11.3: الغلاف الجوي للكواكب العملاقة

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197355

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

ناقش تكوين الغلاف الجوي للكواكب العملاقة
وصف تكوين السحابة والبنية الجوية لعمالقة الغاز
وصف أنماط الرياح والطقس في الكواكب العملاقة
افهم حجم وطول عمر العواصف على الكواكب العملاقة

الغلاف الجوي للكواكب الجوفانية هي الأجزاء التي يمكننا مراقبتها أو قياسها مباشرة. نظرًا لأن هذه الكواكب لا تحتوي على أسطح صلبة، فإن أجوائها تمثل تركيباتها العامة أكثر من الكواكب الأرضية. تقدم لنا هذه الأجواء أيضًا بعض الأمثلة الأكثر إثارة لأنماط الطقس في النظام الشمسي. كما سنرى، يمكن للعواصف على هذه الكواكب أن تنمو بشكل أكبر من كوكب الأرض بأكمله.

تكوين الغلاف الجوي

عندما ينعكس ضوء الشمس من الغلاف الجوي للكواكب العملاقة، تترك غازات الغلاف الجوي «بصماتها» في طيف الضوء. بدأت الملاحظات الطيفية للكواكب الجوفانية في القرن التاسع عشر، ولكن لفترة طويلة، لم يتمكن علماء الفلك من تفسير الأطياف التي لاحظوها. في أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي، ظلت أبرز المعالم التي تم تصويرها في هذه الأطياف مجهولة الهوية. ثم كشفت أطياف أفضل عن وجود جزيئات الميثان (CH ₄) والأمونيا (NH ₃) في الغلاف الجوي لكوكب المشتري وزحل.

في البداية اعتقد علماء الفلك أن الميثان والأمونيا قد يكونان المكونات الرئيسية لهذه الأجواء، لكننا نعلم الآن أن الهيدروجين والهيليوم هما في الواقع الغازات السائدة. نشأ الارتباك بسبب عدم امتلاك الهيدروجين والهيليوم لخصائص طيفية يسهل اكتشافها في الطيف المرئي. لم يكن من الممكن العثور على وفرة موثوقة للهيليوم بعيد المنال حتى قامت المركبة الفضائية Voyager بقياس أطياف الأشعة تحت الحمراء البعيدة لكوكب المشتري وزحل.

تتشابه تركيبات الغلافين الجويين بشكل عام، باستثناء أنه يوجد على زحل كمية أقل من الهيليوم نتيجة ترسب الهيليوم الذي يساهم في مصدر الطاقة الداخلية لزحل. تم إجراء القياسات الأكثر دقة للتكوين على كوكب المشتري بواسطة مسبار غاليليو للدخول في عام 1995؛ ونتيجة لذلك، نعرف وفرة بعض العناصر في الغلاف الجوي للجوفيان بشكل أفضل مما نعرفه في الشمس.

جيمس فان ألين: عدة كواكب تحت حزامه

امتدت مسيرة عالم الفيزياء جيمس فان ألين إلى ولادة ونمو عصر الفضاء، ولعب دورًا رئيسيًا في تطوره. ولد فان ألين في ولاية أيوا عام 1914، وحصل على درجة الدكتوراه من جامعة أيوا. ثم عمل في العديد من المؤسسات البحثية وخدم في البحرية خلال الحرب العالمية الثانية.

بعد الحرب، تم تعيين فان ألين (الشكل\(\PageIndex{1}\)) أستاذًا للفيزياء في جامعة أيوا. بدأ هو ومعاونوه باستخدام الصواريخ لاستكشاف الإشعاع الكوني في الغلاف الجوي الخارجي للأرض. للوصول إلى ارتفاعات عالية للغاية، صمم Van Allen تقنية يقوم فيها المنطاد برفع صاروخ صغير ثم إطلاقه (يُطلق على الصاروخ اسم «الروك»).

بديل — شخصية\(\PageIndex{1}\) جيمس فان ألين (1914-2006). في هذه الصورة التي تعود إلى الخمسينيات، يحمل فان ألين «روكون».

خلال العشاء في إحدى الليالي في عام 1950، ابتكر فان ألين والعديد من الزملاء فكرة السنة الجيوفيزيائية الدولية (IGY)، وهي فرصة للعلماء في جميع أنحاء العالم لتنسيق أبحاثهم في فيزياء الأرض، وخاصة الأبحاث التي تتم على ارتفاعات عالية. في عام 1955، التزمت كل من الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي بإطلاق قمر صناعي يدور حول الأرض خلال IGY، وهي مسابقة بدأت ما أصبح يُعرف باسم سباق الفضاء. حدث IGY (الذي امتد إلى 18 شهرًا) بين يوليو 1957 وديسمبر 1958.

فاز الاتحاد السوفيتي في الجولة الأولى من السباق بإطلاق Sputnik 1 في أكتوبر 1957. حفزت الحكومة الأمريكية علمائها ومهندسيها على بذل جهود أكبر للحصول على شيء ما في الفضاء للحفاظ على مكانة البلاد. ومع ذلك، واجه برنامج الأقمار الصناعية الأمريكي الرئيسي، Vanguard، صعوبات: فقد تحطمت أو انفجرت كل عملية من عمليات الإطلاق المبكرة. في الوقت نفسه، كان فريق ثان من مهندسي الصواريخ والعلماء يعملون بهدوء على مركبة إطلاق عسكرية تسمى Jupiter-C. قاد فان ألين تصميم الأدوات على متن قمر صناعي صغير ستحمله هذه السيارة. في 31 يناير 1958، أصبح مستكشف Van Allen 1 أول قمر صناعي أمريكي في الفضاء.

على عكس Sputnik، تم تجهيز Explorer 1 لإجراء قياسات علمية للجسيمات المشحونة عالية الطاقة فوق الغلاف الجوي. اكتشف فان ألين وفريقه حزامًا من الجسيمات عالية الشحنة المحيطة بالأرض، وهذه الأحزمة تحمل اسمه الآن. هذا الاكتشاف العلمي الأول لبرنامج الفضاء جعل اسم Van Allen معروفًا في جميع أنحاء العالم.

واصل فان ألين وزملاؤه قياس البيئة المغناطيسية والجسيمية حول الكواكب باستخدام مركبات فضائية متطورة بشكل متزايد، بما في ذلك Pioneers 10 و 11، التي أجرت مسوحات استكشافية لبيئات المشتري وزحل. يشير بعض العلماء إلى مناطق الجسيمات المشحونة حول تلك الكواكب باسم أحزمة فان ألين أيضًا. (ذات مرة، عندما كان فان ألين يلقي محاضرة في جامعة أريزونا، سأله طلاب الدراسات العليا في علوم الكواكب عما إذا كان سيترك حزامه في المدرسة. يتم عرضه الآن بفخر باسم «حزام فان ألين» للجامعة.)

كان فان ألين مؤيدًا قويًا لعلوم الفضاء ومتحدثًا كبيرًا بليغًا للمجتمع العلمي الأمريكي، محذرًا وكالة ناسا من بذل كل جهودها في رحلات الفضاء البشرية، ولكن أيضًا استخدام المركبات الفضائية الروبوتية كأدوات منتجة لاستكشاف الفضاء.

السحب وهيكل الغلاف الجوي

تعد غيوم كوكب المشتري (الشكل\(\PageIndex{2}\)) من بين أروع المشاهد في المجموعة الشمسية، وهي محبوبة كثيرًا من قبل صانعي أفلام الخيال العلمي. وتتراوح ألوانها من الأبيض إلى البرتقالي إلى الأحمر إلى البني، وتدور وتلتف في مشهد متغير باستمرار من الأنماط. يُظهر زحل نشاطًا سحابيًا متشابهًا ولكنه أكثر هدوءًا؛ فبدلاً من الألوان الزاهية، تتمتع السحب بلون موحد تقريبًا (الشكل\(\PageIndex{3}\))،

تتجمد الغازات المختلفة عند درجات حرارة مختلفة. في درجات الحرارة وضغوط الغلاف الجوي العلوي لكوكب المشتري وزحل، يظل الميثان غازًا، لكن الأمونيا يمكن أن تتكثف وتتجمد. (وبالمثل، يتكثف بخار الماء عالياً في الغلاف الجوي للأرض لإنتاج سحب من بلورات الثلج.) تتكون السحب الأولية التي نراها حول هذه الكواكب، سواء من مركبة فضائية أو من خلال تلسكوب، من بلورات الأمونيا المجمدة. تُمثل سحب الأمونيا الحافة العلوية لتروبوسفير الكواكب؛ وفوق ذلك توجد طبقة الستراتوسفير، وهي أبرد جزء من الغلاف الجوي. (تم تعريف هذه الطبقات في البداية في الأرض ككوكب.)

\(\PageIndex{5}\)تُظهر الرسوم البيانية في الشكل البنية والغيوم في الغلاف الجوي لجميع كواكب جوفيان الأربعة. في كل من كوكب المشتري وزحل، تبلغ درجة الحرارة بالقرب من قمم السحاب حوالي 140 كلفن (أبرد قليلاً فقط من القبعات القطبية للمريخ). على كوكب المشتري، يقع مستوى السحابة هذا عند ضغط يبلغ حوالي 0.1 بار (عُشر الضغط الجوي على سطح الأرض)، ولكن على كوكب زحل يحدث هذا الانخفاض في الغلاف الجوي عند حوالي 1 بار. نظرًا لأن سحب الأمونيا تقع بشكل أعمق بكثير على كوكب زحل، فمن الصعب رؤيتها، كما أن المظهر العام للكوكب أكثر غموضاً من مظهر المشتري.

داخل التروبوسفير لهذه الكواكب، تزداد درجة الحرارة والضغط مع العمق. من خلال فواصل سحب الأمونيا، يمكننا أن نرى لمحات محيرة لطبقات السحب الأخرى التي يمكن أن تتشكل في هذه المناطق العميقة من الغلاف الجوي - وهي المناطق التي تم أخذ عينات منها مباشرة للمشتري بواسطة مسبار غاليليو الذي سقط في الكوكب.

وعند هبوطه إلى ضغط قدره 5 قضبان، كان ينبغي أن يمر المسبار إلى منطقة من سحب المياه المتجمدة، ثم تحتها إلى سحب من قطرات الماء السائل، ربما تكون مشابهة للسحب الشائعة في طبقة التروبوسفير الأرضية. على الأقل هذا ما توقعه العلماء. لكن المسبار لم ير أي غيوم مائية، وقام بقياس وفرة منخفضة بشكل مدهش لبخار الماء في الغلاف الجوي. سرعان ما أصبح واضحًا لعلماء غاليليو أن المسبار قد سقط عبر منطقة جافة بشكل غير عادي وخالية من السحب في الغلاف الجوي - سحب هبوطي عملاق من الغاز البارد والجاف. أطلق أندرو إنجرسول من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وهو عضو في فريق غاليليو، على موقع الدخول هذا اسم «صحراء» جوبيتر. من المؤسف أن المسبار لم يدخل منطقة أكثر تمثيلاً، ولكن هذا هو حظ السحب الكوني. استمر المسبار في إجراء قياسات لضغط 22 بارًا ولكنه لم يعثر على طبقات سحابية أخرى قبل أن تتوقف أدواته عن العمل. كما اكتشفت عواصف رعدية، ولكن فقط على مسافات بعيدة، مما يشير أيضًا إلى أن المسبار نفسه كان في منطقة ذات طقس صافٍ.

فوق سحب الأمونيا المرئية في الغلاف الجوي لكوكب المشتري، نجد طبقة الستراتوسفير الصافية، التي تصل إلى درجة حرارة دنيا بالقرب من 120 درجة مئوية، وفي ارتفاعات أعلى، ترتفع درجات الحرارة مرة أخرى، تمامًا كما يحدث في الغلاف الجوي العلوي للأرض، لأن الجزيئات هنا تمتص الضوء فوق البنفسجي من الشمس. تعود ألوان السحابة إلى الشوائب، وهي نتاج التفاعلات الكيميائية بين غازات الغلاف الجوي في عملية نسميها الكيمياء الضوئية. في الغلاف الجوي العلوي لكوكب المشتري، تخلق التفاعلات الكيميائية الضوئية مجموعة متنوعة من المركبات المعقدة إلى حد ما من الهيدروجين والكربون التي تشكل طبقة رقيقة من الضباب الدخاني فوق السحب المرئية. نعرض هذا الضباب الدخاني كمنطقة برتقالية غامضة في الشكل\(\PageIndex{5}\)؛ ومع ذلك، فإن هذه الطبقة الرقيقة لا تحجب رؤيتنا للسحب الموجودة تحتها.

يتكون الغلاف الجوي المرئي لزحل من حوالي 75٪ هيدروجين و 25٪ هيليوم، مع كميات ضئيلة من الميثان والإيثان والبروبان والهيدروكربونات الأخرى. الهيكل العام مشابه لهيكل المشتري. ومع ذلك، تكون درجات الحرارة أكثر برودة إلى حد ما، كما أن الغلاف الجوي يمتد بشكل أكبر بسبب الجاذبية السطحية المنخفضة لزحل. وبالتالي، يتم تمديد الطبقات لمسافة أطول، كما ترى في الشكل\(\PageIndex{5}\). بشكل عام، على الرغم من ذلك، يجب أن تكون نفس مناطق الغلاف الجوي وسحابة التكثيف والتفاعلات الضوئية الكيميائية التي نراها على كوكب المشتري موجودة على زحل (الشكل\(\PageIndex{6}\)).

يحتوي زحل على بنية سحابية شاذة واحدة أثارت حيرة العلماء: نمط موجة سداسية حول القطب الشمالي، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{7}\). كل جانب من الجوانب الستة للشكل السداسي أطول من قطر الأرض. كما أن الرياح شديدة الارتفاع على كوكب زحل، حيث تصل سرعتها إلى 1800 كيلومتر في الساعة تقاس بالقرب من خط الاستواء.

شاهد صور مسدس زحل بألوان مبالغ فيها في هذا الفيديو المختصر لوكالة ناسا.

على عكس كوكب المشتري وزحل، فإن أورانوس عديم الميزات تمامًا تقريبًا كما يظهر في الأطوال الموجية التي تتراوح من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء (انظر صورتها المملة إلى حد ما في صورة الفصل). تشير الحسابات إلى أن البنية الجوية الأساسية لأورانوس يجب أن تشبه بنية كوكب المشتري وزحل، على الرغم من أن السحب العلوية (عند مستوى ضغط 1 بار) تتكون من الميثان بدلاً من الأمونيا. ومع ذلك، فإن عدم وجود مصدر حرارة داخلي يمنع الحركة صعودًا وهبوطًا ويؤدي إلى جو مستقر للغاية مع القليل من البنية المرئية.

يختلف نبتون عن أورانوس في مظهره، على الرغم من أن درجات الحرارة الأساسية في الغلاف الجوي متشابهة. وتتكون السحب العلوية من الميثان الذي يشكل طبقة سحابية رقيقة بالقرب من قمة التروبوسفير عند درجة حرارة 70 كلفن وضغط 1.5 بار. معظم الغلاف الجوي فوق هذا المستوى واضح وشفاف، مع ضباب أقل مما هو موجود في أورانوس. إن تشتت ضوء الشمس بواسطة جزيئات الغاز يضفي على نبتون لونًا أزرقًا شاحبًا مشابهًا للون الغلاف الجوي للأرض (الشكل\(\PageIndex{8}\)). وتوجد طبقة سحابية أخرى، ربما تتكون من جزيئات جليدية من كبريتيد الهيدروجين، تحت سحب الميثان عند ضغط 3 بارات.

على عكس أورانوس، يتمتع كوكب نبتون بجو تنبعث فيه تيارات الحمل الحراري - المسودات الرأسية للغاز - من الداخل، مدعومة بمصدر الحرارة الداخلي للكوكب. تحمل هذه التيارات غازًا دافئًا فوق مستوى السحابة البالغ 1.5 بار، وتشكل سحابًا إضافية على ارتفاعات تزيد عن 75 كيلومترًا تقريبًا. تشكل هذه السحب عالية الارتفاع أنماطًا بيضاء مشرقة مقابل الكوكب الأزرق تحتها. وصورت فويجر ظلال مميزة على قمم سحابة الميثان، مما سمح بحساب ارتفاعات السحب العالية. الشكل\(\PageIndex{9}\) عبارة عن لقطة مقرّبة رائعة لطبقات نبتون الخارجية التي لم يكن من الممكن الحصول عليها من الأرض.

الرياح والطقس

تحتوي الغلاف الجوي للكواكب الجوفانية على العديد من مناطق الضغط العالي (حيث يوجد المزيد من الهواء) والضغط المنخفض (حيث يوجد أقل). تمامًا كما هو الحال على الأرض، يتدفق الهواء بين هذه المناطق، مما يؤدي إلى إنشاء أنماط الرياح التي يتم تشويهها بعد ذلك بسبب دوران الكوكب. من خلال مراقبة أنماط السحب المتغيرة على كواكب جوفيان، يمكننا قياس سرعات الرياح وتتبع دوران الغلاف الجوي.

تختلف حركات الغلاف الجوي التي نراها على هذه الكواكب اختلافًا جوهريًا عن تلك الموجودة على الكواكب الأرضية. تدور العمالقة بشكل أسرع، ويميل دورانها السريع إلى الخروج من الدورة الدموية إلى أنماط أفقية (شرق-غرب) موازية لخط الاستواء. بالإضافة إلى ذلك، لا يوجد سطح صلب تحت الغلاف الجوي يمكن لأنماط الدوران أن تحك وتفقد الطاقة عليه (وهي الطريقة التي تموت بها العواصف الاستوائية على الأرض في النهاية عندما تأتي فوق الأرض).

كما رأينا، في جميع العمالقة باستثناء أورانوس، تساهم الحرارة من الداخل بنفس القدر من الطاقة في الغلاف الجوي مثل ضوء الشمس من الخارج. وهذا يعني أن التيارات الحرارية العميقة لارتفاع الهواء الساخن وهبوط الهواء البارد تدور في جميع أنحاء الغلاف الجوي للكواكب في الاتجاه الرأسي.

تتمثل السمات الرئيسية للسحب المرئية لكوكب المشتري (انظر الشكل\(11.1.1\) والشكل\(\PageIndex{3}\)، على سبيل المثال) في نطاقات داكنة وخفيفة متناوبة تمتد حول الكوكب بالتوازي مع خط الاستواء. هذه النطاقات هي ميزات شبه دائمة، على الرغم من أنها تتغير في الكثافة والموضع من سنة إلى أخرى. بما يتفق مع الميل الصغير لمحور المشتري، لا يتغير النمط مع الفصول.

والأمر الأكثر أهمية من هذه النطاقات هو أنماط الرياح الكامنة بين الشرق والغرب في الغلاف الجوي، والتي لا يبدو أنها تتغير على الإطلاق، حتى على مدى عقود عديدة. وهذه الأمور موضحة في الشكل\(\PageIndex{10}\) الذي يشير إلى مدى قوة الرياح عند كل خط عرض للكواكب العملاقة. عند خط استواء المشتري، يتدفق تيار نفاث شرقًا بسرعة حوالي 90 مترًا في الثانية (300 كيلومتر في الساعة)، على غرار سرعة التيارات النفاثة في الغلاف الجوي العلوي للأرض. وفي خطوط العرض العليا، توجد تيارات متناوبة تتحرك شرقًا وغربًا، حيث يمثل كل نصف كروي صورة مرآة مثالية تقريبًا للآخر. يُظهر زحل نمطًا مشابهًا، ولكن مع تيار نفاث استوائي أقوى بكثير، كما لاحظنا سابقًا.

مناطق الضوء على كوكب المشتري هي مناطق ارتفاع الهواء المغطاة بسحب سيروس الأمونيا البيضاء. يبدو أنها تمثل قمم التيارات الحرارية المتحركة لأعلى. ¹ الأحزمة الداكنة هي المناطق التي يتحرك فيها الغلاف الجوي الأكثر برودة إلى الأسفل، مما يكمل دورة الحمل الحراري؛ وهي أكثر ظلامًا لأن انخفاض سحب الأمونيا يعني أننا نستطيع الرؤية بعمق في الغلاف الجوي، وربما وصولاً إلى منطقة من سحب هيدروكبريتيد الأمونيوم (NH ₄ SH). أخذ مسبار غاليليو عينات من واحدة من أوضح عمليات السحب الجافة هذه.

على الرغم من المواسم الغريبة الناتجة عن ميل محورها بمقدار 98 درجة، فإن الدوران الأساسي لأورانوس يتوازى مع خط الاستواء، كما هو الحال في المشتري وزحل. إن كتلة الغلاف الجوي وقدرته على تخزين الحرارة كبيرة جدًا لدرجة أن فترات 42 عامًا المتناوبة من ضوء الشمس والظلام ليس لها تأثير يذكر. في الواقع، تُظهر قياسات Voyager أن درجة حرارة الغلاف الجوي أعلى ببضع درجات في الجانب الشتوي المظلم منها في نصف الكرة الأرضية المواجه للشمس. هذا مؤشر آخر على أن سلوك هذه الأجواء الكوكبية العملاقة مشكلة معقدة لا نفهمها تمامًا.

يتميز طقس نبتون برياح قوية بين الشرق والغرب تشبه عمومًا تلك التي لوحظت على كوكب المشتري وزحل. تصل أعلى سرعات الرياح بالقرب من خط الاستواء إلى 2100 كيلومتر في الساعة، حتى أعلى من ذروة الرياح على كوكب زحل. في الواقع، يقترب تيار نبتون الاستوائي النفاث من سرعات تفوق سرعة الصوت (أسرع من سرعة الصوت في هواء نبتون).

عواصف عملاقة على الكواكب العملاقة

يُضاف إلى أنماط دوران الغلاف الجوي العادية التي وصفناها للتو العديد من الاضطرابات المحلية - أنظمة الطقس أو العواصف، لاستعارة المصطلح الذي نستخدمه على الأرض. وأبرز هذه المناطق هي المناطق الكبيرة ذات الشكل البيضاوي والضغط العالي على كل من المشتري (الشكل\(\PageIndex{11}\)) ونبتون.

أكبر وأشهر عواصف المشتري هي البقعة الحمراء الكبرى، وهي بقعة بيضاوية حمراء في نصف الكرة الجنوبي تتغير ببطء؛ كان طولها 25000 كيلومتر عندما وصلت فوييجر في عام 1979، لكنها تقلصت إلى 20000 كيلومتر بحلول نهاية مهمة غاليليو في عام 2000 (الشكل\(\PageIndex{12}\)). استمرت العاصفة العملاقة في الغلاف الجوي لكوكب المشتري منذ أن تمكن علماء الفلك لأول مرة من مراقبتها بعد اختراع التلسكوب، قبل أكثر من 300 عام. ومع ذلك، فقد استمر في الانكماش، مما أثار تكهنات بأننا قد نشهد نهايته في غضون بضعة عقود.

بالإضافة إلى طول عمرها، تختلف البقعة الحمراء عن العواصف الأرضية في كونها منطقة عالية الضغط؛ على كوكبنا، تعتبر هذه العواصف مناطق ذات ضغط منخفض. تبلغ مدة دوران Red Spot عكس اتجاه عقارب الساعة ستة أيام. تشكلت ثلاثة اضطرابات متشابهة ولكن أصغر (بحجم الأرض تقريبًا) على كوكب المشتري في الثلاثينيات. تبدو مثل الأشكال البيضاوية البيضاء، ويمكن رؤية المرء بوضوح أدناه وعلى يمين البقعة الحمراء الكبرى في الشكل\(\PageIndex{12}\). في عام 1998، شاهدت مركبة غاليليو الفضائية تصادم اثنتين من هذه الأشكال البيضاوية واندمجت في واحدة.

لا نعرف ما الذي يسبب البقعة الحمراء العظيمة أو الأشكال البيضاوية البيضاء، ولكن لدينا فكرة عن كيفية استمرارها لفترة طويلة بمجرد تشكلها. على الأرض، عادة ما يكون عمر الإعصار أو الإعصار المحيطي الكبير بضعة أسابيع، أو حتى أقل عندما يتحرك فوق القارات ويواجه احتكاكًا مع الأرض. لا يحتوي المشتري على سطح صلب لإبطاء الاضطرابات الجوية؛ علاوة على ذلك، فإن الحجم الهائل للاضطرابات يضفي عليها الاستقرار. يمكننا حساب أنه على كوكب بدون سطح صلب، يجب قياس عمر أي شيء بحجم البقعة الحمراء بالقرون، بينما يجب قياس عمر الأشكال البيضاوية البيضاء بعقود، وهو ما لاحظناه تقريبًا.

على الرغم من صغر حجم كوكب نبتون واختلاف تركيبة السحاب، أظهر برنامج فويجر أنه يتمتع بميزة جوية مشابهة بشكل مدهش للبقعة الحمراء الكبرى لكوكب المشتري. كان طول بقعة نبتون المظلمة العظيمة حوالي 10000 كيلومتر (الشكل\(\PageIndex{8}\)). على كلا الكوكبين، تشكلت العواصف العملاقة عند خط عرض 20 درجة جنوبًا، وكان لها نفس الشكل، واستولت على نفس الجزء تقريبًا من قطر الكوكب. تم تدوير البقعة المظلمة الكبرى لمدة 17 يومًا، مقابل حوالي 6 أيام للبقعة الحمراء الكبرى. ومع ذلك، عندما فحص تلسكوب هابل الفضائي نبتون في منتصف التسعينيات، لم يتمكن علماء الفلك من العثور على أي أثر للبقعة المظلمة العظيمة على صورهم.

على الرغم من أن العديد من تفاصيل الطقس على كواكب جوفيان لم يتم فهمها بعد، فمن الواضح أنك إذا كنت من محبي الطقس الدرامي، فإن هذه العوالم هي المكان المناسب للبحث. نحن ندرس الميزات في هذه الأجواء ليس فقط لما يجب أن تعلمنا إياه عن الظروف في الكواكب الجوفيانية، ولكن أيضًا لأننا نأمل أن تساعدنا في فهم الطقس على الأرض بشكل أفضل قليلاً.

مثال\(\PageIndex{1}\)

يمكن أن تكون سرعات الرياح في أنظمة العواصف الدائرية هائلة على كل من الأرض والكواكب العملاقة. فكر في الأعاصير الأرضية الكبيرة. إذا شاهدت سلوكهم في صور الأقمار الصناعية المعروضة على منافذ الطقس، فسترى أنهم يحتاجون إلى يوم واحد تقريبًا للتدوير. إذا كان قطر العاصفة 400 كم وتدور مرة واحدة كل 24 ساعة، فما سرعة الرياح؟

الحل

السرعة تساوي المسافة مقسومًا على الوقت. المسافة في هذه الحالة هي المحيط (\(2 \pi R\)أو\(\pi d\))، أو حوالي 1250 كم، والوقت هو 24 ساعة، وبالتالي فإن السرعة عند حافة العاصفة ستكون حوالي 52 كم/ساعة، وفي اتجاه مركز العاصفة، يمكن أن تكون سرعات الرياح أعلى بكثير.

التمارين\(\PageIndex{1}\)

تدور البقعة الحمراء الكبرى لكوكب المشتري في مسافة 6 أمتار ويبلغ محيطها ما يعادل دائرة نصف قطرها 10,000 كم. احسب سرعة الرياح عند الحافة الخارجية للبقعة.

إجابة: بالنسبة للبقعة الحمراء الكبرى لكوكب المشتري، يبلغ محيطها (\(2 \pi R\)) حوالي 63,000 كم. تساوي ستة d 144 ساعة، مما يشير إلى سرعة تبلغ حوالي 436 كم/ساعة، وهي سرعة أسرع بكثير من سرعة الرياح على الأرض.

المفاهيم الأساسية والملخص

تحتوي الكواكب الأربعة العملاقة على أجواء متشابهة بشكل عام، وتتكون في الغالب من الهيدروجين والهيليوم. تحتوي أجوائها على كميات صغيرة من غاز الميثان والأمونيا، وكلاهما يتكثف أيضًا لتكوين السحب. تتكون طبقات السحب الأعمق (غير المرئية) من الماء وربما هيدروكبريتيد الأمونيوم (المشتري وزحل) وكبريتيد الهيدروجين (نبتون). في الغلاف الجوي العلوي، يتم إنتاج الهيدروكربونات والمركبات النادرة الأخرى بواسطة الكيمياء الضوئية. لا نعرف بالضبط ما الذي يسبب الألوان في غيوم المشتري. يهيمن الدوران بين الشرق والغرب على حركات الغلاف الجوي على الكواكب العملاقة. يعرض كوكب المشتري أكثر أنماط السحب نشاطًا، مع عرض نبتون ثانيًا. زحل لطيف بشكل عام، على الرغم من سرعات الرياح العالية للغاية، وأورانوس عديم الميزات (ربما بسبب افتقاره إلى مصدر حرارة داخلي). يمكن العثور على العواصف الكبيرة (أنظمة الضغط العالي ذات الشكل البيضاوي مثل النقطة الحمراء العظيمة على كوكب المشتري والبقعة المظلمة الكبرى على نبتون) في بعض أجواء الكوكب.

الحواشي

¹ تذكر من الفصول السابقة أن الحمل الحراري هو عملية تحتوي فيها السوائل، التي يتم تسخينها من الأسفل، على مناطق ترتفع فيها المواد الساخنة وتنزل المواد الباردة. يمكنك رؤية الحمل الحراري في العمل إذا قمت بتسخين دقيق الشوفان على موقد أو مشاهدة حساء ميسو يغلي.

مسرد المصطلحات

الكيمياء الضوئية: التغيرات الكيميائية الناجمة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي