12.3: تيتان وتريتون
- Page ID
- 197857
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- اشرح كيف يجعل الغلاف الجوي السميك لتيتان الأجسام السائلة على سطحه ممكنًا
- وصف ما تعلمناه من الهبوط على تيتان باستخدام مسبار Huygens
- ناقش الميزات التي لاحظناها على سطح Triton عندما حلقت Voyager 2
نحول انتباهنا الآن إلى العوالم الصغيرة في الأجزاء البعيدة من النظام الشمسي. تبين أن قمر زحل الكبير تيتان هو ابن عم غريب للأرض، مع العديد من أوجه التشابه على الرغم من درجات الحرارة الباردة. قدمت ملاحظات كاسيني لتيتان بعضًا من أكثر الاكتشافات الحديثة إثارة في علوم الكواكب. يتميز قمر نبتون تريتون أيضًا بخصائص غير عادية ويشبه بلوتو، والذي سنناقشه في القسم التالي.
تيتان، قمر ذو غلاف جوي وبحيرات هيدروكربونية
كان تيتان، الذي شاهده عالم الفلك الهولندي كريستيان هويغنز لأول مرة في عام 1655، أول قمر يتم اكتشافه بعد أن رأى غاليليو أقمار المشتري الأربعة الكبيرة. يمتلك تيتان تقريبًا نفس القطر والكتلة والكثافة مثل Callisto أو Ganymede. من المفترض أن لها أيضًا تركيبة مماثلة - حوالي نصف جليد ونصف صخرة. ومع ذلك، فإن تيتان فريد من نوعه بين الأقمار، حيث يتميز بغلاف جوي كثيف وبحيرات وأنهار وأمطار متساقطة (على الرغم من أنها لا تتكون من الماء ولكن من الهيدروكربونات مثل الإيثان والميثان، والتي يمكن أن تبقى سائلة في درجات الحرارة المتجمدة على تيتان).
حددت طائرة فوياجر عام 1980 التابعة لتيتان أن كثافة سطح غلافها الجوي أكبر بأربع مرات من كثافة سطح الأرض. يبلغ الضغط الجوي على هذا القمر 1.6 بار، وهو أعلى من أي قمر آخر، وبشكل ملحوظ، أعلى من ضغط الكواكب الأرضية المريخ والأرض. تتكون تركيبة الغلاف الجوي بشكل أساسي من النيتروجين، وهي طريقة مهمة يشبه بها الغلاف الجوي لتيتان الغلاف الجوي للأرض.
كما تم اكتشاف أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات (مركبات الهيدروجين والكربون) مثل الميثان (CH 4) والإيثان (C 2 H 6) والبروبان (C 3 H 8) ومركبات النيتروجين مثل سيانيد الهيدروجين (HCN) والسيانوجين (C) 2 (N 2) و السيانوأسيتيلين (HC 3 N). يشير وجودها إلى كيمياء نشطة يتفاعل فيها ضوء الشمس مع النيتروجين والميثان في الغلاف الجوي لإنشاء مزيج غني من الجزيئات العضوية. هناك أيضًا طبقات متعددة من الضباب الهيدروكربوني والسحب في الغلاف الجوي، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\).
حفزت اكتشافات Voyager هذه برنامج استكشاف أكثر طموحًا باستخدام مركبة كاسيني ساتورن المدارية التابعة لناسا ومسبار للهبوط على تيتان يسمى Huygens، الذي بنته وكالة الفضاء الأوروبية. قامت المركبة المدارية، التي تضمنت عدة كاميرات ومقاييس طيفية ونظام تصوير بالرادار، بإنتاج العشرات من رحلات الطيران القريبة من تيتان بين عامي 2004 و2015، أسفرت كل منها عن صور رادارية وصور بالأشعة تحت الحمراء لأجزاء من السطح (انظر القسم 11.1، استكشاف الكواكب الخارجية). نجح مسبار Huygens في الهبوط بالمظلة عبر الغلاف الجوي، حيث قام بتصوير السطح من تحت السحب، والهبوط في 14 يناير 2005. كانت هذه هي المركبة الفضائية الأولى (والوحيدة حتى الآن) التي تهبط على القمر في النظام الشمسي الخارجي.
في نهاية هبوطه بالمظلات، هبط مسبار Huygens الذي يبلغ وزنه 319 كيلوغرامًا بأمان، وانزلق لمسافة قصيرة، وبدأ في إرسال البيانات مرة أخرى إلى الأرض، بما في ذلك الصور والتحليلات للغلاف الجوي. يبدو أنها هبطت على سهل مسطح مليء بالصخور، لكن السطح والصخور تكونا من جليد مائي، وهو صلب مثل الصخور عند درجة حرارة تيتان (انظر الشكل\(\PageIndex{2}\)).
أظهرت الصور التي التقطت أثناء الهبوط مجموعة متنوعة من الميزات، بما في ذلك قنوات الصرف، مما يشير إلى أن Huygens قد هبطت على شاطئ بحيرة هيدروكربونية قديمة. كانت السماء برتقالية عميقة، وكان سطوع الشمس أقل بألف مرة من ضوء الشمس على الأرض (ولكن لا يزال أكثر سطوعًا بمائة مرة من تحت القمر الكامل على الأرض). كانت درجة حرارة سطح تيتان 94 كلفن (−179 درجة مئوية). قامت المركبة الفضائية الأكثر دفئًا بتسخين كمية كافية من الجليد حيث هبطت لأدواتها لقياس الغاز الهيدروكربوني المنبعث. استمرت القياسات على السطح لأكثر من ساعة قبل أن يستسلم المسبار لدرجة الحرارة المتجمدة.
أدى التصوير الراداري والأشعة تحت الحمراء لتيتان من المركبة المدارية كاسيني تدريجيًا إلى تكوين صورة لسطح نشط بشكل ملحوظ على هذا القمر، معقد وصغير جيولوجيًا (الشكل). توجد بحيرات كبيرة من الميثان بالقرب من المناطق القطبية تتفاعل مع الميثان في الغلاف الجوي، مثلما تتفاعل محيطات المياه في الأرض مع بخار الماء في غلافنا الجوي. يشير وجود العديد من ميزات التآكل إلى أن الميثان في الغلاف الجوي يمكن أن يتكثف ويسقط كمطر، ثم يتدفق إلى الوديان إلى البحيرات الكبيرة. وهكذا، يحتوي تيتان على ما يعادل درجة حرارة منخفضة لدورة الماء على الأرض، مع وجود سائل على السطح يتبخر، ويشكل السحب، ثم يتكثف ليسقط كمطر - ولكن على تيتان، يتكون السائل من مزيج من الميثان والإيثان وأثر من الهيدروكربونات الأخرى. إنه مشهد مألوف بشكل غريب ولكنه غريب تمامًا.
تثير هذه الاكتشافات مسألة ما إذا كان من الممكن أن تكون هناك حياة على تيتان. تعتبر الهيدروكربونات أساسية لتكوين جزيئات الكربون الكبيرة الضرورية للحياة على كوكبنا. ومع ذلك، فإن درجة الحرارة على تيتان منخفضة جدًا بالنسبة للمياه السائلة أو للعديد من العمليات الكيميائية الضرورية للحياة كما نعرفها. ومع ذلك، لا يزال هناك احتمال مثير للاهتمام بأن تيتان ربما تكون قد طورت شكلاً مختلفًا من الحياة القائمة على الكربون في درجات الحرارة المنخفضة والتي يمكن أن تعمل مع الهيدروكربونات السائلة التي تلعب دور الماء. قد يكون اكتشاف مثل هذه «الحياة التي لا نعرفها» أكثر إثارة من العثور على حياة مثل حياتنا على المريخ. إذا كانت مثل هذه الحياة الغريبة الحقيقية موجودة على تيتان، فإن وجودها سيوسع بشكل كبير فهمنا لطبيعة الحياة والبيئات الصالحة للسكن.
قام علماء بعثة كاسيني وأخصائيو العروض المرئية في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا بتجميع بعض الأفلام الرائعة من الصور التي التقطتها كاسيني وهيجنز. انظر، على سبيل المثال، نهج تيتان وجسر منطقة البحيرات الشمالية.
تريتون وبراكينها
يبلغ قطر أكبر قمر نبتون تريتون (لا تخلط بين اسمه وتيتان) 2720 كيلومترًا وكثافته 2.1 جم/سم 3، مما يشير إلى أنه ربما يتكون من حوالي 75٪ من الصخور الممزوجة بـ 25٪ من الجليد المائي. تشير القياسات إلى أن سطح Triton يحتوي على أبرد درجة حرارة من أي من العوالم التي زارها ممثلو الروبوتات لدينا. نظرًا لأن انعكاسها مرتفع جدًا (حوالي 80٪)، يعكس Triton معظم الطاقة الشمسية التي تسقط عليه، مما يؤدي إلى درجة حرارة سطح تتراوح بين 35 و 40 K.
تتكون المادة السطحية لـ Triton من الماء المجمد والنيتروجين والميثان وأول أكسيد الكربون. يوجد الميثان والنيتروجين كغاز في معظم النظام الشمسي، ولكن يتم تجميدهما في درجات حرارة تريتون. تستمر كمية صغيرة فقط من بخار النيتروجين في تكوين الغلاف الجوي. على الرغم من أن الضغط السطحي لهذا الغلاف الجوي لا يتجاوز 16 مليون جزء من البار، إلا أن هذا يكفي لدعم طبقات الضباب الرقيقة أو السحب.
يكشف سطح تريتون، مثل العديد من الأقمار الأخرى في النظام الشمسي الخارجي، عن تاريخ طويل من التطور الجيولوجي (الشكل\(\PageIndex{4}\)). على الرغم من العثور على بعض الحفر الصدمية، فقد غمرت النسخة المحلية من «الحمم البركانية» مؤخرًا العديد من المناطق (ربما الماء أو مخاليط الماء والأمونيا). هناك أيضًا مناطق غامضة من التضاريس المختلطة أو الجبلية.
حدثت رحلة فوياجر من تريتون في وقت كان فيه القطب الجنوبي للقمر يميل نحو الشمس، مما سمح لهذا الجزء من السطح بالاستمتاع بفترة من الدفء النسبي. (تذكر أن «الدفء» على تريتون لا يزال أكثر برودة من أي شيء نختبره على الأرض.) يغطي الغطاء القطبي معظم نصف الكرة الجنوبي لتريتون، ويبدو أنه يتبخر على طول الحافة الشمالية. قد يتكون هذا الغطاء القطبي من النيتروجين المجمد الذي تم ترسيبه خلال الشتاء السابق.
ومن اللافت للنظر أن صور فويجر أظهرت أن تبخر الغطاء القطبي لتريتون يولد السخانات أو الأعمدة البركانية لغاز النيتروجين (انظر الشكل\(\PageIndex{5}\)). (ارتفع ارتفاع نوافير هذا الغاز بحوالي 10 كيلومترات، ويمكن رؤيتها في الغلاف الجوي الرقيق لأن الغبار من السطح ارتفع معها وألونها باللون الداكن.) تختلف هذه الأعمدة عن الأعمدة البركانية لـ Io في تركيبتها وأيضًا في أنها تستمد طاقتها من ضوء الشمس الذي يسخن السطح بدلاً من الحرارة الداخلية.
المفاهيم الأساسية والملخص
يحتوي قمر زحل تيتان على غلاف جوي أكثر سمكًا من غلاف الأرض. هناك بحيرات وأنهار من الهيدروكربونات السائلة، وأدلة على دورة التبخر والتكثيف والعودة إلى السطح الذي يشبه دورة الماء على الأرض (ولكن مع الميثان السائل والإيثان). انطلق المسبار كاسيني-هويغنز على تيتان وأظهر مشهدًا بصخور مصنوعة من الجليد المائي متجمدة أكثر من الصخور. يتميز قمر تريتون البارد لنبتون بغلاف جوي رقيق للغاية وسخانات غاز النيتروجين.