4. óra Kölcsönhatások bolygószférák valamint bolygótestek között (I.E.)

Illószférák a Naprendszerben

Az összehasonlító planetológia közös szavakkal írja le a különböző bolygótestek jelenségeit. A talaj a felszín anyaga, a vulkanizmus a belső olvadt anyag kiáramlása; az illószférák pedig a légkör, a folyadékszférák és a jégszférák összekapcsolódó rendszerei. Az előadás a bolygókat és a nagyobb holdakat azonos szempontok szerint hasonlítja össze.

Illó anyagok

Szakkifejezések

• illóanyag — változó körülmények között gázt, folyadékot vagy jeget alkotó anyag
• fázis — az anyag állapota
• szublimáció — jég közvetlen gázzá alakulása
• bolygótest — bolygó vagy a vizsgálatba bevont nagyobb hold

Rövid összefoglaló: Az illóanyag halmazállapotát a felszíni hőmérséklet és nyomás határozza meg.

Ugyanaz az anyag légköri gáz, folyadék és jég formájában is jelen lehet. Ha változik a hőmérséklet vagy a nyomás, az anyag átkerülhet egyik szférából a másikba. Egy bolygótesten többféle illóanyag is alkothat légkört, folyadékot vagy jeget. Ezért az összehasonlításban nem szabad minden folyadékot víznek, minden jeget vízjégnek tekinteni. A leirat megfogalmazásával: „ugyanannak az anyagnak az égitest felszínén lehet különböző fázisa”.

Légkörök a Naprendszerben

Szakkifejezések

• kigázosodás — gáz kilépése a test anyagából
• primordiális légkör — az ősi szoláris köd anyagát őrző légkör
• szökési sebesség — eltávozáshoz szükséges sebesség
• légnyomás — a gáz nyomása

Rövid összefoglaló: A légkör keletkezése, utánpótlása és elvesztése együtt alakítja a bolygótest környezetét.

A szilárd bolygótestekből párolgás, szublimáció, vulkáni kigőzölgés és kitörés juttat anyagot a környezetbe. A becsapódó test is hozhat illóanyagot. Az óriásbolygók nagy szökési sebessége lehetővé tette a szoláris köd hidrogénjének és héliumának megőrzését. Ezek primordiális légkörök. A Vénusz és a Titán sűrű, a Mars ritka légkörű; a Hold körül a felszínről kivert atomok és molekulák rendkívül ritka burka található. Az Io vulkánkitörése után helyi légköri pamacs keletkezik, a Merkúr körül pedig a felszínről kiszabaduló atomok képeznek ritka környezetet. Az óriásbolygóknál nincs a szilárd felszínhez hasonló éles határ a légkör és a belső anyag között.

A légkörök időbeli változása

Szakkifejezések

• légköri szökés — részecske eltávozása
• napszélerózió — ionok elvitele a napszél hatására
• izotóp — azonos elem eltérő tömegű atomja
• rezonancia — pályamozgások összekapcsolódása

Rövid összefoglaló: A légkör tömege és összetétele az égitest élete során többször is megváltozhat.

A megfelelő irányban, szökési sebességgel mozgó molekula elhagyhatja a bolygótestet. A nehezebb izotópok nagyobb arányban maradnak vissza; ez a korábbi veszteség nyoma. A napszél ionokat vihet el, az elektromos terek felgyorsíthatják őket, és egy nagy becsapódás is csökkentheti a légkört. Lehűléskor a gáz a felszínre fagyhat, későbbi fűtéskor újra felszabadulhat. Az előadás a Plútó naptávolságának változásán és a marsi szén-dioxid-jég fogyásán szemlélteti ezt. A tengelyhajlás változása az illóanyagok földrajzi eloszlását is átrendezi. Az Io utánpótlását az árapályfűtés és a vulkanizmus tartja fenn; az elvitt nátrium és kén a Jupiter körüli gyűrűkben követhető.

A légkörök tulajdonságai

Szakkifejezések

• skálamagasság — a sűrűség csökkenésének léptéke
• hidrogénkorona — legkülső hidrogénes tartomány
• ionoszféra — elektromosan vezető, ionizált réteg
• hidegcsapda — vízgőzt kifagyással visszatartó réteg

Rövid összefoglaló: A sűrűség, az összetétel és a hőmérséklet magassági változása különböző légköri rétegeket hoz létre.

A sűrűség a magassággal exponenciálisan csökken, a skálamagasság a csökkenés ütemét jellemzi. A Vénusz, a Föld és a Mars felszínén nagyon eltérő nyomás fölött a magasabb rétegekben hasonló sűrűség is kialakulhat: ez a légköri fékezésnél hasznos. Az összetételi rétegződésben a nagyobb molekulatömegű anyagok hamarabb fogynak el felfelé, kívül hidrogénkorona marad. A sugárzás ionizálja a felső légkört; több összetevő esetén több ionoszféraréteg is keletkezhet. Poros, légkör nélküli felszín fölött a töltött porszemcsék is vezető réteget alkothatnak.

A sugárzást elnyelő rétegekben melegedés lép fel. A földi ózonréteg és termoszféra ezért megszakítja a felfelé csökkenő hőmérséklet menetét. A hidegcsapda kifagyasztja a felfelé jutó vízgőzt, így a víz csapadékként visszakerülhet, mielőtt a magasban az ultraibolya sugárzás elbontaná. A Mars és a Vénusz vízvesztésének magyarázatában ennek hiánya fontos. Az infravörös sugárzást elnyelő vízgőz, szén-dioxid és metán üvegházhatást okoz; az előadás a Vénusz erős melegedését ezzel kapcsolja össze.

A légkörök mozgásai

Szakkifejezések

• szuperrotáció — a légkör előresietése a felszínhez képest
• cirkulációs cella — összekapcsolódó áramlási kör
• Coriolis-erő — forgáshoz kapcsolódó eltérítő hatás
• transzekvatoriális cella — az egyenlítőn áthaladó cella

Rövid összefoglaló: A fűtés áramlást indít, a forgás eltéríti, a bolygó alakja pedig módosíthatja azt.

A légkör együtt forog a bolygótesttel, de nem merev testként. A felszínhez képest előresiető vagy lemaradó mozgást szélként érzékeljük; az egész légkör előresietése szuperrotáció. Az energia a Napból és a belső hőből származhat, utóbbi főként az óriásbolygóknál lényeges. A napszakos fűtés légköri dudort hoz létre, amelyből áramlás indul. A Coriolis-erő ezt eltéríti, és zonális szelek alakulnak ki. A lassan forgó Vénuszon az egyenlítőtől csaknem a pólusig terjedhet egy cella; a gyorsabban forgó bolygókon több cella jön létre.

Az Uránusz tengelyhelyzete ellenére a cellák az egyenlítővel párhuzamosak. A Marsnál az előadás transzekvatoriális cellával magyarázza a déli magasabb területekről az északi mélyebb térség felé tartó mozgást: a geometriai és gravitációs középpont eltérése a levegő számára is lejtőt jelent. Az évszakos változásokat a tengelyhajlás és a pálya excentricitása együtt adja. A Marsnál ehhez a H2O, a CO2 és a por három ciklusa kapcsolódik; a holdakra pedig bolygójuk évszakos rendje is hat.

Légköri szelek a Naprendszer bolygótestjein

Szakkifejezések

• zonális szél — szélességi körök menti szél
• lejtő menti szél — domborzati lejtőn mozgó levegő
• porvihar — levegőbe emelt por mozgása
• hőkapacitás — hőtárolás jellemzője

Rövid összefoglaló: A felszíni szél erőssége és a por felemelése a légkör és a felszín közös tulajdonságaitól függ.

A Vénusz sűrű légköre ellenére a felszíni szél gyenge. Az egycellás áramlás és a szuperrotáció hatékonyan szállítja a hőt, így az előadásban a felszíni hőmérséklet-különbség csekély. A Mars ritka légkörében erős szél is kialakulhat és port ragadhat magával. A talaj kis hőkapacitása gyors melegedést és forgószeleket segít elő. A sarki szén-dioxid-sapka tavaszi szublimációja növeli a légkörbe visszakerülő gáz mennyiségét; a déli lejtő menti áramlás a globális porviharok magyarázatához kapcsolódik. A Titán egyenlítői dűnéi szintén a szelek felszínalakító munkáját mutatják.

Légköri örvények a Naprendszerben

Szakkifejezések

• szélnyírás — szomszédos szelek eltérése
• poláris örvény — pólus körüli forgó rendszer
• Nagy Vörös Folt — jupiteri nagy örvény
• oszcilláció — ismétlődő alakváltozás

Rövid összefoglaló: Az örvények keletkezése, egyesülése és alakja a szélrendszer működését mutatja.

A Jupiter keleti és nyugati szélöveinek határán a szélnyírás örvényeket hoz létre. A nagyobb örvények kisebbeket nyelhetnek el és egymással is egyesülhetnek. Az előadás ezt az energianövekedést a mélyebb anyag felkeverésével és az örvény színváltozásával kapcsolja össze; a foszfin színező szerepe az előadásban bemutatott értelmezés. A Nagy Vörös Folt forgó rendszere és a Neptunusz Nagy Sötét Foltjának elnyúló, összehúzódó alakja eltérő viselkedést szemléltet.

A Szaturnusz északi pólusát hatszögű rendszer, déli pólusát szemmel rendelkező, trópusi ciklonra emlékeztető vihar veszi körül. A Jupiter pólusai körül több ciklon rendeződik. A Vénuszon kettős poláris örvényt mutat be az előadás; a földi poláris rendszert a Galileo távoli felvétele teszi egyben láthatóvá. Örvények óceánban is lehetnek: az áramló jégtáblák kirajzolhatják őket.

Ködök, felhők a Naprendszerben

Szakkifejezések

• kondenzáció — gázból anyag kiválása
• globális felhőtakaró — egész bolygótestre kiterjedő borítás
• metánfelhő — metánból képződő felhő
• infravörös ablak — áttekintést lehetővé tevő hullámhossztartomány

Rövid összefoglaló: A felhőzet anyaga, magassága és kiterjedése különböző bolygótesteken eltérő.

A felhő anyagát a légkör összetétele határozza meg; egy bolygótesten többféle anyag különböző magasságban is kicsapódhat. A Jupiter felhőrétegeinek modelljét spektroszkópiai adatokkal és számításokkal állították össze. A Vénusz és a Titán sűrű borítása alatt bizonyos infravörös sávokban mélyebbre lehet látni, a Titán felszínét pedig radar is megmutatja. A Mars Valles Marineris völgyeiben köd és a vulkánok környezetében felhő jelenik meg. A Neptunusz helyi felhője a globális takaró fölött is elhelyezkedhet.

A Titán déli pólusán megjelenő metánfelhők gyors eltűnését az előadás nagy esőzéssel kapcsolja össze. A Vénusz foszfinjára és lehetséges biológiai eredetére tett megjegyzések a 2020-as előadásban tárgyalt akkori értelmezést rögzítik. A felhőalak és egy felvetett eredetmagyarázat elkülönül a közvetlen megfigyeléstől.

Légköri elektromosság

Szakkifejezések

• villám — elektromos kisülés
• rádiózaj — rádiótartományú jel
• Schumann-rezonancia — légköri elektromos rezgési jelenség
• vörös lidérc — zivatar fölötti rövid fényjelenség

Rövid összefoglaló: Az elektromos kisülések fényben és más mérési jelekben is megjelenhetnek.

A földi villám és a vulkánkitörés környéki kisülés a légköri elektromosság példája. Az előadás a Vénusz rádiózaját, a marsi elektromos jeleket és a Titán Schumann-rezonanciáját a kisülések vizsgálatához kapcsolja. A Miller-kísérlet azt szemlélteti, hogy elektromos kisülés egyszerű anyagokból az élet építőköveinek kialakulását is segítheti; ez az élet keletkezésére vonatkozó kérdéshez vezet.

A Jupiteren és a Szaturnuszon az éjszakai oldalon optikai villámfelvételek is készültek. A nappali és éjszakai megfigyelések összevetése a zivatarokat a belső hő légkörön keresztüli szállításához kapcsolja. A földi zivatarfelhő és az ionoszféra között gyors tranziens fényeffektusok, vörös lidércek és kék jetek villanhatnak fel. Ezek vizsgálatához a gyors egymásutáni képrögzítés volt szükséges; az előadás a soproni megfigyeléseket is említi.

Csapadékok a Naprendszerben

Szakkifejezések

• csapadék — a felszínre kerülő kondenzált anyag
• dér — közvetlenül lerakódó fagyott anyag
• radar-visszaverő képesség — radarjel visszaverésének mértéke
• hóhatár — magassághoz kötődő borításhatár

Rövid összefoglaló: A csapadék összehasonlítása a vízen kívül más anyagok lerakódását is vizsgálja.

A földi hó és a marsi dér mellett a Vénusz hegyeinek radarban fényes felszíne is szerepel az összehasonlításban. Bizonyos magasság fölött a radar-visszaverő képesség megnő, mintha hóhatár volna. A Magellan mérései nyomán az előadás egy fémes jellegű, a hűvösebb magaslatokon kicsapódó anyag lehetőségét tárgyalja. A hasonlat a magassághoz kötött lerakódást fejezi ki: nem földi vízhóról van szó. A Titán metánesője a felszíni folyók és tavak utánpótlásában vesz részt.

Folyadékszférák a Naprendszerben

Szakkifejezések

• globális óceán — egész bolygótest köré záródó folyadékréteg
• talajfolyadék — felszín alatti folyadék
• ekvipotenciális felület — azonos gravitációs potenciálú felület
• óceáni szállítószalag — összekapcsolódó földi áramlási rendszer

Rövid összefoglaló: Óceán, tó, folyó és talajfolyadék felszínen vagy jég alatt is előfordulhat.

A planetológia a jégkéreg alatti, egész holdat körülvevő vízréteget is globális óceánnak nevezi. Az Europa, a Ganymedes és a Callisto esetében az előadás rejtett óceáni rétegeket tárgyal. A légkörrel rendelkező Naprendszer-bolygók között a Föld óceánját kontinensek tagolják, amelyek megszakítják és összekapcsolják az áramlási cellákat. A globális óceán áramlásaira a gravitáció és a Coriolis-erő hat; a földi medencék rendszere óceáni szállítószalaggá kapcsolódik. Az előadó a más körülmények között ellenőrzött modellek hasznát emeli ki: „ha más bolygó testre jó akkor sokkal jobban bízhatunk a földi modellekben”.

A marsi északi mélyföldre ősi óceánt, a kráterekre tavakat feltételez az előadás. A Titán metánfolyóinak kavicsai vízjégből állhatnak. A marsi lejtőcsíkoknál sós víz és porlavina egyaránt felmerül. A Titán északi tavainak közös ekvipotenciális szintje talajfolyadékon keresztüli kapcsolatot jelezhet. Az összehasonlítás ezért a szivárgó folyadékokat is a folyadékszférák közé sorolja.

Jég-szférák (krioszférák) a Naprendszerben

Szakkifejezések

• jégkéreg — jégből álló külső burkolat
• poláris sapka — sarkvidéki jégborítás
• random séta — sok kis véletlen elmozdulás
• regolitba kötött jég — törmelék közötti fagyott készlet

Rövid összefoglaló: A jég kérget, sapkát, gleccsert vagy felszín alatti készletet alkothat.

Az Europa és az Enceladus jégkérge, a Föld és a Mars sarki sapkái, valamint a Triton sajátos elhelyezkedésű sapkája eltérő jégszférákat mutat. A Triton pályahelyzete saját évszakos változást ad a Neptunusz által meghatározott rendhez. A Plútó régi távcsöves fehér foltjait az előadás a New Horizons közvetlen képeivel kapcsolja össze.

Légkör nélkül is összegyűlhet jég. A Merkúr árnyékos sarki kráterei a becsapódásokkal érkező vizet őrizhetik; az Iapetus példájában a molekulák ismételt felszabadulása és lecsapódása random sétával juttat anyagot a hideg helyekre. A gleccser folyása és borjadzása, a talaj jéglencséi, a Vosztok jég alatti tava és a regolitba kötött jég különböző készleteket szemléltetnek. A marsi porra kicsapódó víz a talajba kerülhet; felmelegedéskor a jég eltűnése után a finom anyag összeroskadhat. A fluidizált krátertakarók eloszlását az előadás a talaj illóanyag-tartalmával és változásával veti össze.

Mágneses terek a Naprendszer bolygótestjein

Szakkifejezések

• belső eredetű mágneses tér — dinamó által létrehozott tér
• befagyott mágneses tér — anyagban megőrzött korábbi tér
• indukált mágneses tér — változó külső térre adott válasz
• magnetoszféra — bolygómágneses tér felségterülete

Rövid összefoglaló: A mért tér három eredetű összetevője a belsőről és a környezettel való kölcsönhatásról is információt ad.

A belső eredetű mágneses teret elektromosan vezető, folyékony anyag cirkulációja hozhatja létre dinamómechanizmussal. A Ganymedes a bemutatott holdak közül saját belső térrel rendelkezik. A befagyott mágnesség a kőzet múltbeli környezetét őrzi a Földön, a Holdon és a Marson; kisbolygódarabokban egykori nagyobb test eredetére utalhat. Indukált tér akkor keletkezik, ha globális vezető réteg mellett a külső mágneses tér változik. A Jupiter holdjain ez a rejtett óceáni rétegek felismeréséhez vezet. A mért jel a három összetevő eredője.

A napszél összenyomja a nap felőli oldalt és megnyújtja a csóvát. Az erővonalak összekapcsolódása megnyitja a magnetoszférát az energia előtt; a sugárzási övek, a plazmaszféra és a gyűrűáram külön részek. A csóvából a pólusok környékére jutó részecskék fénylésre gerjesztik a légkört. A Mars lokális és a Vénusz foltos aurorája eltér a szabályos sarki övtől. A Szaturnusz sötét auroráját az előadás kémiai változással kapcsolja össze. A Föld és az óriásbolygók rádiósugárzása szintén a mágneses környezethez kötődik. A Jupiteren az Io és az Europa anyaga külön aurorális lábnyomot hozhat létre; ennek mozgása más csillagrendszerben hold felismerésére is ötletet ad.

Mit tanultál a leckéből

• Illó anyagok: Ugyanaz az anyag lehet gáz, folyadék vagy jég. A meleg és a nyomás dönti el, melyik állapotban találjuk.
• Légkörök a Naprendszerben: A bolygó anyagot adhat a légkörnek, és el is veszítheti azt. Ezért vannak sűrű és alig észrevehető légkörök.
• A légkörök időbeli változása: A légkör ráfagyhat a felszínre, később újra gázzá válhat, vagy elszökhet az űrbe.
• A légkörök tulajdonságai: Magasabban ritkább és más összetételű a levegő. Egy hideg réteg visszatarthatja a vizet, egy sugárzást elnyelő réteg pedig felmelegedhet.
• A légkörök mozgásai: A melegítés megmozgatja a levegőt. A bolygó forgása és alakja megszabja, merre fordulnak az áramlások.
• Légköri szelek a Naprendszer bolygótestjein: A sűrű légkörben is lehet gyenge szél. A ritka marsi levegő erős mozgása viszont port emelhet fel.
• Légköri örvények a Naprendszerben: A szél forgó rendszereket alakíthat. Ezek összeolvadhatnak, és más bolygón más alakot ölthetnek.
• Ködök, felhők a Naprendszerben: Nem minden felhő vízből van. A felhők más magasságban és más anyagból is kialakulhatnak.
• Légköri elektromosság: A villám energiát ad át. A zivatar fölött rövid fényvillanások is lehetnek, amelyeket gyors kamerával lehet megfigyelni.
• Csapadékok a Naprendszerben: Más bolygón más anyag hullhat vagy fagyhat a felszínre. A hóhatárhoz hasonló jelenség nem feltétlenül vízhavat jelent.
• Folyadékszférák a Naprendszerben: A folyadék lehet a felszínen vagy a jég alatt. A Titánon metán folyhat ott, ahol a Földön víz folyik.
• Jég-szférák (krioszférák) a Naprendszerben: Jég a törmelék között is lehet. Ha eltűnik, a felszín besüppedhet; a hideg helyek pedig légkör nélkül is megőrizhetik.
• Mágneses terek a Naprendszer bolygótestjein: A mágneses jel származhat a bolygó belsejéből, régi kőzetből vagy külső hatásból. A Nap részecskéivel való találkozás fényt is kelthet a légkörben.

Útravaló: A légkör, a folyadék és a jég együtt változik, és más bolygótestek összehasonlítása a Föld működésének megértését is segíti.