Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 5 – vyšlo 3. února, ročník 10 (2012) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

5/2012

Záhada šestiúhelníku na Saturnu

Jiřina Scholtzová

Tajemství šestiúhelníku, který obklopuje severní pól Saturnu, je odhaleno.
Podařilo se jej vytvořit v laboratorních podmínkách.

Saturnův šestiúhelník, který se podařilo vytvořit týmu z Oxfordské univerzity
v laboratorních podmínkách. Zdroj: Ana Aguiar.

Saturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm−3 je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. Voyager – dvojice sond NASA, která startovala v roce 1977 pomocí nosných raket Titan/Centaur. V roce 1979 proletěly obě sondy kolem Jupiteru, v roce 1980 (Voyager 1) a 1981 (Voyager 2) kolem Saturnu. Voyager 2 pokračoval dále k Uranu (1986) a Neptunu (1989). Obě sondy se zásadním způsobem zasloužily o poznání Sluneční soustavy a dnes jsou nejvzdálenějšími objekty, které lidstvo vyslalo do vesmíru. Cassini – meziplanetární sonda NASA, ESA a ASI (Italská kosmická agentura) určená k průzkumu Saturnu. Startovala z Cape Canaveral 15. října 1997, k Saturnu dorazila 30. června 2004. Celková hmotnost Cassini (včetně paliva a pouzdra Huygens) při startu byla 5 600 kg. Vyvrcholením mise bylo měkké přistání pouzdra Huygens na povrchu Saturnova měsíce Titanu dne 14. ledna 2005. Sonda byla pojmenována podle italského matematika a astronoma Giana Domenica Cassiniho (1625-1712). Podle tohoto vědce je pojmenována i část Saturnových prstenců, tzv. Cassiniho dělení. Mise byla ukončena 15. září 2017 řízeným pádem sondy do atmosféry planety.

Saturnův šestiúhelník o průměru tak velkém, že by se do něj pohodlně vešla naše ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., je vytvořen mraky obklopujícími severní pól SaturnuSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm⁻³ je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou.. Zdá se, že je velmi stabilní, protože ho lze pozorovat již po několik desetiletí – poprvé v roce 1980 vesmírným plavidlem Voyager 1Voyager – dvojice sond NASA, která startovala v roce 1977 pomocí nosných raket Titan/Centaur. V roce 1979 proletěly obě sondy kolem Jupiteru, v roce 1980 (Voyager 1) a 1981 (Voyager 2) kolem Saturnu. Voyager 2 pokračoval dále k Uranu (1986) a Neptunu (1989). Obě sondy se zásadním způsobem zasloužily o poznání Sluneční soustavy a dnes jsou nejvzdálenějšími objekty, které lidstvo vyslalo do vesmíru.. Bohužel jsou detaily mraků na Saturnu velmi málo patrné ve viditelném spektru, a tak nebylo možné snímky z Voyageru dále zkoumat, dokud mise CassiniCassini – meziplanetární sonda NASA, ESA a ASI (Italská kosmická agentura) určená k průzkumu Saturnu. Startovala z Cape Canaveral 15. října 1997, k Saturnu dorazila 30. června 2004. Celková hmotnost Cassini (včetně paliva a pouzdra Huygens) při startu byla 5 600 kg. Vyvrcholením mise bylo měkké přistání pouzdra Huygens na povrchu Saturnova měsíce Titanu dne 14. ledna 2005. Sonda byla pojmenována podle italského matematika a astronoma Giana Domenica Cassiniho (1625-1712). Podle tohoto vědce je pojmenována i část Saturnových prstenců, tzv. Cassiniho dělení. Mise byla ukončena 15. září 2017 řízeným pádem sondy do atmosféry planety. neprovedla hlubší průzkum oblasti, zahrnující například snímky s dlouhou expozicí v infračerveném spektru.

Snímek Saturnova šestiúhelníku pořízený sondou Cassini v roce 2006.
Zdroj: NASA/ESA/ASI.

Snímky zaznamenané VoyageremVoyager – dvojice sond NASA, která startovala v roce 1977 pomocí nosných raket Titan/Centaur. V roce 1979 proletěly obě sondy kolem Jupiteru, v roce 1980 (Voyager 1) a 1981 (Voyager 2) kolem Saturnu. Voyager 2 pokračoval dále k Uranu (1986) a Neptunu (1989). Obě sondy se zásadním způsobem zasloužily o poznání Sluneční soustavy a dnes jsou nejvzdálenějšími objekty, které lidstvo vyslalo do vesmíru. se hned staly mezi vědci kuriozitou. Ti se v dalších letech snažili vysvětlit tento úkaz a došli k závěru, že se jednalo o stojaté vlnění v atmosféře SaturnuSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm⁻³ je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. podporované silnou bouří jižně od útvaru, protože bez pomocné síly nemá takový útvar dlouhého trvání. Následující mise CassiniCassini – meziplanetární sonda NASA, ESA a ASI (Italská kosmická agentura) určená k průzkumu Saturnu. Startovala z Cape Canaveral 15. října 1997, k Saturnu dorazila 30. června 2004. Celková hmotnost Cassini (včetně paliva a pouzdra Huygens) při startu byla 5 600 kg. Vyvrcholením mise bylo měkké přistání pouzdra Huygens na povrchu Saturnova měsíce Titanu dne 14. ledna 2005. Sonda byla pojmenována podle italského matematika a astronoma Giana Domenica Cassiniho (1625-1712). Podle tohoto vědce je pojmenována i část Saturnových prstenců, tzv. Cassiniho dělení. Mise byla ukončena 15. září 2017 řízeným pádem sondy do atmosféry planety. však žádnou bouři, která by navrženou hypotézu podpořila, nenalezla. Vědecké nejasnosti se podařilo utišit až v roce 2010, kdy v článku publikovaném v dubnovém čísle časopisu Icarus referovala Ana Claudia Barbosa Aguiar s kolegy o úspěšné simulaci Saturnova šestiúhelníku v laboratorních podmínkách. Řešení bylo v nastavení rychlosti větru v atmosféře Saturnu. Vědecký tým také dokázal, že podmínky na jižním pólu Saturnu jsou naprosto odlišné od severního, a tedy tam nelze podobné úkazy očekávat. To je další vítězství týmu Oxfordské univerzity, jelikož na jižním pólu skutečně žádný šestiúhelníkový útvar není pozorován.

Jak to udělali?

Tým z Oxfordské univerzity pod vedením Any Aguiar zjistil, že pro vytvoření obrazců v atmosféře není ani tak důležitá rychlost větru samotná, jako její gradient. V místech s velkým spádem rychlosti větru může dojít k rozvoji nestabilit – zpočátku vln a později slabých a silných vírů. Vědci z naměřených údajů zmapovali gradient rychlosti větru v atmosféře Saturnu a zjistili, že hodnoty na 78. stupni severní šířky mají z celé planety největší předpoklady ke vzniku zvláštních atmosférických úkazů. Při této analýze sledovali matematické modely, které popisovaly, jak lze pomocí velkého gradientu rychlosti větru nastavit tvar vlnění tak, aby vzniklo právě šest vln obklopujících pól.

Pro potvrzení nápadu s gradientem rychlosti větru se odborníci z Oxfordu pokusili o vytvoření stejného útvaru v laboratorních podmínkách. Jejich aparatura (model severního pólu Saturnu) se skládá ze dvou hlavních součástí – pomalu se točícího, 10 cm hlubokého a 60 cm širokého válce s vodou, který reprezentuje atmosféru Saturnu, a malého, rychle se točícího kolečka, kterým bylo možné nastavit gradient proudění atmosféry. Vědci měnili rychlost kolečka. Při nízké rychlosti docházelo pouze ke kroužení vody v nádobě, avšak při vyšších rychlostech se objevily nestability podobné vlnám. Vědci nakonec našli parametry, při kterých byli schopni vytvořit v aparatuře jakýkoliv n-úhelník. Zjednodušeně řečeno, větší rozdíl mezi rychlostmi vody a kolečka způsobil menší počet hran n-úhelníku.

Historie šestiúhelníku podrobněji

Rotující šestiúhelník na Saturnu (konkrétně mezi 76. až 78. stupněm severní šířky) detailně zaznamenala vesmírná sonda Cassini, když dvanáct dní mezi 30. říjnem a 11. listopadem roku 2006 snímkovala severní pól Saturnu. První snímky byly ale pořízeny o více než dvacet let dříve sondami Voyager 1 a Voyager 2. Šestiúhelník na snímcích Voyageru z roku 1981 byl objeven v roce 1988  Davidem A. Godfreyem z Národní optické astronomické observatoře v Arizoně. Fakt, že úkaz ve tvaru šestiúhelníku je na Saturnu pozorovatelný po tak dlouhou dobu, je důkazem toho, že se nejedná o pouhou hru světel a lokálních podmínek, ale o trvalý jev, který se zásadně nemění ani během dvou desetiletí.

Nalevo: Původní snímek odhalující šestiúhelník pořízený Voyagerem.
Napravo: Stejná oblast pořízená o 26 let později sondou Cassini.

Tento noční snímek Saturnova šestiúhelníku obklopujícího severní pól byl pořízen v době polární noci spektrometrem v infračervené oblasti spektra sondou Cassini dne 30. října 2006 ze vzdálenosti 1,3 milionů kilometrů nad vrcholky mraků Saturnu. Protože se snímá část planety ve tmě, je zde jako světelný zdroj použito tepelné záření s vlnovou délkou 5 mikrometrů. Toto záření je znázorněno červeně. Modravá barva v horní části je způsobena slunečními paprsky dopadajícími na vzdálený okraj planety. Zdroj: NASA/JPL/University of Arizona.

Nalevo: Noční video severního pólu Saturnu bylo snímané po dobu jedné hodiny spektrometrem v infračervené oblasti spektra na palubě sondy Cassini dne 10. listopadu 2006 ze vzdálenosti 1,03 milionů kilometrů nad vrcholky mraků Saturnu. Šestiúhelník je zde krásně pozorovatelný. Napravo: Šestiúhelník mapovaný spektrometrem v infračervené oblasti spektra. Pořízen byl sondou Cassini dne 29. října 2006 ze vzdálenosti 902 tisíc kilometrů nad vrcholky mraků Saturnu a je jedním z prvních ostrých snímků této oblasti, který se kdy podařilo pořídit. Navíc je snímek pořízen z jedinečné polární perspektivy. Zdroj: NASA/ESA/ASI.

Šestiúhelník je podobný polárnímu víru sledovanému na Zemi, který má díky vanoucímu větru v polární oblasti tvar kružnice. Na Saturnu mají větrné víry kolem severního pólu tvar šestiúhelníku o průměru asi 25 tisíc kilometrů, takže by se do něj naše Země vešla zhruba čtyřikrát. Nové snímky pořízené v infračerveném spektru ukazují, že šestiúhelník prostupuje mnohem hlouběji do atmosféry, než se předpokládalo, a to zhruba 100 kilometrů pod vrcholky mraků. Zdá se, že mraky se obtáčí kolem šestiúhelníkové oblasti.

Kamera snímkující ve viditelné oblasti spektra na sondě Cassini nebyla v roce 2006 vůbec použita, protože byl severní pól v té době ukryt v polární noci, která na Saturnu trvá zhruba 15 let. Spektrometr v infračervené oblasti spektra dokázal snímkovat Saturn i v nočních podmínkách, využívaje přitom záření s vlnovou délkou 5 mikrometrů. Zima v polární oblasti skončila o dva roky později a Cassini dosnímkovala severní pól i kamerou ve viditelném spektru. Výsledkem je například následující obrázek polární záře.

Snímek pořízený sondou Cassini zobrazuje polární záři nad severním pólem Saturnu a atmosféru pod ní. Polární záře byla vyfotografována dne 12. listopadu 2008 ze vzdálenosti 1,061 milionů kilometrů, atmosféra pod ní dne 15. června 2008 ze vzdálenosti 602 tisíc kilometrů. Zdroj: NASA/ESA/ASI.

A co jiné tvary?

Aguiar se svým týmem vytvořila i jiné tvary než jen šestiúhelník. I když tento kolektiv jako první publikoval práci, ve které spojuje laboratorní výsledky s klimatickými podmínkami na Saturnu, může se pochlubit i dalšími uměle vytvořenými útvary. Pouhým přenastavením počáteční podmínky – poměru roztočení obou částí aparatury – vytvořil následující katalog n-úhelníků:

Útvary připomínající sedmiúhelník, trojúhelník a dva víry s oválem Zdroj: Ana Aguiar.

Klip týdne: Saturnův šestiúhelník v laboratoři

Saturnův šestiúhelník v laboratoři. Video zachycuje vytváření obrazce šestiúhelníku podobného tomu, jaký byl nasnímán u severního pólu Saturnu poprvé sondou Voyager 1 v roce 1980 a poté podrobněji sondou Cassini v roce 2006. Obrazec pravděpodobně vzniká v důsledku rozvoje nestability způsobené gradientem rychlosti atmosféry a podařilo se ho v roce 2010 nasimulovat v laboratorních podmínkách na Oxfordské univerzitě týmu vědců pod vedením Any Aquiar. Aby byla zdůrazněna podobnost obrazce s tím z vesmíru, bylo při pokusu do nádoby s vodou přidáváno fluorescenční barvivo. Zdroj: Oxfordská univerzita, 2010. (mp4/h264 5 MB)

Odkazy