11.1: Kuchunguza Sayari za Nje
- Page ID
- 176224
Malengo ya kujifunza
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Kutoa maelezo ya jumla ya muundo wa sayari kubwa
- Mambo ya nyakati ya utafutaji wa roboti wa mfumo wa jua wa nje
- Muhtasari ujumbe alimtuma obiti makubwa gesi
Sayari kubwa zinashikilia zaidi ya wingi katika mfumo wetu wa sayari. Jupiter peke yake huzidi wingi wa sayari nyingine zote pamoja (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Vifaa vinavyopatikana kujenga sayari hizi vinaweza kugawanywa katika madarasa matatu na yale yanayotengenezwa na: “gesi,” “ices,” na “miamba” (tazama Jedwali\(\PageIndex{1}\)). “Gesi” kimsingi ni hidrojeni na heliamu, elementi nyingi zaidi ulimwenguni. Njia inayotumiwa hapa, neno “ices” linamaanisha muundo tu na si kama dutu ni kweli katika hali imara. “Ices” inamaanisha misombo ambayo huunda kutoka kwa vipengele vingi zaidi: oksijeni, kaboni, na nitrojeni. Ices ya kawaida ni maji, methane, na amonia, lakini ices pia inaweza kujumuisha monoksidi kaboni, dioksidi kaboni, na mengine. “Miamba” ni hata kidogo kuliko ices, na ni pamoja na kila kitu kingine: magnesiamu, silicon, chuma, na kadhalika.
| Aina ya Nyenzo | Jina | Takriban% (kwa Misa) |
|---|---|---|
| Gesi | Hidrojeni (H 2) | 75 |
| Gesi | Heliamu (Yeye) | 24 |
| Ice | Maji (H 2 O) | 0.6 |
| Ice | Methane (CH 4) | 0.4 |
| Ice | Amonia (NH 3) | 0.1 |
| Mwamba | Magnésiamu (Mg), chuma (Fe), silicon (Si) | 0.3 |
Katika mfumo wa jua wa nje, gesi hutawala sayari mbili kubwa zaidi, Jupiter na Saturn, kwa hiyo jina lao la utani “gesi kubwa.” Uranus na Neptune huitwa “giants barafu” kwa sababu mambo yao ya ndani yana sehemu zaidi ya “barafu” kuliko binamu zao kubwa. Kemia kwa anga zote nne kubwa za sayari inaongozwa na hidrojeni. Hidrojeni hii ilisababisha kemia ya mfumo wa jua wa nje kuwa kupunguzwa, maana yake ni kwamba elementi nyingine huwa na kuchanganya na hidrojeni kwanza. Katika mfumo wa jua mapema, oksijeni nyingi ziliunganishwa na hidrojeni ili kufanya H 2 O na hivyo haipatikani kutengeneza aina za misombo iliyooksidishwa na elementi nyingine ambazo zinajulikana zaidi kwetu katika mfumo wa jua wa ndani (kama vile CO 2). Matokeo yake, misombo inayogunduliwa katika angahewa ya sayari kubwa ni zaidi gesi zenye makao ya hidrojeni kama vile methane (CH 4) na amonia (NH 3), au hidrokaboni tata zaidi (mchanganyiko wa hidrojeni na kaboni) kama vile ethane (C 2 H 6) na asetilini (C 2 H 2).
Utafutaji wa mfumo wa jua wa nje hadi sasa
Nane spacecraft, saba kutoka Marekani na moja kutoka Ulaya, wameingia zaidi ya ukanda wa asteroid katika eneo la giants. Jedwali\(\PageIndex{2}\) muhtasari misioni spacecraft kwa mfumo wa jua nje.
| Sayari | spacecraft 1 | Tarehe ya kukutana | Aina |
|---|---|---|---|
| Jupiter | Pioneer 10 | Desemba 1973 | Flyby |
| Pioneer 11 | Desemba 1974 | Flyby | |
| voyager 1 | Machi 1979 | Flyby | |
| voyager 2 | Julai 1979 | Flyby | |
| Ulysses | Februari 1992 | Flyby wakati wa mvuto kusaidia | |
| Galileo | Desemba 1995 | Orbiter na probe | |
| Cassini | Desemba 2002 | Flyby | |
| Horizons Mpya | Februari 2007 | Flyby wakati wa mvuto kusaidia | |
| Juno | Julai 2016 | Orbiter | |
| Saturn | Pioneer 11 | Septemba 1979 | Flyby |
| voyager 1 | Novemba 1980 | Flyby | |
| voyager 2 | Agosti 1981 | Flyby | |
| Cassini | Julai 2004 (Saturn obiti sindano 2000) | Orbiter | |
| Uranus | voyager 2 | Januari 1986 | Flyby |
| Neptune | voyager 2 | Agosti 1989 | Flyby |
Changamoto za kuchunguza hadi mbali na Dunia ni kubwa. Nyakati za ndege kwa sayari kubwa hupimwa kwa miaka hadi miongo kadhaa, badala ya miezi inayotakiwa kufikia Venus au Mars. Hata kwa kasi ya nuru, ujumbe huchukua masaa kupita kati ya Dunia na spacecraft. Ikiwa tatizo linaendelea karibu na Saturn, kwa mfano, kusubiri masaa kwa kengele kufikia Dunia na kwa maelekezo ya kupelekwa nyuma kwenye spacecraft inaweza Spell maafa. Spacecraft kwa mfumo wa jua nje lazima kwa hiyo kuwa yenye kuaminika na uwezo wa kiwango kikubwa cha uhuru na uhuru. Misheni ya mfumo wa jua ya nje pia lazima kubeba vyanzo vyao vya nguvu kwa vile Jua liko mbali mno ili kutoa nishati ya kutosha. Hita zinahitajika kuweka vyombo katika joto sahihi uendeshaji, na spacecraft lazima kuwa na transmita redio nguvu ya kutosha kutuma data zao kwa wapokeaji katika dunia ya mbali.
spacecraft kwanza kuchunguza mikoa iliyopita Mars walikuwa NASA Pioneers 10 na 11, ilizinduliwa mwaka 1972 na 1973 kama pathfinders kwa Jupiter. Moja ya malengo yao makuu ilikuwa tu kuamua kama spacecraft inaweza kweli navigate kupitia ukanda wa asteroids ambayo iko zaidi ya Mars bila kupata kuharibiwa na migongano na vumbi asteroidal. Lengo lingine lilikuwa kupima hatari za mionzi katika magnetosphere (au eneo la ushawishi wa magnetic) wa Jupiter. Wote spacecraft kupita kwa njia ya ukanda asteroid bila tukio, lakini chembe juhudi katika uwanja wa magnetic Jupiter karibu kufuta umeme wao, kutoa taarifa muhimu kwa ajili ya kubuni salama ya misioni baadae.
Pioneer 10 ilipita Jupiter mwaka 1973, baada ya hapo ikaenda nje kuelekea mipaka ya mfumo wa jua. Pioneer 11 ilichukua mpango kabambe zaidi, kwa kutumia mvuto wa Jupiter kwa lengo la Saturn, ambayo ilifikia mwaka 1979. Pacha Voyager spacecraft ilizindua wimbi linalofuata la utafutaji wa sayari Wafanyabiashara 1 na 2 kila mmoja walifanya vyombo 11 vya kisayansi, ikiwa ni pamoja na kamera na spectrometers, pamoja na vifaa vya kupima sifa za magnetospheres ya sayari. Kwa kuwa waliendelea kwenda nje baada ya kukutana kwao kwa sayari, hizi sasa ni chombo cha angani cha mbali zaidi kilichowahi kuzinduliwa na ubinadamu.
Voyager 1 ilifikia Jupiter mwaka 1979 na alitumia msaada wa mvuto kutoka sayari hiyo kuipeleka hadi Saturn mwaka 1980. Voyager 2 alifika Jupiter miezi minne baadaye, lakini kisha ikafuata njia tofauti ya kutembelea sayari zote za nje, ikifikia Saturn mwaka 1981, Uranus mwaka 1986, na Neptune mwaka 1989. Trajectory hii iliwezekana kwa usawa wa takriban wa sayari nne kubwa upande mmoja wa Jua. Karibu mara moja kila baada ya miaka 175, sayari hizi ziko katika nafasi hiyo, na inaruhusu chombo kimoja cha angani kuzitembelea zote kwa kutumia flybys zinazosaidiwa na mvuto ili kurekebisha kozi kwa kila kukutana baadae; ujanja huo umeitwa jina la “Grand Tour” na wanaastronomia.
Maabara ya Jet Propulsion ina video nzuri iitwayo Voyager: The Grand Tour inayoelezea utume wa Voyager na kile kilichokipata.
UHANDISI NA SAYANSI YA NAFASI: KUFUNDISHA SPACECRAFT ZAMANI TRICKS MPYA
Kwa wakati Voyager 2 aliwasili Neptune mwaka 1989, miaka 12 baada ya uzinduzi wake, spacecraft ilianza kuonyesha ishara za uzee. Mkono ambao kamera na vyombo vingine vilikuwepo ilikuwa “arthritic”: haikuweza tena kusonga kwa urahisi pande zote. Mfumo wa mawasiliano ulikuwa “mgumu wa kusikia”: sehemu ya mpokeaji wake wa redio iliacha kufanya kazi. “Ubongo” ulikuwa na “kupoteza kumbukumbu” muhimu: baadhi ya kumbukumbu ya kompyuta iliyokuwa imeshindwa. Na spacecraft nzima ilianza kukimbia nje ya nishati: jenereta zake zilianza kuonyesha ishara kubwa za kuvaa.
Ili kufanya mambo hata zaidi ya changamoto, utume wa Voyager huko Neptune ulikuwa kwa njia nyingi ngumu zaidi ya flybys zote nne. Kwa mfano, tangu jua katika Neptune ni mara 900 dhaifu kuliko duniani, kamera ya onboard ilipaswa kuchukua muda mrefu zaidi katika mazingira haya yenye njaa. Hii ilikuwa mahitaji yasiyo ya kawaida, kutokana na kwamba spacecraft ilikuwa hurtling na Neptune mara kumi kasi ya risasi bunduki.
Suluhisho lilikuwa kuzunguka kamera nyuma kwa kiwango cha hasa ambacho kingeweza kulipa fidia kwa mwendo wa mbele wa spacecraft. Wahandisi walipaswa kuandaa kompyuta ya meli ili kutekeleza mfululizo wa ujanja wa ajabu kwa kila picha. Picha nzuri za Voyager za Neptune ni ushahidi wa ujuzi wa wahandisi wa spacecraft.
Umbali kabisa wa hila kutoka kwa watawala wake duniani ulikuwa changamoto nyingine. Voyager 2 kupokea maelekezo na kurejea data yake kupitia on-bodi redio transmitter. Umbali kutoka Dunia hadi Neptune ni kilomita bilioni 4.8. Zaidi ya umbali huu mkubwa, nguvu iliyotufikia kutoka Voyager 2 huko Neptune ilikuwa takriban watts 10—16, au mara bilioni 20 chini ya nguvu kuliko inachukua kufanya kazi ya digital. Antena thelathini na nane tofauti katika mabara manne zilitumiwa na NASA kukusanya ishara za kukata tamaa kutoka kwenye chombo cha angani na kufafanua maelezo ya thamani kuhusu Neptune ambayo yaliyomo.
Ingiza Orbiters: Galileo na Cassini, na Juno
Misheni ya Pioneer na Voyager walikuwa flybys ya sayari kubwa: kila mmoja alitoa tu inaonekana haraka kabla ya spacecraft spacecraft kuendelea. Kwa masomo ya kina zaidi ya ulimwengu huu, tunahitaji spacecraft ambayo inaweza kwenda katika obiti kuzunguka sayari. Kwa Jupiter na Saturn, orbiters hizi walikuwa Galileo na Cassini spacecraft, kwa mtiririko huo. Hadi sasa, hakuna misioni ya orbiter imeanzishwa kwa Uranus na Neptune, ingawa wanasayansi wa sayari wameonyesha maslahi makubwa.
Chombo cha angani cha Galileo kilizinduliwa kuelekea Jupiter mwaka 1989 na kufika mwaka 1995. Galileo alianza uchunguzi wake kwa kupeleka uchunguzi wa kuingia ndani ya Jupiter, kwa ajili ya masomo ya kwanza ya moja kwa moja ya tabaka za anga za nje za sayari.
Probe ilitumbukia katika angle isiyojulikana katika anga ya Jupiter, ikisafiri kwa kasi ya kilomita 50 kwa sekunde —hiyo ni haraka ya kutosha kuruka kutoka New York kwenda San Francisco katika sekunde 100! Hii ilikuwa kasi ya juu kabisa ambayo swala lolote limeingia hadi sasa katika anga ya sayari, na likaweka madai makubwa juu ya ngao ya joto ikilinda. Kasi kubwa ya kuingia ilikuwa matokeo ya kuongeza kasi kwa mvuto mkubwa wa mvuto wa Jupiter.
Msuguano wa anga ulipunguza kasi ya uchunguzi ndani ya dakika 2, na kuzalisha joto mbele ya ngao yake ya joto hadi juu kama 15,000 °C Kama kasi ya probe imeshuka hadi kilomita 2500 kwa saa, mabaki ya ngao ya joto inang'aa yalitupwa, na parachute ilitumika ili kupunguza probe ya instrumented spacecraft upole zaidi katika anga (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Takwimu kutoka vyombo vya uchunguzi zilipelekwa Dunia kupitia chombo kikuu cha angani cha Galileo.
Probe iliendelea kufanya kazi kwa saa moja, ikishuka kilomita 200 katika angahewa. Dakika chache baadaye parachute ya polyester iliyeyuka, na ndani ya masaa machache alumini kuu na muundo wa titani wa probe ulivukizwa kuwa sehemu ya Jupiter yenyewe. Karibu saa 2 baada ya kupokea data ya mwisho ya uchunguzi, chombo cha angani kikuu kilifukuza makombora yake ya retro ili iweze kukamatwa katika obiti kuzunguka sayari, ambapo malengo yake ya msingi yalikuwa kujifunza miezi mikubwa ya Jupiter na ya kushangaza mara nyingi.
Ujumbe wa Cassini kwa Saturn (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)), ubia wa ushirika kati ya NASA na Shirika la Anga la Ulaya, lilikuwa sawa na Galileo katika njia yake ya mara mbili. Ilizinduliwa mwaka wa 1997, Cassini aliwasili mwaka 2004 na akaenda kwenye obiti karibu na Saturn, akianza masomo ya kina ya pete zake na miezi, pamoja na sayari yenyewe. Mnamo Januari 2005, Cassini alitumia uchunguzi wa kuingia katika anga ya mwezi mkubwa wa Saturn, Titan, ambako ulifanikiwa kutua juu ya uso. (Tutajadili uchunguzi na kile kilichopatikana katika sura ya pete, Miezi, na Pluto.)
Ujumbe wa Voyager na Galileo kwenda Jupiter uliundwa kimsingi ili kujifunza miezi na anga ya sayari. Ujumbe uliofuata wa NASA, orbiter aitwaye Juno, ulifika Jupiter mwezi Julai 2016. Ili kufikia malengo yake ya kujifunza magnetosphere ya jovia, ina mviringo sana (eccentric) mzunguko wa siku 55, ambayo inachukua kutoka kilomita 4,000 juu ya vilele vya wingu hadi kilomita 76,000. Obiti inachukua hila juu ya miti ya Jupiter, inatupa karibu sana ya mikoa ya polar (spacecraft ya awali iliangalia sayari kutoka latitudo ya chini).
Juno awali iliundwa bila kamera, lakini kwa bahati nzuri wanasayansi walirekebisha upungufu huu, na kuongeza kamera rahisi ya rangi inayoonekana chini ya kutumia wakati wa kupita karibu na Jupiter. Kutambua thamani ya picha hizo, za kisayansi na za kisanii, iliamua kuchapisha picha za ghafi na kuhamasisha “wanasayansi wa raia” kuwatayarisha. Bidhaa hiyo imekuwa maoni mengi ya ajabu, yenye rangi nyekundu ya Jupiter, kama vile Kielelezo\(\PageIndex{2}\).
Dhana muhimu na Muhtasari
Mfumo wa jua wa nje una sayari nne kubwa: Jupiter, Saturn, Uranus, na Neptune. Wakubwa wa gesi Jupiter na Saturn wana nyimbo za jumla zinazofanana na ile ya Jua. Sayari hizi zimechunguzwa na chombo cha angani cha Pioneer, Voyager, Galileo, na Cassini. Voyager 2, labda mafanikio zaidi ya misioni yote ya sayansi ya nafasi, alichunguza Jupiter (1979), Saturn (1981), Uranus (1986), na Neptune (1989) -ziara kubwa ya sayari kubwa-na flybys hizi zimekuwa uchunguzi pekee hadi sasa wa vikuu vya barafu Uranus na Neptune. Misioni ya Galileo na Cassini walikuwa waendeshaji wa muda mrefu, na kila mmoja pia uliotumika uchunguzi wa kuingia, moja ndani ya Jupiter na moja katika mwezi wa Saturn Titan.
maelezo ya chini
1 Wote Ulysses na New Horizons spacecraft (iliyoundwa kujifunza Sun na Pluto, kwa mtiririko huo) akaruka nyuma Jupiter kwa kuongeza mvuto (kupata nishati kwa “kuiba” kidogo kutoka mzunguko mkubwa wa sayari).