Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 18 – vyšlo 31. května, ročník 11 (2013) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

18/2013

Fungovala tekutinová dynama i v menších tělesech?

Petr Kulhánek

Nad tím, že tekutinové dynamo dobře funguje v obřích planetách, se nikdo nepozastavuje. Je to logické. JupiterJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. je největší planetou sluneční soustavy a v jeho složení převládá vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish.. Ten je za vysokých tlaků v nitru planety v kovovém stavu a dobře vede elektrický proud, což jsou ideální podmínky pro tekutinové dynamoMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů.. Jupiterova magnetosféraMagnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 10⁹ A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. je proto největší ze všech planet a její ohon dosahuje do vzdálenosti 5 astronomických jednotek, tedy až k dráze Saturnu. Jde o největší plazmatický útvar ve sluneční soustavě. Silná magnetická pole mají i ostatní obří planety. U terestrických planet je situace velmi zvláštní. Magnetické pole má jen MerkurMerkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity. a 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.. U Merkuru, který je malým tělesem, bylo magnetické pole spíše překvapením, naopak VenušeVenuše – nejbližší planeta vzhledem k Zemi. Hustá atmosféra zabraňuje přímému pozorování povrchu. Díky skleníkovému efektu je na povrchu vysoká teplota, nejvyšší dosud naměřená hodnota činí 480 °C. Venuše obíhá kolem Slunce takřka po kruhové dráze ve vzdálenosti 108 milionů kilometrů s periodou 225 dní. Otočení kolem vlastní osy (proti oběhu, tzv. retrográdní rotace) trvá 243 pozemských dnů. To znamená, že na Venuši Slunce vychází a zapadá jen dvakrát za jeden oblet Slunce. Oblaka Venuše dobře odrážejí sluneční svit a proto je tato planeta po Slunci a Měsíci nejjasnějším tělesem na obloze. Na večerní obloze jí můžeme spatřit jako Večernici a na ranní obloze jako Jitřenku. je přibližně stejně veliká jako Země a neexistence jejího magnetického pole je záhadou. Sonda Mars Global SurveyorMars Global Surveyor – další z řady sond NASA určených k průzkumu Marsu. Start dne 7. 12. 1996. Měla pouze orbitální modul, který podrobhně mapoval povrch Marsu. Mise byla ukončena téměř po deseti letech v listopadu 2006 z důvodu selhání baterií sondy. navíc nalezla na MarsuMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila. zbytková magnetická pole zaznamenaná v povrchových horninách, která svědčí o tom, že Mars kdysi globální magnetické pole měl a později o něj přišel. Možná měla magnetické pole i Venuše, ale případné zbytkové pole je v povrchových horninách nevratně ztraceno, neboť povrchová teplota (460 °C) je nad Curieovou teplotou, při které dochází k přemazání magnetického záznamu. Vlastní magnetické pole má Jupiterův měsíc Ganymed, ten je ale větší než Merkur, takže jeho vlastní magnetické pole není velkým překvapením. Měsíce Europa a Callisto sice vlastní pole nemají, ale deformují pole Jupiteru natolik, že to je jedním z důkazů existence vodivých (tedy slaných) podpovrchových oceánů. Na konci roku 2012 přišli vědci z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. s tím, že meteorit ALHA81001, který pochází z planetky Vesta, v sobě ukrývá magnetický záznam a mohl by být svědectvím, že i tak malé těleso, jakým je Vesta, by v minulosti mohlo mít vlastní magnetické pole generované tekutinovým dynamem. Objev by mohl znamenat, že v raných dějinách sluneční soustavy mohla mít vlastní magnetické pole i velmi malá tělesa.

Malá tělesa sluneční soustavy. Vesta má průměr jen něco málo přes 500 km.

MHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů. Omega efekt – jev, při kterém rotující těleso (například Slunce) přeměňuje dipólovou složku magnetického pole na azimutální. Magnetické pole je je zamrzlé do plazmatu tělesa a otáčí se s ním. Pokud má těleso diferenciální rotaci, magnetické siločáry jsou v místech, kde je rotační rychlost vyšší, vytahovány v azimutálním směru. Tím vzniká azimutální složka pole. Alfa efekt – jev, při kterém u rotujícího tělesa (například Slunce) vzniká z azimutální složky magnetického pole složka dipólová. Jde o statistický jev. Fluktuace rychlostního pole (u Slunce jsou největší na hranici konvektivní a zářivé zóny) se kopírují na fluktuace magnetického pole. Z těchto fluktuací vzniká rostoucí nenulová střední hodnota magnetického pole v dipólovém směru.

Vesta

Mezi MarsemMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila. a JupiteremJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. se nachází pás mnoha menších těles, kterým říkáme planetky. Tento pás získal označení Hlavní pásHlavní pás – pás planetek mezi drahami Marsu a Jupiteru. Největším tělesem je planetka Ceres (průměr 974 km) objevená v roce 1801. V roce 2005 překročil počet známých těles Hlavního pásu 100 000. Jejich úhrnná hmotnost je ale velmi malá. Existuje zde jen 16 těles s rozměry nad 240 km.. Další obdobná tělesa se nacházejí za drahou NeptunuNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8^m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru. v Kuiperově pásuKuiperův pás – oblast malých těles za drahou Neptunu. Vnitřní okraj pásu se nachází ve vzdálenosti asi 30 a vnější asi ve vzdálenosti 500 astronomických jednotek od Slunce. Je „položen“; do roviny ekliptiky. Dnes známe tisíce objektů Kupierova pásu a předpokládá se, že existuje přes 100 000 objektů s velikostí větší než 100 kilometrů. Průměry těles nepřesahují (až na ojedinělé výjimky) 400 km. Celková hmotnost všech těles se odhaduje na 0,1 hmotnosti Země. Nejznámějším tělesem Kuiperova pásu je Pluto.. Vesta je s průměrem 557 kilometrů třetím největším tělesem Hlavního pásu. Největší je Ceres (975×909 km), která byla považována nejprve za planetuPlaneta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce., poté planetkuPlanetka – nesprávně asteroid, malé těleso o rozměrech maximálně stovek kilometrů na samostatné dráze kolem Slunce. Nejvíce planetek se nachází v tzv. Hlavním pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru. Obdobná tělesa jsou i v Kuiperově pásu za drahou Neptunu. a od roku 2006 je přeřazena do kategorie trpasličích planetTrpasličí planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne přibližně kulatého tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) není satelitem jiného tělesa. 4) nevyčistí okolí své dráhy od drobných těles (na rozdíl od planety). K typickým trpasličím planetám patří velká tělesa Kuiperova pásu, z nichž nejznámější je Pluto.. Druhé místo co do velikosti zaujímá Pallas (582×556×500 km) a třetí Vesta (572×557×446 km). Vesta je v pořadí čtvrtým objeveným tělesem Hlavního pásu, proto má katalogové číslo 4. Vesta má vysokou odrazivost, a tak je jediným tělesem Hlavního pásu, které je viditelné pouhým okem.

Krajina na povrchu Vesty v okolí kráteru Marcia. Jeho průměr je 58 kilometrů.
Na snímku ze sondy Down jsou patrné detaily veliké 70 metrů. Zdroj: NASA.

Planetku objevil německý astronom a lékař Hans Olbers v roce 1807. Předtím, v roce 1802 objevil také planetku Pallas. Nešlo o náhodu, systematicky prohledával oblast v okolí drah planetek Ceres a Pallas, neboť předpokládal, že jde o pozůstatky rozpadu nějaké větší planety, která získala jméno Phaeton. Dnes víme, že se v této oblasti planeta nestihla zformovat, takže jde spíše o planetezimályPlanetezimály – tělesa z raných fází vývoje sluneční soustavy. Jedná se o stavební kameny budoucích planetek, na kterých docházelo k procesům diferenciace hmoty a vzniku minerálních asociací typických pro jednotlivé druhy většiny známých meteoritů. V současné době se planetezimály mohou nacházet v oblastech Kuiperova pásu a Oortova oblaku, kam byly vypuzeny v pozdních fázích vývoje sluneční soustavy planetami. (zárodky planet). Pojmenování Vesty pochází od známého německého matematika Carla Friedricha Gausse. Vesta je v římské mytologii bohyní rodinného krbu, dcerou boha Jupitera a bohyně Juno. Na Vestě se nachází obří kráter o průměru 505 kilometrů, který je dobře patrný ze snímků velkých dalekohledů, neboť pokrývá podstatnou část povrchu. Je důsledkem obřího impaktu. Dno kráteru je 13 kilometrů pod povrchem a centrální vrcholek je vysoký (ode dna) 23 kilometrů. Odhaduje se, že srážka nastala před miliardou roků, Vesta ztratila přibližně procento své hmotnosti. Tento materiál občas dopadne i na Zemi, je známo několik meteoritů, jejichž analýza napovídá, že mateřským tělesem je právě Vesta. V roce 2011 zkoumala Vestu americká sonda Down, která byla navedena na oběžnou dráhu kolem planetky.

Rotace planetky Vesta zachycená americkou sondou Down dne 8. ledna 2011. Jedna otočka trvá přibližně pět hodin. Sonda Down byla první sondou, která byla navedena na oběžnou dráhu kolem tělesa Hlavního pásu dne 11. srpna 2011. Z oběžnmé dráhy provedla podrobný průzkum planetky Vesta. Zdroj: NASA. (mp4/h264, 10 MB)

Magnetické pole Vesty

V roce 1981 byl v Antarktidě nalezen meteorit ALHA81001 o hmotnosti 50 gramů. Podle složení jde o meteorit pocházející z planetky Vesta. V roce 2011 získala skupina vědců z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. vzorek o hmotnosti 1 gram. Roger Fu a Benjamin Weiss se pokusili tento úlomek důkladně prozkoumat. Ve vzorku nalezli malé orientované krystalky, které mají nenulový magnetický moment. To znamená, že v době vzniku meteoritu byla roztavená látka zorientována ve směru tehdejšího magnetického pole planetky. Na základě zastoupení argonu ⁴⁰Ar, který vzniká rozpadem radioaktivního draslíku ⁴⁰K, určili stáří meteoritu na 3,7 miliardy roků. Samotná Vesta vznikla před 4,5 miliardami let. Fu a Weiss vyslovili hypotézu, že prvních 100 milionů roků po vzniku planetky v ní fungovalo tekutinové dynamoMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů., které vytvořilo globální pole planetky. V povrchových horninách zůstal magnetický záznam z tohoto období. Při analýze zjistili, že meteoritMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch. prošel dvěma fázemi ochlazování. Nejprve proběhlo prudké ochlazení, při kterém vznikly jemné krystalky. Následovala relativně dlouhá fáze pomalého ochlazování. Magnetické pole nalezené v meteoritu bylo uloženo v této dlouhodobé fázi, a nemělo by proto souviset s krátkým obdobím impaktu, při kterém bylo těleso z Vesty vyvrženo. Pokud jsou závěry správné, mohlo tekutinové dynamo fungovat u mnoha planetezimálPlanetezimály – tělesa z raných fází vývoje sluneční soustavy. Jedná se o stavební kameny budoucích planetek, na kterých docházelo k procesům diferenciace hmoty a vzniku minerálních asociací typických pro jednotlivé druhy většiny známých meteoritů. V současné době se planetezimály mohou nacházet v oblastech Kuiperova pásu a Oortova oblaku, kam byly vypuzeny v pozdních fázích vývoje sluneční soustavy planetami. již při vzniku těles sluneční soustavy, což poněkud mění naše představy o poměrech v protoplanetárním disku, ze kterého se sluneční soustava rodila.

Krystalická struktura meteoritu ALHA81001. Řez o velikosti 0,35×0.5 mm je zobrazený
elektronovým mikroskopem. Zdroj: MIT, laboratoř paleomagnetizmu.

Odkazy