى 17 ساعة. يحتوي كوكب المشتري وزحل على أغطية واسعة من الهيدروجين السائل. يتم استنفاد أورانوس ونبتون في الهيدروجين والهيليوم بالنسبة إلى المشتري وزحل (والشمس). يحتوي كل كوكب عملاق على نواة من «الجليد» و «الصخور» تبلغ حوالي 10 كتل أرضية. يمتلك المشتري وزحل ونبتون مصادر حرارة داخلية رئيسية، حيث يحصلون على نفس القدر (أو أكثر) من الطاقة من منازلهم مثل الإشعاع الصادر من الشمس. لا يحتوي أورانوس على حرارة داخلية قابلة للقياس. يمتلك كوكب المشتري أقوى مجال مغناطيسي وأكبر غلاف مغناطيسي لأي كوكب، اكتشفه علماء الفلك الراديويون لأول مرة من خلال ملاحظات الإشعاع السنكروتروني.
مسرد المصطلحات
- إشعاع السنكروترون
- الإشعاع المنبعث من الجسيمات المشحونة التي تتسارع في المجالات المغناطيسية وتتحرك بسرعات قريبة من الضوء