מחקרים בהובלתם והשתתפותם של מדענים ממכון ויצמן למדע חושפים מידע חדש על מבנה האטמוספרה של כוכב הלכת הענקי, ועל עומקו של הכתם האדום הגדול
צדק הוא כוכב הלכת הגדול ביותר במערכת השמש שלנו. בשנים האחרונות הוא עומד במוקד של מחקרים רבים, בעיקר על בסיס ממצאים של החללית האמריקאית ג'ונו, המקיפה אותו מאז 2016. שורת מחקרים המתפרסמת כעת מגלה שפע של מידע חדש על האטמוספרה של ענק הגזים, וגם מוצאת קשר מפתיע למבנה האטמוספרה של כוכב הלכת הסלעי והקטן שלנו.
מידע חדש רב על האטמוספרה של כוכב הלכת הענקי. החללית ג'ונו במסלול סביב צדק | איור: NASA
מה שיותר אדום – יותר עמוק
הכתם האדום הגדול על צדק הוא אחד מסימני ההיכר הבולטים של כוכב הלכת. בפועל, מה שנראה כמו עין אדומה בין קווי העננים הצבעוניים אינו אלא סופת ציקלון ענקית, או ליתר דיוק אנטי-ציקלון מבחינת כיוון הסיבוב שלה. כמה ענקית? קוטרה של הסופה כ-16 אלף קילומטרים, כלומר יותר מקוטרו של כדור הארץ כולו. מהירות הרוחות שלה נאמדת ב-100 מטר לשנייה (360 קמ"ש), הרבה יותר מאשר סופת הוריקן בדרגה 5 על כדור הארץ. הסופה האדומה על צדק משתוללת כבר מאות שנים, ואולי הרבה יותר. היא מתועדת כנראה כבר בציורים של האסטרונום האיטלקי ג'ובני קסיני (Cassini) מ-1665, ותצפיות ודאיות יותר מאמתות את קיומה הרציף במאתיים השנים האחרונות.
השאלה ממתי קיימת הסופה היא רק אחת משורה ארוכה של שאלות בנוגע אליה שהמדענים עדיין לא הצליחו להשיב עליהן. בין השאר עדיין אין הסבר לצבע האדום של הסופה, לא ברור מדוע צורתה משתנה עם הזמן מפחוסה למעגלית יותר, ולא ידוע מה עומקה של הסערה בתוך האטמוספרה הדינמית של צדק, שמגיעה עד כ-3,000 קילומטר מתחת לשכבת העננים הנראית. מחקר חדש בהובלת חוקר ישראלי עונה לפחות על השאלה האחרונה, ומצביע על כך שעומקה של הסופה הוא כ-500 קילומטר.
סערה שמשתוללת כבר לפחות 350 שנה? הכתם האדום הגדול כפי שתועד – ככל הנראה – ברישומיו של האסטרונום ג'ובני קסיני מ-1665 | מקור: phys.org
צוות החוקרים, בראשות פרופ' יוחאי כספי מהמחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת במכון ויצמן למדע, ומדען הסגל ד"ר אלי גלנטי, השתמש לצורך החישוב במשדר רדיו של החללית ג'ונו (Juno), החוקרת בשנים האחרונות את צפונותיו של כוכב הלכת הענקי. "המשדר מאפשר לנו למדוד את עוצמת הכבידה במקום מסוים בצדק", הסביר כספי לאתר מכון דוידסון. "הוא משדר אות לכדור הארץ, ואנטנות ברשת החלל העמוק של נאס"א קולטות את האותות ומאפשרות לנו לחשב בדיוק רב, בעזרת אפקט דופלר, שינויים זעירים במהירותה של החללית, המושפעים משדה הכבידה שהיא עוברת בו. המדידה רגישה מספיק כדי להבחין בשינויים של פחות ממילימטר לשנייה, כשהחללית מקיפה את צדק במהירות עצומה.
מרציה פריזי (Parisi), חוקרת במעבדת ההנעה הסילונית של נאס"א (JPL), הייתה לפני כמה שנים בהשתלמות פוסט דוקטורט אצל כספי, ובמסגרתה חישבה את שינויי המהירות שיהיה אפשר למדוד ביעפים של החללית מעל הכתם האדום הגדול. ככל ששינוי המהירות גדול יותר, כך נדע שהמסה באזור גדולה יותר, ומכיוון שגודלה וצפיפותה של הסערה ידועה, אפשר לחשב לפי המסה המשוערת את עומקה.
החללית ג'ונו מקיפה את צדק במסלול אליפטי מאוד, וחולפת סמוך אליו כל חודש וחצי בערך. בשני יעפים כאלה, בפברואר וביולי 2019, הופעל המשדר כשהחללית חלפה קרוב יחסית לכתם האדום הגדול (במעבר הקרוב ביותר היא הייתה במרחק של כ-10,000 קילומטר ממנו). המדידות העלו כי החללית אכן האיצה סמוך לכתם, מה שמעיד על מסה גדולה. שיעור ההאצה איפשר לחוקרי המכון ולעמיתיהם לחשב על פי המודל של פריזי את המסה המשוערת של הכתם האדום, ולהגיע למסקנה שעומקו כ-500 קילומטר.
"זה ממצא מפתיע, כי הוא מראה שהסערה די שטחית יחסית לעומק האטמוספרה", אמר כספי. "עם זאת, חשוב לזכור שזהו אומדן כללי, משום שאנו לא יודעים את הצורה המדויקת של הסופה בתוך האטמוספרה, לכן לא יכולים לדעת את העומק המדויק שלה. אנו גם עדיין לא יודעים מה מניע את הסופה הזאת ומספק לה את האנרגיה. עם זאת המחקר הזה מאפשר לנו לשלול חלק מההשערות. למשל נשללת כעת האפשרות שהסופה, כמו זרמי הסילון על צדק, ממשיכה עד לעומק שבו השדה המגנטי בולם אותה, וגם האפשרות שהאנרגיה שלה מגיעה ממקור חום משכבות פנימיות של כוכב הלכת נראית כעת מאד לא סבירה".
קוטרה של הסערה גדול יותר מזה של כדור הארץ, אבל כעת מתברר שהיא שטחית יחסית. הכתם האדום הגדול בתמונות שצילמה החללית ג'ונו | מקור: NASA
סערות קטנות חודרות עמוק
במאמר נוסף שפורסם ב-Science שגם בו שותפים כספי וגלנטי, בחנו החוקרים את הרכב האטמוספרה, סערות ציקלון נוספות וגם את הכתם האדום, בעזרת גלאי גלי המיקרו של החללית ג'ונו. המכשיר משדר גלים בשישה אורכי גל, וקולט את ההחזרים שלהם. מכיוון שכל אורך גל רגיש לטמפרטורות מעט שונות, הנמצאות בעומק שונה של האטמוספרה, הוא מאפשר לקבל מעין תמונת חתכים של הרכב האטמוספרה בעומק שונה, ובעיקר של צפיפות גז האמוניה בתוכה, שהוא החומר המחזיר את גלי המיקרו ביעילות הגבוהה ביותר.
"גילינו שגם סערות ציקלוניות קטנות יחסית על צדק חודרות לעומק של עשרות קילומטרים לתוך האטמוספרה", אומר גלנטי, "באותו מכשיר השתמשנו גם למדידת עומקו של הכתם האדום הגדול, וגילינו כי הצפיפות הגבוהה האופיינית לסערה נמצאת בכל שש השכבות שנבדקו, מה שמאשר שעומקה של הסערה לפחות 200 קילומטרים בתוך האטמוספרה, ועולה בקנה אחד עם הממצאים במחקר הראשון".
כל "עין" באטמוספרה של צדק היא סופת ציקלון ענקית, וחלקן מגיעות לעמוק עשרות קילומטרים בתוך האטמוספרה. תקריב של צדק מתמונות שצילמה החללית ג'ונו | מקור: NASA
התאים האטמוספריים
תגלית מפתיעה אחרת של כספי ועמיתיו מגלה כי האטמוספרה של צדק דומה לזו של כדור הארץ יותר ממה שחשבו עד כה, לפחות בהיבט מסוים, ומורכבת מתאי הסעה דומים עקרונית לאלה שמושלים בחגורות הרוחות בכוכב הלכת שלנו.
על פי המודל המקובל, בכל חצי של כדור הארץ, הצפוני והדרומי, יש שלושה תאים שבהם יש זרימה מחזורית של אוויר. בקו המשווה האוויר מתחמם ועולה למעלה, האוויר החם נע צפונה או דרומה, מתקרר בהדרגה, שוקע בסביבות קו הרוחב 30 בעקבות סיבוב כדור הארץ, חוזר דרומה או צפונה בגובה נמוך יותר, עד שהוא מתחמם שוב קרוב לקו המשווה, וחוזר חלילה. תא ההסעה הזה מכונה "תא האדלי" (Hadley cell), על שם המטאורולוג האנגלי (החובב!) ג'ורג' האדלי (1768-1685). תופעה דומה מתרחשת סמוך לקטבים, שם האוויר הקר נע דרומה או צפונה, מתחמם בהדרגה, ובסביבות קו הרוחב 60 עולה מספיק כדי לחזור לכיוון הקוטב. התאים האלה קיבלו את השם המקורי "תאי קוטב" (Polar cells).
בין תאי האדלי לתאי הקוטב, כלומר בין קו הרוחב 30 לקו הרוחב 60, יש מערכת שנקראת "תאי פרל" (Ferrel cells), על שם המטאורולוג האמריקאי ויליאם פרל (1891-1817), שפיתח את התיאוריה על זרימת האוויר באזורים אלה. בשונה מתאי האדלי ותאי הקוטב, שם זרימת האוויר מושפעת בעיקר מהטמפרטורה, בתאי פרל הזרימה מושפעת משבירה של גלי אוויר (המכונים גלי רוסבי) באטמוספרה בקווי הרוחב האלה. התופעה הזאת גורמת לכך שהאוויר בתאים האלה נע לכיוון קו המשווה בגובה רב, ולכיוון הקטבים בגובה נמוך יותר. בשילוב עם סיבוב כדור הארץ היא מניעה את מערכת הרוחות הנושבות מזרחה בקווי הרוחב האלה, הידועות כזרמי הסילון.
שניים מתלמידי המחקר של כספי, קרן דואר ונמרוד גבריאל, השתמשו בנתונים מגלאי גלי המיקרו של החללית ג'ונו כדי לנסות לנתח את זרמי האוויר באטמוספרה של צדק. המדידות של ריכוזי האמוניה בעומקים שונים של שכבת האטמוספרה העליונה מאפשרות להשתמש בכלי הזה לניתוח זרימת האוויר בתוך השכבה, ולהצליב אותה עם מהירות הרוח בכל קו רוחב, כפי שנמדדה וחושבה במחקרים קודמים. "בכל תא יש תנועה של גזים כלפי מעלה בקו רוחב מסוים, ושקיעה שלהם למטה בקו רוחב אחר", מסבירה דואר. "כשהגזים עולים הם מביאים ריכוז גבוה של אמוניה ממעמקי האטמוספרה".
תנועת האוויר המחזורית בתאי ההסעה של צדק מזכירה מאוד את המנגנון של תאי פרל בכדור הארץ | איור: מעבדת יוחאי כספי, מכון ויצמן למדע
נמרוד גבריאל מוסיף: "גילינו שבכל חצי כדור של צדק, יש עד קו הרוחב 60 מעלות שמונה תאים של תנועת רוח, שהמנגנון שלהם מזכיר מאוד את תאי פרל. עומקם של התאים הוא לפחות 350 קילומטר, אך בשל מגבלות המדידה איננו יודעים לפי שעה לאיזה עומק בתוך האטמוספרה הם מגיעים". הממצאים מתפרסמים במאמר בכתב העת Geophysics Research Letters.
צדק, המורכב רק מגז, לפחות בשכבות החיצוניות, הוא מעבדה אידיאלית לחקר אטמוספרה, בלי ימים ובעיקר בלי יבשות המשפיעות גם הן על תנועות הרוחות ומסבכות אותה. "בעבר דובר בספרות המדעית על האפשרות שיש תאים כאלה באטמוספרה של צדק, והמחקר שלנו מראה בפעם הראשונה שאכן יש שם תאים כאלה, ושכדור הארץ הוא ממש לא מקרה פרטי", מדגיש כספי.
הבנה טובה יותר של צדק. למעלה משמאל: יוחאי כספי, אלי גלנטי ונמרוד גבריאל. למטה משמאל: קרן דואר ומרציה פריזי | צילומים: מכון ויצמן למדע
החללית שעושה צדק
שלושת המאמרים על האטמוספרה של צדק עומדים במוקד מסיבת עיתונאים של סוכנות החלל האמריקאית, המפעילה את החללית ג'ונו, לצד מאמר נוסף שבו מפרטים החוקרים כיצד השתמשו באותו גלאי מיקרוגל של החללית כדי למדוד את מהירות הרוחות בשכבות העליונות באטמוספרה של צדק, ומחקר העוסק בתנודות של סופות הציקלון באזורי הקטבים של צדק. "הממצאים משפרים את האופן שאנו מבינים את צדק, ויכולים ללמד אותנו על המבנה הפנימי שלו, וגם מספקים לנו מודל טוב יותר להבנה של ענקי גז באופן כללי", אומר כספי.
ג'ונו מקיפה את צדק כבר יותר מחמש שנים, ועד כה השלימה 37 יעפים קרובים לכוכב הלכת. לאחרונה החליטו בנאס"א להאריך את המשימה, והיא אמורה להימשך עוד כמעט ארבע שנים. "בשנים הבאות מתוכננים יעפים שיאפשרו לנו לחקור טוב יותר היבטים נוספים באטמוספרה של צדק, ובשדות המגנטיים שלו, וכן יעפים שבהם החללית תחלוף סמוך לירחים הגדולים של כוכב הלכת ותשפוך אור חדש גם עליהם", אומר כספי. עידן ג'ונו שינה מהיסוד את הבנתנו את כוכב הלכת הענקי, והחוקרים מקווים לעוד ממצאים מפתיעים בשנים הבאות.
איך עובדים מחזורי האוויר באטמוספרה של צדק - הדמיה של נאס"א של תאי פרל שהתגלו על מאדים:
