7 Minutės
Milžiniškos egzoplanetos, kurios taip arti savo žvaigždžių, kad tarsi glaudžiasi prie jų, kelia atmosferinius vėjus, gerokai stipresnius už bet ką Saulės sistemoje. Stebėjimai ir modeliai dabar rodo, kad srautai kai kuriuose karštuosiuose (Hot) ir ultra-karštuosiuose (Ultra-Hot) Jupiteriuose gali siekti bent 3 600 km/h (apie 2 237 mph), kas žymiai viršija 500–2 000 km/h srautus Jupiterio, Saturno, Urano ir Neptūno atmosferose.
How exoplanet winds dwarf Solar System giants
Įsivaizduokite dujinį milžiną taip arti savo žvaigždės, kad viena planeta pusė nuolat kepinama dienos šviesoje, o kita — amžinoje tamsoje. Tokie ekstremalūs temperatūros skirtumai, derinami su labai trumpais orbitiniais periodais — matuojamais valandomis arba dienomis — sukuria milžiniškus atmosferinius srautus. Tuo tarpu Jupiteris užtrunka beveik 12 metų apsisukti aplink Saulę; dauguma Hot Jupiterių apsisuka per mažiau nei savaitę, o kai kurie — per mažiau nei parą. Dėl to jie yra įtraukimo (tidal) būsenos, arba sinchroniškai sukiniai, ir patiria intensyvų, superįkaitintą orą.
Tokie artimi orbitiniai atstumai reiškia, kad žvaigždės spinduliuotės srautas į dienos pusių atmosferas gali būti šimtus ar tūkstančių kartų didesnis už tai, ką patiria planetos mūsų Saulės sistemoje. Ši ekstremali šiluma stipriai veikia termodinamiką, skalę aukštyn (scale height) ir cheminius procesus, todėl atmosferos tapia dinamiškos, nestabilios ir vietomis jonizuotos.
Be to, atstumo ir greito sukimosi derinys mažina tam tikrų dinamikos parametrų, pvz., Rossby skaičiaus, reikšmę arba keičia jų interpretaciją palyginti su įprastomis planetomis. Visa tai prisideda prie to, kad egzoplanetų vėjai gali pranokti bet kurią žinomą planetinę srovę mūsų sistemoje — tiek pagal greitį, tiek pagal mastą ir energijos tankį.
What fuels supersonic jet streams?
Pagrindiniai veiksniai yra du. Pirmiausia, intensyvus žvaigždės šildymas dienos pusėje sukuria didelius slėgio gradientus: oras iškarto plūsta nuo karštos pusrutulio link naktinės, siekdamas subalansuoti temperatūros skirtumus. Antra, greitas sukimasis ir stiprus vertikalus maišymasis formuoja zonališkus srautus (zonal jets), kurie kartais pasiekia arba viršija nurodytą pridėtą ribą — apie 3 600 km/h.
Daugelyje modelių — ypač plačiuose skaitmeniniuose bendrosios cirkuliacijos (GCM) simuliacijose — šie srautai dažnai formuojasi kaip dominuojantis rytinis (eastward) ekvatorinis strypas (superrotation). Toks ekvatorinis superrotavimas yra natūrali reakcija į stiprius dienos–nakties šilumos skirtumus kartu su planetos rotacijos poveikiu (Coriolis jėga). Tačiau ne visos planetos elgiasi vienodai: kai kuriuose modeliuose ir retuose stebėjimuose matomos sudėtingesnės struktūros — keli lygiagretūs juostiniai srautai, kintamos kryptys tarp dienos ir nakties pusių, arba net laikinai susidarantys audrų kompleksai.
Be terminių ir rotacinių veiksnių, svarbų vaidmenį gali atlikti magnetohidrodinaminiai (MHD) procesai. Ypač ultra-karštose atmosferose, kur temperatūros viršija tūkstančius laipsnių Kelvino, tam tikri komponentai dalinai jonizuojasi; magnetiniai laukai tuomet gali skleisti arba slopinti srautus, daryti magnetinį trintį ir keisti horizontalių bei vertikalių srautų struktūrą. Tokie efektai (MHD drag) šiandien yra aktyvi teorinių tyrimų sritis, nes jie gali reikšmingai pakeisti prognozuojamą vėjo greitį ir jo erdvinį pasiskirstymą.
Observaciniai metodai taip pat prisideda prie supratimo apie vėjus: fazės kreivės (phase curves), eklipsės (secondary eclipse) stebėjimai ir aukštos raiškos spektroskopija leidžia aptikti terminius karštinius skirtumus, poslinkius karštosios zonos (hotspot) vietoje ir tiesioginius Dopplerio poslinkius, nurodančius oro judėjimo greičius. Kombinacija tarp modelių (GCM) ir tokių duomenų leidžia riboti scenarijus bei patikslinti pagrindinius procesus, kurie maitina šiuos supersoninius srautus.
Strange chemistry, strange weather
Karščiausių egzoplanetų atmosferos gali turėti sunkiųjų metalų, pavyzdžiui, geležį, garų pavidalu. Terminė disociacija ir cheminė pusiausvyra šiose sąlygose veikia kitaip nei žemoje temperatūroje: molekulės (pvz., H2O, TiO, VO) gali išsisklaidyti, o atomai ir jonai tampa pagrindinėmis dalimis. Tokie cheminiai pokyčiai lemia ne tik spektrų savybes, bet ir radiacinį balansą bei temperatūrų profilius.
Spektroskopija ir cirkuliacijos modeliai rodo, kad karštų taškų (hotspots) vieta nebūtinai sutampa su substelarine (tiesiai prieš žvaigždę) planeta vieta: atmosferos vėjai gali perkelti didžiausią šilumos koncentraciją į rytus arba vakarus nuo substelarinio taško. Dienos–nakties srautų kontrastai, vertikalus maišymasis ir temperatūrų inversijos sukuria sąlygas, kuriose kondensatai (pvz., metalo druskos ar geležies lašai) gali kondensuotis naktinėje pusėje ir išgaruoti dienoje — tarsi „lietaus“ arba „geležies lietaus“ ciklas, apibūdintas kai kuriuose įžvalguose stebėjimuose (pvz., WASP-76b atveju).
Be to, ultra-karštose planetose chemija ir meteorologija gali tapti elektromagnetiškai aktyvi: veikiant aukštoms temperatūroms kai kurie elementai dalinai jonizuojasi, kas leidžia magnetiniams laukams įtakoti energijos paskirstymą ir turbulenciją. Tokios atmosferos gali tapti šaltiniu netikėtiems reiškiniams — metalinių garų perkėlimui, stipriems optiniams emisijos linijų poslinkiams ir net trumpalaikėms fluorescencijoms.
Visa tai reiškia, kad orai ant Hot Jupiterių yra labai įvairūs: nuo smarkaus vėjo ir metalo garų pernašos iki kondensuotų debesų sluoksnių, kurie periodiškai kinta tarp skystos ir kietos fazės. Šių planetų meteorologija yra „metalų ir ugnies“ derinys, visiškai skirtingas nuo to, ką matome savo Saulės sistemos dujinėse planetose.
Why this matters for exoplanet science
Tiriant šiuos ekstremalius vėjus, mokslininkai gali išbandyti pagrindines atmosferinės dinamikos idėjas egzotiškomis sąlygomis. Tyrimai padeda atsakyti į esminius klausimus: kaip šilumos transportas vyksta sinchroniškai sukinio planetose, kiek efektyviai dienos pusė atiduoda energiją naktinei, kaip cheminė pusiausvyra ir vertikalus maišymasis formuoja stebimus spektrus, ir kokią reikšmę turi magnetiniai laukai karštose atmosferose.
Kiekvienas naujas matavimas — nuo fazės kreivių iki aukštos skiriamosios gebos spektrų — tikslina modelius ir padeda suprasti, kaip paprasti fizikiniai procesai gali sukelti dramatišką planetinę dinamiką. Pvz., JWST (James Webb Space Telescope) ir pažangios žemės stebėjimo priemonės, tokios kaip ESPRESSO ar HARPS su didžiausios raiškos spektroskopija, suteikia galimybę nustatyti absorbcines linijas su pakankamai tikslumo, kad atskleistų vėjo greičius per Doplerio poslinkius ir identifikuotų specifines cheminių elementų izotopines linijas.
GCM modeliai, kartu su statistine inversija ir fiksuotų parametrų testavimu, leidžia atkartoti stebimus duomenis ir patikrinti hipotezes apie MHD poveikį, vertikalųjį energijos pernašumą ir susidarančias debesuotumo struktūras. Tokiu būdu mokslas ne tik aiškina egzotiškas metorologijas, bet ir gerina platesnį supratimą apie planetų evoliuciją, sukūrimo sąlygas ir galimus santykius tarp orbitinių parametrų, masės, spindulio ir atmosferinės sudėties.
Be mokslo reikšmės, praktiniai pastebėjimai apie vėjo greičius ir cheminę sudėtį padeda nustatyti, kaip patikimai mes galime interpretuoti egzoplanetų spektrosignalus. Pavyzdžiui, jei atmosfere dominuoja geležies garai ar terminė disociacija, tradiciniai atmosferos apibrėžimo metodai gali skirtis ir reikalauti specializuotų modelių. Tai svarbu planuojant būsimas misijas ir instrumentus, kurie skirtųsi pagal tai, ar ieškoma silpnesnių, neutralių dujų linijų, ar stiprių metalinių emisijų.
Tikėtina, kad artimiausi dešimtmečiai atkels dar daugiau netikėtumų: stebėjimų programos su JWST, PLATO, ARIEL ir pažangiais žemės instrumentais tik didins duomenų kiekį ir kokybę, leidžiant išrikiuoti egzoplanetų atmosferų tipologijas, išmatuoti vėjo laukus su didesniu erdviniu tikslumu ir nustatyti, kokia dažna yra geležimi turtinga arba dienos puse dominuojanti atmosfera.
Galiausiai, supratimas apie šiuos supersoninius srautus ir egzotišką chemiją prisideda prie bendro planetų mokslų konteksto: tai leidžia palyginti, kurios fizikinės savybės yra universalios, o kurios priklauso nuo konkrečių sąlygų — tokių kaip žvaigždės spinduliuotė, planetos masė ir orbitalinė istorija. Tokie žinojimai yra būtini kuriant patikimus planetų atmosferos modelius ir interpretuojant vis augančius egzoplanetų stebėjimų duomenis.
Nelaukite nuobodžių atsakymų: kitų metų ir dešimtmečio stebėjimai greičiausiai supurtys esamas prielaidas ir atskleis daugiau apie keistus, audringus artimųjų dujinių milžinų gyvenimus.
Šaltinis: universetoday
Palikite komentarą