Miért nem olyan az egyik,
mint a másik?
A naprendszerbeli bolygótestek összehasonlító planetológiai áttekintése
Illés Erzsébet
a fizikai tudomány kandidátusa, tudományos fÅmunkatárs
MTA KTM Csillagászati Kutatóintézete â illes @ konkoly.hu
Bevezetés
Az ember azt hinné, hogy a fejlÅdésük különbözÅ fázisában lévÅ bolygótestek sorba rakhatók, és valamiféle egyértelmű megfeleltetés rajzolódik ki, ha a bolygó egyik jellemzÅ paramétere függvényében ábrázolunk egy másik paramétert. Azt gondolnánk, hogy legfontosabb jellemzÅ a tömeg, és az határozza meg, hogy egy bolygótest milyen fejlÅdési utat jár be, és azt milyen gyorsan teszi. De vajon igaz-e ez?
Mindenesetre a bolygótestek között látunk olyan eseteket, amikor azt várnánk, hogy az azonos helyen történt keletkezés, a hasonló összetétel vagy a nagyjából azonos tömeg miatt valahogy hasonló lesz a kialakult helyzet is. Ebben az írásban most az összehasonlító planetológiát ezen aspektusból szemléljük, és azokat az eseteket vesz-szük számba, ahol égitestpárok vagy -csoportok között vagy egy égitesten belül érthetetlen kettÅsséget találunk. Azon természetesen nem csodálkozunk el, hogy a tömegek olyan nagy különbözÅsége, mint amilyen a Föld típusú bolygók és az óriásbolygók között van, más-más fejlÅdési utat jelöl ki.
Az űrkutatás jóvoltából ma már a 400 km-nél nagyobb átmérÅjű, kéreggel borított bolygótestek közül huszonhatot ismerünk közelebbrÅl. (Itt ne legyünk tekintettel arra, hogy egy test hol végzi mozgását: a Nap körül kering-e, tehát bolygó, vagy egy bolygó körül kering-e, tehát hold. Csak az a fontos, hogy megindult-e a megolvadás, a gravitációs szétválás vagy valamiféle geológiai aktivitás útján. Közös néven nevezzük Åket bolygótesteknek.)
Az összehasonlító planetológia legelsÅ rácsodálkozó megállapításai azok voltak, hogy a törvényszerűségek máshol is olyanok, mint amilyeneket a Földön megismertünk, hogy ott is olyanok a folyásnyomok, mint itt, hogy ott is úgy néznek ki a vulkánok, mint itt, hogy ott is úgy fúj a szél, mint itt. Szóval a Földön szerzett ismeretekkel, tapasztalatokkal máshol is megmagyarázhatók a dolgok. Aztán ahogy egyre több mindent megismertünk máshol is, egyre furcsább párhuzamok kerültek elÅ. Talán nem is elég megmondani, hogy egy égitest mekkora, hogy felvázoljuk fejlÅdésének történetét, ahogy korábban gondoltuk? Mi minden szól bele abba, hogy mi lesz egy-egy közbülsÅ állapot?
E cikkben áttekintést adunk a Naprendszer bolygótestei között az olyan párokról vagy csoportokról, amelyeknél hasonló eredményt várunk, és megpróbáljuk felvázolni azokat az okokat is, amik miatt esetükben mégis különbséget találunk. Bizonyos furcsaságok és magyarázatok sok esetben közismertek a tudományos közvéleményben, másokat e cikk keretében vetünk fel elÅször. Ezen utóbbi esetben utalunk rá, hogy nem közismert ellentmondásról vagy a közvélemény által már elfogadott okról ejtünk szót, tehát a tisztelt Olvasó fogadja kellÅ fenntartással a gondolatébresztÅnek szánt példákat.
Milyen lehet a többi hold?
A csillagászok a Hold alapján úgy képzelték, hogy a Naprendszer minden holdja kráterekkel teli, élettelen világ lehet, és nagy meglepetést keltett, amikor a Voyager szondák fotói nemcsak hogy gömb alakú, de sok esetben geológiai aktivitást mutató holdakról hoztak hírt még a néhány száz km átmérÅjű, kisebbek körébÅl is. Ez esetben az elmélet és a megfigyelés szinte versenyt futva szolgáltatta az információt azokról az okokról, amelyek miatt más lett a valóság, mint amit az 1960-as években vártak. Nevezetesen, a Naprendszer kémiai övessége nemcsak a bolygók, de holdjaik esetében is érvényesül. Vagyis â ellentétben a Föld típusú bolygók környezetében keletkezett testekkel â nem szilikátos, hanem nagyobbrészt jeges anyagból állnak az óriásbolygók holdjai is, annak következtében, hogy a Naprendszer keletkezése idején a fiatal Nap felfűtötte környezetét, és így a belsÅ térségekben csak a magasabb olvadáspontú anyagok tudtak szilárd halmazállapotúak maradni és a Föld típusú bolygókba beépülni, de a távoli, hidegebb vidékeken már az illó anyagok jege is képes volt erre. Továbbá a nagyszámú holdat tartalmazó holdrendszerekben a rezonancia és a nagy központi égitestek miatt fellépÅ árapályfűtés segíthet a kisebb testek megolvasztásában, így a gömb alak megjelenésében, sÅt rajtuk a vulkanizmus megjelenésében is. A jéganyag pedig, s fÅként a keverék jegek â mint pl. a víz-ammónia keverék jege â megolvasztásához sokkal kisebb hÅmeny-nyiség is elegendÅ, mint a szilikátokéhoz.
A GanymedesâCallisto dichotómia
De ezen általános képen túl nagyon sok részletben is meglepetés várt ránk. Azt még szintén viszonylag könnyű volt megmagyarázni az árapályfűtés távolsággal csökkenÅ mértékével, hogy a Jupiter holdrendszerében a bolygóhoz legközelebbi Io a legaktívabb, és az egyre távolabb keringÅ holdak egyre kisebb geológiai aktivitást mutatnak. Az azonban hosszú ideig teljesen érthetetlen volt, hogy a két külsÅ Galilei-hold felszíne miért annyira különbözÅ (Illés, 2004). A Ganymedes ugyanis aktív, repedésekkel teli, míg a Callisto felszínén semmiféle geológiai aktivitás nyoma nem látszik, csak becsapódásos kráterek borítják. Pedig a két hold majdnem egyforma nagy, majdnem azonos távolságra kering a Jupiter körül. A Nap körül mindenesetre azonos távolságra keringenek az egész Jupiter-rendszerrel együtt, tehát ugyanabból az anyagból épülhetnek fel. Talán a Ganymedes-Callisto dichotómia volt az elsÅ az összehasonlító planetológia történetében, amikor fel kellett ismerni, hogy két, nagyjából egyforma tömeg esetén is különbözÅ lehet az eredmény, és az átmenetek nem mindig folyamatosak. Pedig a Földön a tél beköszönte minden évben rádöbbentheti erre a közepes szélességek lakóit, hogy nulla fok körül fehér lesz a határ â az albedó hirtelen megváltozik! De akár magasabb, akár alacsonyabb hÅmérsékleten nagy hÅmérséklet-tartományban nem következik be ilyen látványos változás.
A GanymedesâCallisto esetében a hirtelen változásra a magyarázatot a víz többféle kristályos formájával próbálták megadni. A mindennapi életben ismert jég (jég I) ugyanis a víznek nem az egyetlen kristályos változata, létezik több is (1. ábra). Nagyobb nyomáson a jég I átkristályosodhat más kristályszerkezetű jéggé. A kristályszerkezettel nemcsak a sűrűsége, hanem például a folyási tulajdonsága is megváltozik. És amíg a jég I reológiai tulajdonságaival számoló belsÅ szerkezeti modellek azt jelezték, hogy a Callisto belsejében be kellett volna indulnia egy szilárd fázisú áramlásnak, amely a bolygótest belsejébÅl kihozta volna a termelÅdÅ hÅt, és ennek nyomán a felszínen geológiai aktivitásnak kellene látszania, addig, ha más kristályszerkezetű jéggé kristályosodott át a belseje, akkor a rosszabb folyási képesség miatt nem biztos, hogy be tudott indulni a köpeny cirkulációja. Ez lehet az oka annak, hogy egy vastag, passzív felsÅ réteg felszíne az, amit a Callisto esetében látunk, és ezen 4,5 milliárd éve csak a becsapódások változtatják a tájat, semmi más. A Ganymedes viszont még épp azon határ felett maradt, amelynél ez az átkristályosodás nem történt meg, tehát a felszíne mutatja, hogy a köpenyáramlás beindult.
A holdak mágneses tere és légköre
Egyedül a Ganymedesnek van saját, belsÅ eredetű mágneses tere a holdak között. A Titánnak miért nincs? Pedig a Titán mérete is és sűrűsége is körülbelül akkora, mint a Ganymedesé. Azt lehetne várni, hogy a Titánnak is van vasmagja. Vagy talán a Titán sem differenciálódott eléggé, mint ahogy azt a Galileo szonda gravitációs mérései a Callisto esetében mutatták, és nem alakult ki még a magja, nem különült el a vas?
És az Europának és az Iónak miért nincs belsÅ eredetű mágneses tere? Méretre kisebbek, de sűrűségük sokkal nagyobb, mint a Ganymedesé. Valószínűleg az illóanyag-tartalmuk lehet kisebb. Tehát lehetne nekik is vasmagjuk. Forgási sebességük nagyobb, mint a Ganymedesé, tehát várható lenne esetükben is dinamó hajtotta mágneses tér. Hogy az Iónak van-e, ahhoz a Galileo szonda mérései még nem adhattak egyértelmű választ. Az Io ugyanis olyan közel van a Jupiterhez, hogy annak erÅs mágneses terében az Io gyenge, saját mágneses terét kimutatni sokkal közelebbrÅl és tartósabban végzendÅ, pontos mérésekkel lehet majd.
Viszont a Titánnak számottevÅ légköre van, de semelyik másik holdnak, még a Ganymedesnek sincs. Ennek az ellentmondásnak az okát abban látom, hogy a Titán még elég meleg ahhoz, hogy fejlÅdjön rajta légkör, de nem túl meleg, és elég nagy tömegű is, s így meg is tudja tartani azt (Illés, 2005c).
Az Umbriel érthetetlenül alacsony fényvisszaverÅ képessége
Hasonló kettÅsség holdak között az Uránusz rendszerében is fellép. Az öt Uránusz-holdat szemlélve ugyanis az Umbriel sokkal sötétebb, mint a másik négy. Miért? Hiszen ugyanabból az anyagból épülhetett fel mind az öt hold. Az Umbrielnél kettÅ közelebb, kettÅ távolabb kering az Uránusz körül, tehát semmi nem indokolja, hogy Å más anyagból legyen. Csak egy felszíni réteg léte okozhatja ezt a megjelenésbeli különbséget. Ezt az is alátámasztja, hogy két friss becsapódásos kráternél látunk friss, fehér anyagot, amit nyilván a becsapódás hozhatott a felszínre. A sötét megjelenés okára az irodalomban eddig semmi elfogadható magyarázat nem található. Viszont a jelenleg a Szaturnusz rendszerében keringÅ Cassini szonda egyik képe esetleg elvezethet a magyarázathoz, ha majd további megfigyelések alátámasztják az alábbi következtetéseim helyességét.
A Szaturnusz holdjai között van ugyanis egy nagyon furcsa hold, amely felfedezése (1671) óta izgatja a csillagászok fantáziáját. Ez az 1436 km átmérÅjű Japetus, amely a Szaturnusztól legtávolabb keringÅ reguláris holdnak számít (2. ábra), vagyis úgy gondolják, hogy a bolygó összeállása idején a bolygóval együtt keletkezett. E hold egyik fele olyan fényes, mint a friss hó, a másik olyan sötét, mint a szén, s ez a különbség már a korai távcsövekkel is észrevehetÅ volt. Itt egy égitesten belül látjuk azt a felszíni dichotómiát, amit az Uránusz rendszerében a különbözÅ holdak között. Mi lehet az ok?
Az irodalomban sokféle magyarázat található a Japetus esetére, azonban egyiket sem tekintették teljesen kielégítÅnek. A Cassini szonda 2004 szilveszter éjszakáján készített egyik fotóján (3. ábra) egy legalább 1300 km hosszú és 13 km magas hegygerinc látszik a Japetus sötét oldalán, majdnem pontosan az egyenlítÅje mentén. E cikk szerzÅjének az a véleménye, hogy a hegygerinc egy egycellás köpenycirkuláció következtében torlódhatott fel az összeáramlási határon, tehát kompresszió nyomát jelzi a kéregben (Illés, 2005c). Ez a kompresszió a hegygerinc â a kompresszió vonala â mentén gejzírkifújások sorozatát okozhatta vagy okozhatja. S a metán, amely a Szaturnusz Titán holdján is nagy mennyiségben fordul elÅ, gejzírtevékenység következtében kispriccelhetett a felszínre, amely késÅbb a Nap ultraibolya sugárzása következtében elsötétíthette/elsötétítheti a felszínt. A sötét és világos terület határa a gerinccel párhuzamosan fut magas bolygórajzi szélességen, és fényesen hagyja a pólus környezetét. A határ távolsága a gerinctÅl 700-800 km magasságig felspriccelÅ gejzírfelhÅre enged következtetni; ilyen magas vulkáni felhÅt mértek az Io vulkánjainál is. Ott kén- és kén-dioxid-kifújásokat láttak korábban a Voyagerek és nemrég a Galileo szonda kamerái is. A Japetuson a felhÅk magasságára tehát az Io, az elsötétedÅ felületre a Triton poláris sapkáin talált gejzírfoltok szolgáltattak már példát â tehát nem irreális az elképzelés.
S hogy kerül a képbe az Umbriel? A Voyager-képeken kontrasztnövelÅ technikát alkalmazva már az elsÅ eredmények azt mutatták, hogy az Umbriel nagyon sötét felszínét a szélességi körökre 45 fokban futó repedéshálózat borítja a közepes szélességeken. Ez az Europán látható repedésrendszerekhez hasonló (4. ábra), és szintén árapályfeszültségek hatásának tulajdonítják. E repedéshálózat mentén bárhol gejzírkifújások juttathattak metánt a felszínre, amely késÅbb elsötétedik, akár a Nap ultraibolya sugárzásának, akár részecskesugárzás bombázásának a hatására â legyen az a Napból jövÅ részecskesugárzás, a galaktikus kozmikus sugárzás vagy az Uránusz magnetoszférájában mozgó töltött részecskék sugárzása.
További példák az egycellás köpenyáramlásokra
Ha már a Japetus kapcsán áttértünk az egy égitesten belüli dichotómiára, akkor nézzünk ezekre további példákat a Naprendszerben! Ez is érdekes, hiszen az egycellás köpenycirkuláció sok furcsa következménnyel jár más égitestek esetében is. A Holdnál és a Marsnál beszélnek még egykori egycellás köpenyáramlásról. Emiatt a Holdnál is és a Marsnál is nagyon aszimmetrikus felszíni dichotómiát látunk, de a marsi légkör, illetve folyadék- és jégszféra furcsa kettÅsségét is magyarázhatja az egycellás köpenycirkuláció következtében létrejövÅ topográfiai dichotómia.
A Hold egycellás köpenyáramlásának felszálló ága jelenleg a Föld felé nézÅ oldalon van. A felszállás helyén a melegebb köpenyanyag alulról elvékonyította a kérget (vagy eleve ezen a helyen vékonyabb kéreg tudott létrejönni, mert mindig elhordta a köpenyáramlás a képzÅdött új kérget a másik oldalra). Ma a túloldalon, a Koroljov-krátertÅl északra van a visszaáramlás helye, ahol összehordva megvastagodott a kéreg (8 km-rel magasabban fekszik ez a hely, mint az átlagos magasság). Miután az innensÅ oldalon vékonyabb a kéreg, és az innensÅ oldali nagy becsapódások össze is töredezték azt, néhány százmillió évvel késÅbb a köpenyáramlás felszálló ágában a vulkáni bazalt megtalálhatta az utat a felszínig, hogy a nagy medencék aljzatát elönthesse. Ezeket látjuk most mint sötét foltokat a Hold korongján. Miután a Hold túloldalán a köpenyáramlás leszálló része volt, s ezért a kéreg sokkal vastagabb, ott az SPN néven emlegetett képzÅdmény (South Pole â Aitken-medence) aljzatát nem öntötte el a bazalt annak ellenére, hogy az sokkal mélyebben van (8,2 km-rel az átlagos magasság alatt), mint az innensÅ oldali medencék aljzata (5. ábra).
A Mars egycellás köpenyáramlásának következményei. Ahogy a Holdnál már említettük, csak vékony kéreg marad a felszállás helyén, és megvastagszik a kéreg a leszállás környékén. Ha az ilyen bolygótest alakjához illesztünk egy felületet, akkor annak középpontja nem esik egybe a gravitációs középponttal. A Hold esetében 1,6 km a két központ közötti távolság, a Mars esetében 3 km. A több cirkulációs-cellás köpenyáramlású égitesteknél nem tud ilyen nagy különbség kialakulni. Hemiszférikus szimmetria esetén minél több cirkulációs cella van, annál kisebb ez a különbség.
A Marsnál a 3 km-es eltolódás azt jelenti, hogy amerre a kéreg megvastagodott â és ez ott a déli pólus iránya â, az a környék 3 km-rel messzebb van a tömegközépponttól, tehát gravitációsan magaslatnak számít. Amerre a kéreg elvékonyodott â s ez a Marsnál az északi pólus környéke â, az a környék 3 km-rel közelebb van a tömegközépponthoz, tehát gravitációsan mélységnek számít. A déli pólus környéke tehát 6 km-es âmagaslatâ az északi pólus környékéhez képest. A gravitációs tömegmozgások ezt âúgy élik megâ, mintha ott hegy lenne. Mi mindenben nyilvánul ez meg?
Ha folyadék lenne (vagy volt) a Marson, az délrÅl észak felé folyna (vagy folyt). Valóban, a folyóvölgyek délrÅl észak felé vezetnek! Ha volt óceán, akkor az az északi pólus környékén foglalt helyet. És valóban, az északi síkság körül találtak egykori tengerpartra utaló nyomokat!
Hogyan csapódnak ki ezen a furcsa alakú bolygón a légkörben lévÅ illóanyagok: a vízgÅz és a szén-dioxid? A hÅmérsékleti viszonyok olyanok, hogy a levegÅben lévÅ kevés vízgÅz még a felszín közelében kondenzálódhat akár az egyenlítÅ környékén is, de a földrajzi szélességgel csökkenÅ hÅmérséklet miatt az északi póluson is. A déli pólusra viszont nem ér fel, mert ahogy a levegÅ hÅmérséklete a magassággal egyre csökken, már sokkal kisebb magasságon kicsapódik belÅle dér formájában. Viszont ennek a 6 km magas âhegynekâ a magasságában a hÅmérséklet már olyan alacsony, hogy ott télen eléri a szén-dioxid kicsapódási hÅmérsékletét, és szén-dioxid-hó rakódik le. Ennek egy része a megmaradó hósapka, de egy része a déli nyár folyamán szublimál, tehát szezonális változásnak van kitéve. A Mars Global Surveyor szonda pontos magassági mérései szerint 1-2 méteres szén-dioxid-hó réteg az, ami telente lerakódik, és tavasztól újra a légkörbe kerül vissza.
Tehát az egycellás köpenyáramlással magyarázható az összetételi dichotómia a Mars két poláris sapkája között, s talán ez az oka elsÅsorban a kiterjedésbeli dichotómiának is. A Mars északi poláris sapkája ugyanis sokkal nagyobb kiterjedésű, mint a déli (6. ábra). Bár ehhez a dichotómiához hozzájárulhat a Mars pályájának nagy excentricitása, és fÅleg az, hogy a Mars éppen a déli nyár idején jár napközelben. Vagyis ekkor halad a pályáján leggyorsabban, és ekkor a legnagyobb a besugárzás. Ezért délen a nyár âforróâ, de rövid. A Földön a Marssal ellentétben nagyjából egyforma nagyok a poláris sapkák.
Még egy fontos dolgot megmagyaráz a Mars egycellás cirkulációja: a Föld típusú bolygók szélrendszerének dichotómiáját. A Mars légkörzése nagyban különbözik a Föld légkörzésétÅl, pedig napjaik hossza és tengelyhajlásuk is hasonló. Azt várhatná az ember, hogy a széljárás is nagyon hasonló a két bolygón.
Az egyenlítÅre szimmetrikus légkörzés kialakulása
A bolygók légköre együtt forog a bolygókkal, csak nem merev testként. Ha a légkör valahol elÅresiet vagy lemarad a felszínhez képest, azt a felszínen álló megfigyelÅ szélként érzékeli.
A Föld típusú bolygók szélrendszerét a Nap melege hajtja. A legmelegebb hely egy bolygón a szubszoláris, vagyis a Naphoz legközelebb esÅ pont (ahol a bolygó felszínén álló megfigyelÅ számára a Nap a zenitben tartózkodik). A légkörön keresztül beérkezÅ napfény itt melegíti fel legjobban a talajt, és a légkör a talajtól veszi át a hÅt. Felmelegszik, kitágul, sűrűsége kisebb lesz a környezÅ levegÅnél, felszáll, helyére a környezetébÅl áramlik levegÅ, és beindul a cirkuláció. Így indul el függÅlegesen egy-egy légköri cirkulációs cella szimmetrikusan észak és dél felé.
Hogy az egyenlítÅ és a pólus között milyen távolságon belül záródik egy-egy ilyen cella, az nagyban függ a bolygó tengelyforgási sebességétÅl, vagyis a Coriolis-erÅ nagyságától. Ha nagyon lassan forog egy bolygó, mint például a Vénusz, akkor a cella az egyenlítÅtÅl közvetlenül a pólusokig el tud jutni, tehát egyetlen lépésben szállítja az egyenlítÅn kapott meleget a poláris vidékekig. Azt mondjuk, hogy egycellás légköri cirkuláció alakul ki, pedig igazából itt két cella van az egész glóbuszra vonatkoztatva, és a hÅt az északi ill. déli pólus felé szállító cellák szimmetrikusan helyezkednek el az egyenlítÅre, mint a legjobban fűtött helyre vonatkozóan.
Ha egy bolygó gyorsabban forog, akkor az áramlás már elÅbb eltérül, nem ér el a poláris vidékekig, és alacsonyabb szélességen megtörténik a visszatérés. Ilyenkor fogaskerékszerűen beindul egy másik cella mindkét félgömbön, esetleg egy harmadik is. A Föld esetében mindkét félgömbön három cellán keresztül jut így el az EgyenlítÅn kapott hÅ a poláris vidékekig: forró égöv, mérsékelt öv és sarki égöv alakult ki ennek következtében, szimmetrikusan mindkét félgömbön.
Mit várunk a Marsnál, miután napjának hossza nagyon hasonló a földihez? Azt, hogy hasonló lesz a széljárás is. A Mars ritka légkörében ritkán képzÅdnek felhÅk, amelyek kirajzolnák a légkör mozgását, ezért kellÅ számú pontos adatot majd a felszínén és a légkörében mozgó mérÅszondák fognak szolgáltatni. Eddig a két Viking szonda leszállóegységeinek leszállás közbeni és felszíni mérései, illetve az újabb marsjárók mérései állnak rendelkezésre a modellszámításokhoz. S a modellek nagyon érdekes széljárásra utalnak.
A Marson is működhet a Föld esetére leírt szélrendszer, ahol a széljárást a Nap besugárzása tartja fenn. Azonban ugyanúgy, ahogy a Földön is a fix felszíni kényszerek, például hegyek, elterelik a szeleket, illetve lejtÅirányba segítik, hegyre felmenet pedig lassítják a levegÅ mozgását, így a Marson is a lejtÅ irányába â vagyis az északi félgömb felé â ez a mozgás könnyebb, és nagyobb távolságig juthat el a cella, de dél felé, vagyis âhegymenetnekâ nehezebb. És ha ehhez a Nap fűtötte kényszerhez hozzájön egy másik mozgáskomponens, nevezetesen a tengelyhajlásból adódó szezonális, akkor furcsa, igazi egycellás cirkuláció lesz az eredmény â mégpedig az egész glóbuszra vonatkozóan egycellás.
A déli félgömb tavaszán ugyanis a déli poláris sapkáról egyre több szén-dioxid-jég szublimál a növekvÅ besugárzás hatására. Ezzel ott nagyon megnövekszik a szén-dioxid parciális nyomása a légkörben. A nagyobb légnyomás hatására radiálisan, minden irányba meginduló szelek a magasan fekvÅ déli pólus környékérÅl mint lejtÅ menti szelek rohannak lefelé az egyenlítÅ irányába, ahol az egyenlítÅi cella dél felé tartó gyenge komponensét elsodorva csatlakoznak az erÅsebb északi cella szeléhez, és így erÅs transzekvatoriális szélként túlfutnak az egyenlítÅn. Vagyis valóban az egész glóbuszra vonatkozóan egycellás cirkuláció, és nem az egyenlítÅre szimmetrikus áramlási kép alakul ki. Ez az oka annak, hogy a déli félgömb tavaszán tör ki a legtöbb globális porvihar. A Mars felszínének vastag, finom porát ugyanis nagyon könnyen felkapja a szél, és az egész bolygót beburkolja vele. Csapadék hiányában pedig csak nagyon lassan, néha hónapok múlva tud kihullani a rengeteg finom por. Ezzel magyarázható az a megfigyelés, hogy a felszínen lévÅ por összetételét az egymástól nagy távolságra leszálló két Viking szonda is meg a Pathfinder is ugyanolyannak mérte, hiszen ezek a globális porviharok összekeverik a bolygófelszín porait, és mindenhova ezt a kevert port terítik szét.
A legaktívabb jéghold
A Szaturnusz Enceladus holdjánál is nagyon érdekes jelenséget okoz az egycellás köpenycirkuláció. Ez a mindössze 500 km átmérÅjű holdacska a Dione holddal van 2:1 arányú rezonanciában, és ez elegendÅ ahhoz, hogy a jelek szerint talán a legaktívabb jéghold legyen a Naprendszerben. Az az érdekes, hogy a Mimas a Tethysszel ugyanilyen jó rezonanciában mozog, és közelebb is vannak a Szaturnuszhoz, a Mimas geológiailag mégsem aktív. Vajon miért? Ez is dichotómia, csak itt két égitest között.
A Cassini-képek tanúsága szerint az Enceladus északi pólusának környéke öreg, tele van becsapódásos kráterekkel â ellentétben a déli pólus környékével, ahol viszont sok repedés található (7. ábra). SÅt, a hold déli pólusa környezetében vízjégszemcsékbÅl álló âlégkörtâ is detektáltak a Cassini szonda műszerei. Ez arra utal, hogy nem a jég szublimálásával kerültek vízmolekulák a hold körüli térségbe, hanem gejzírek által kispriccelt jégpor vagy újra megfagyott víz az, amit a műszerek regisztráltak.
A repedések iránya a déli félgömbön olyan, amilyet árapályfeszültségek alapján várnánk, és amilyet az Europa holdon is látunk (4. ábra). Az Europánál a repedésrendszer azonban az egyenlítÅre szimmetrikus, ahogy azt egy egyenletes vastagságú kéreg esetén a modellek mutatják. Véleményem szerint az Enceladus belseje olvadt lehet, mint a Jupiter Europa holdjának belseje, miután azonban az árapályfeszültségek a déli félgömbön meg tudják repeszteni a kérget, de az északi pólus környékén nem, a kéreg nem lehet ugyanolyan vastag mindenütt. Hogyan lehetséges, hogy az északi pólus környékén vastagabb a kéreg?
Szerintem ha egy, a Marséhoz és a Holdéhoz hasonló egycellás köpenyáramlás van az Enceladus óceánjában is (ami nem feltétlenül víz, hanem lehetséges, hogy kásás jégbÅl álló óceán), akkor az áramlás vagy elhordja a jégkérget és feltorlaszolja azt az északi pólus környékén, vagy termális erózióval elvékonyítja a kérget a déli pólus környékén, ahol azt már az árapályfeszültségek képesek megrepeszteni. A repedések mentén gejzírkifújásokat működtet a napi árapály, aminek hatására találták a finom vízjég-port a déli pólus környezetében. Ez a mechanizmus adhatja a Szaturnusz E gyűrűjének az anyagát is, azzal, hogy a vízjég-porszemcsék egy idÅ után Szaturnusz körüli pályára állnak. Ugyanúgy, ahogy az Io vulkánjaiból kikerülÅ kén vagy nátrium az Io körül mintegy 20 órát mozog, majd a Jupiter kén-, illetve nátriumgyűrűjét gazdagítja.
Az érdekes azonban az, hogy miért éppen így áll az Enceladus, vagyis hogy a legvékonyabb kéregrész miért a déli pólus felé néz, és miért nem a Szaturnusz irányába? Mint ahogy az is érdekes, hogy ha a Japetusnál is egycellás köpenyáramlás van, a felszálló ág miért a követÅ oldalon van, és miért nem a Szaturnusz felé néz? Geofizikailag ugyanis az lenne a plauzibilis, ahogy a Föld is âfogjaâ a Holdat, vagyis hogy a legvékonyabb kéregrész néz a Föld felé, mert ott a köpeny sűrűbb anyaga által képviselt gravitációs anomáliát âfogja megâ a Föld gravitációs tere. Egyébként az Io hold is úgy mozog a pályáján, hogy a legvékonyabb kéregrész fordul a Jupiter felé. A Marsnál is az lenne a plauzibilis, hogy a legvékonyabb kéregrész nem a déli pólus irányába, hanem a Nap felé néz. A Mars tengelyforgása azonban nem kötött, az Enceladusé és a Japetusé viszont igen, ahogy a Föld Holdjáé is.
A Titán különleges státusa a Szaturnusz holdjai között
Véleményem szerint a Szaturnusz holdjai között vagy a Titán a kakukktojás és a többi hold normális, vagy a Titán normális és a többi nem az. A Titán akkora, mint a Jupiter nagy reguláris holdjai, a többi, regulárisnak tekintett Szaturnusz-holdhoz képest viszont nagyon nagy (2. ábra). Ha volt elegendÅ anyag a Naprendszer keletkezése idején ahhoz, hogy a Szaturnusz körül is létrejöjjenek olyan nagy holdak, mint a Jupiter körül â márpedig a Szaturnusz és a Jupiter hasonló mérete alapján ez feltételezhetÅ â, akkor miért olyan kicsik a többiek? Ütközés verte szét Åket? Ha pedig azért olyan kicsik a többiek, mert nem volt elég anyag, akkor mitÅl olyan nagy a Titán? Két protohold ütközött, és anyaguk egyetlen naggyá olvadt össze? Ezt a lehetÅséget támogatja egyébként egy mások által már felvetett furcsaság a pályákban, hogy tudniillik a belsÅ, regulárisnak hitt holdak és a Titán között is, meg a Titán és a nála messzebb keringÅ Japetus között is van egy-egy nagy üres térrész a Szaturnusz körül. Persze az sem lehet lehetetlen, hogy mind a kétféle esemény lejátszódhatott a Szaturnusz körül; szét is verÅdhettek protoholdak, és össze is olvadhattak mások.
Furcsa persze a Szaturnusz holdjai között az is â ahogy a 2. ábra képe feltűnÅen nyilvánvalóvá teszi â, hogy a Japetus olyan nagy távolságra âkilógâ a rendszerbÅl a többi holdhoz képest. És ha igaz az, amivel a vezetÅ oldal sötét anyagát magyarázom, akkor érthetetlen, hogy honnan van a Japetusnak a geológiai aktivitáshoz szükséges energiája. Ebben a távolságban már az árapályfűtés egyébként is kicsi lenne, de a hold nincs is rezonanciában semmivel. Lehetséges, hogy a Titánnal kapcsolatos feltételezett ütközés excentrikus és nagy inklinációjú pályára lökte Åt, amely pályának a körré válása kapcsán kapott árapályfűtés adta volna neki az energiát, mint a Tritonnak a Neptunusztól kapott árapályfűtés? (A Tritont befogott holdnak tartják; a Japetusról ez még nem vetÅdött fel, mert nem retrográd a pályája. Pedig 14 fokos pályahajlása éppúgy predesztinálná erre, mint a Tritont a 23 fokos pályahajlás.)
Érdekes még az is, hogy a Titán és a Japetus között mozgó Hyperion a Cassini legújabb felvételei szerint inkább egy laza, a Kuiper-övbÅl származó objektum lenne (8. ábra), mint egy kompakt hold. Hogy kerülhetett egy befogott hold a reguláris holdak felségterületére, és hogyan lett pályaexcentricitása és pályahajlása olyan, mint egy reguláris holdé? Ha a holdrendszer belsejében van egy befogott Kuiper-objektum, akkor ebben is különleges a Szaturnusz rendszere.
S ha ehhez még hozzávesszük a Szaturnusz-gyűrű különlegességét magyarázó munkahipotézisemet (Illés 2005a, b), miszerint a Szaturnusz jéggyűrűje egy most szétdarabolódó üstökösmag jeges anyagából származhat, akkor még azt a feltevést is megkockáztathatjuk, hogy a Hyperion ennek az óriási üstökösmagnak egyik, a Roche-határon kívül maradt darabja lehet.
Dichotómia az óriásbolygóknál
A Jupiter két félgömbje nem egyforma, pedig az ember azt hinné, hogy egy gázgömb egyszerűbb eset, mint egy szilárd bolygó. Nemcsak a Nagy Vörös Folt léte teszi a Jupitert aszimmetrikussá, hanem például az úgynevezett fehér foltok is csak a déli félgömbön fordulnak elÅ egy szélességi sávban (9. ábra). Ugyanakkor a sötétbarna, elnyúlt elliptikus foltok csak az északi félgömb egy bizonyos szélességén keletkeznek. (Ezek a keskeny oválisok felhÅmentes övezetek lehetnek, amelyekben mélyre lehet lelátni a Jupiter légkörébe. Hosszúsági kiterjedésük körülbelül akkora vagy valamivel nagyobb, mint a déli hemiszféra egy-egy nagyobb fehér viharfoltjáé, de a fehér foltokkal ellentétben szélességi kiterjedésük sokkal keskenyebb azokénál, és azonos a teljes hosszuk mentén.)
A Földön a ciklonok szintén egy bizonyos szélességi sávban fordulnak elÅ, igaz, ez a sáv a Nap éves vándorlásával szélességben mozog az EgyenlítÅhöz képest. De ez az egymást követÅ ciklonok sorozata mint hullámjelenség nagyjából szimmetrikusan lép fel a két félgömbön. S ha mégis van hemiszférikus aszimmetria, azt a Földön elsÅsorban a különbözÅ kontinensborítottságnak tulajdonítják. De a Jupiteren nincs felszín, nincsenek kontinensek, a köpeny nagy nyomású, kritikus állapotban lévÅ anyaga folyamatosan mehet át a légkör anyagába. Mi okozhatja ezt a kettÅsséget a két félgömb között?
Én magam azt feltételezem, hogy a mágneses tér szól bele valahogy még a légköri rétegek áramlási rendszerébe is. Illetve lehet, hogy a Jupiter esetében talán fordítva lenne helyesebb mondani. Az az aszimmetria, amely a bolygóbelsÅ, vagy inkább a fémesen viselkedÅ atomos hidrogénbÅl álló köpeny cirkulációs rendszerében fellépett â és aminek a következménye maga a mágneses tér is â, még a légkörben is hat, és ennek hatására látjuk ezt a hemiszférikus aszimmetriát. Vajon a földi légkör nagyléptékű aszimmetriájába mennyire szól bele a mágneses tér különbözÅsége a két félgömbön?
Kutatásaink során a semleges felsÅlégkör (250-500 km) összsűrűségi adataiban furcsa aszimmetriát találtunk a 60. szélességi körök közötti tartományban. A holdak mozgásából levezetett sűrűségértékekbÅl minden ismert effektus hatását a legjobb felsÅlégköri modellekkel levonva a maradéknak fehér zajt kellett volna adnia, ha a modellek mindent jól írnak le. Ezzel szemben a modellmaradékok azt mutatják, hogy a földi felsÅlégkörben a sűrűség monoton csökken az északi 60. foktól a déli 60.-ig haladva. Tehát nem szimmetriát találtunk. Az EgyenlítÅ környékének semmiféle kitüntetett szerepe nem volt.
Egy szilárd kérgű bolygó, tehát a Föld esetében a légkör sűrűsége â vagy inkább fűtése és ennek következtében a sűrűsége â a mágneses tér, tehát a magnetoszféra folyamatai miatt változhat, ha valóban az változtatja, és nem valami más. Mindenesetre, amiket más bolygótestek esetében tapasztalunk, azokat érdemes megvizsgálni a Föld esetében is. A planetológia tapasztalatai segíthetnek bizonyos érthetetlen földi jelenségek értelmezésében.
Kulcsszavak: bolygó, bolygógyűrű, hold, összehasonlító planetológia
1. ábra ⢠A H2O fázisdiagramja (Baranyai, 2006 alapján).
2. ábra ⢠Az óriásbolygók regulárisnak hitt holdjainak méretarányos rajza, távolságaik bolygójuktól bolygósugár egységben és a közöttük lévÅ rezonanciák, valamint átmérÅjük és sűrűségük.
3. ábra ⢠A 13 km magas és legalább 1300 km hosszú hegygerinc a Japetuson. Cassini-kép.
4. ábra ⢠Voyager-képek alapján készített térkép az Europa repedésrendszerérÅl
5. ábra ⢠A Holdon a Clementine szonda magasságméréseibÅl mintegy negyven Åsi becsapódásnyom rajzolódott ki, amelyek a bolygótestek összeállásának az utolsó nagy bombázási idÅszakában keletkezhettek. Ezek a fotókon már nem láthatók, mert a késÅbbi becsapódások âelmostákâ a képet, de a magassági viszonyok még kirajzolják a nagy medencéket. Az ábrán a Clementine magassági térképén a MendelâRydberg-kráterek láthatók.
6. ábra ⢠A Mars északi (bal) és déli (jobb) poláris sapkája. Mars Global Surveyor-fotó.
7. ábra ⢠a: Az Enceladus hold kráterekkel teli, öreg északi félgömbje. A 90 fokos hosszúság környékén lévÅ homályos részrÅl még nem készült nagyfelbontású kép. b: Az Enceladus hold repedésekkel teli, fiatal déli félgömbje.
8. ábra ⢠a: A Cassini szonda közelképe a Hyperionról. b: Összehasonlításként egy körülbelül azonos nagyságú normális szaturnuszhold, a Mimas.
9. ábra ⢠A Jupiter bolygó Voyager szondák képeibÅl összeállított Mercator-vetületű térképe. Az elnyúlt barna foltok csak az északi, a fehér oválok csak a déli félgömbön jelennek meg.
Irodalom
Baranyai András (2006): A jég változatos szerkezete. Természet Világa. 137, 1, 38â39.
Illés Erzsébet (2004): Bolygótestek a Naprendszerben. Magyar Tudomány. 6, 710â721.
Illés Erzsébet (2005a): A bolygógyűrűk eredete I. Természet Világa. 136, 3, 106â109.
Illés Erzsébet (2005a): A bolygógyűrűk eredete II. Természet Világa. 136, 4, 178â180.
Illés Erzsébet (2005c): Holdak a Naprendszerben. In: Meteor Csillagászati Évkönyv 2006. Magyar Csillagászati Egyesület, Budapest, 194â227.
<-- Vissza a 2006/8 szám tartalomjegyzékére
<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra