Widowiskowe warstwy niebieskiej mgiełki w atmosferze Plutona, uchwycone przez należącą do NASA sondę kosmiczną New Horizons. Image via NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.
By Andrew A. Cole, University of Tasmania
Złowieszcze ostrzeżenie – „nadchodzi zima”, spopularyzowane przez serial fantasy „Gra o tron” – równie dobrze odnosi się do Plutona.
Pewna atmosfera planety karłowatej wydaje się być na skraju oszałamiającego załamania z powodu zmiany pór roku i zbliżających się chłodniejszych warunków, według badań, które zostaną opublikowane w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.
Odkryty w 1930 roku, dopiero około 1980 roku astronomowie zaczęli podejrzewać, że Pluton może mieć atmosferę. Atmosfera ta została wstępnie odkryta w 1985 roku i w pełni potwierdzona przez niezależne obserwacje w 1988 roku.
W tym czasie astronomowie nie mogli wiedzieć, jakie dramatyczne zmiany szykują się w cienkiej powłoce azotu, metanu i węglowodorów tego małego świata.
Kosmiczny zbieg okoliczności
Kosmicznym zbiegiem okoliczności ostatnie dekady XX wieku i pierwsze dekady XXI wieku również były świadkami szczęśliwego zrównania Ziemi, Plutona i gęstych pól gwiazdowych odległego centrum Drogi Mlecznej.
Ta animacja łączy różne obserwacje Plutona na przestrzeni kilku dekad. Image via NASA.
Ta koincydencja oznacza, że Pluton stosunkowo często przechodzi pomiędzy nami a gwiazdą tła. Kiedy tak się dzieje, jego cień pada na Ziemię, co astronomowie określają mianem okluzji.
Podczas okluzji każde obserwatorium, któremu zdarzy się leżeć w obrębie ścieżki cienia, może obserwować, jak gwiazda znika, gdy Pluton przechodzi przed nią, a następnie pojawia się ponownie, gdy zmienia się ustawienie planet. Dla dowolnego miejsca na powierzchni Ziemi, okluzja Plutona trwa najwyżej kilka minut.
Technika okultacji została szeroko wykorzystana do badania orbit, pierścieni, księżyców, kształtów i atmosfer światów zewnętrznego Układu Słonecznego, w tym planetoid, komet, planet i planet karłowatych.
Poprzez porównanie tego, co obserwatorzy widzą w różnych miejscach na Ziemi, rozmiar i kształt okultystycznego świata może być wypracowany. Jeśli obiekt posiada atmosferę, to przez kilka krótkich sekund, gdy światło gwiazdy gaśnie, a następnie powraca, światło gwiazdy może być zmienione przez absorpcję i refrakcję, gdy przechodzi przez atmosferę planety.
Od czasu pierwszych udanych pomiarów okluzji w latach 80-tych, kolejne obserwacje pozwoliły ustalić coraz dokładniejsze miary promienia Plutona, jak również stale wyostrzają nasze rozumienie temperatury i ciśnienia jego atmosfery.
Długa orbita i pory roku
Podobnie jak Ziemia, Pluton ma cykl sezonowy z powodu nachylenia jego biegunów do płaszczyzny jego orbity. W ciągu długiego roku Plutona – równoważnego 248 latom ziemskim – najpierw biegun północny, a następnie południowy są nachylone w kierunku odległego Słońca.
Rysunek Układu Słonecznego pokazuje nachyloną orbitę Plutona, która jest również bardziej eliptyczna niż orbita planet. Image via NASA (modified).
Ale w przeciwieństwie do Ziemi, orbita Plutona jest rozciągnięta do ekstremalnie eliptycznego kształtu. Jego orbita jest tak wydłużona, że jego odległość od Słońca waha się od 4,4 do 7,4 miliardów kilometrów (30 do 50 razy więcej niż odległość Ziemia-Słońce).
Dla kontrastu, odległość Ziemi od Słońca zmienia się tylko o 3,4 procent w ciągu roku. Atmosfera Plutona została odkryta tuż przed tym, jak Pluton osiągnął swoje największe zbliżenie do Słońca, co miało miejsce w 1989 roku.
Since 1989, Pluton wycofywać się od the słońce. Temperatury odpowiednio maleją.
Pod ciśnieniem
W czasie, gdy Pluton zaczął oddalać się od Słońca, astronomowie spodziewali się, że spowoduje to spadek jego ciśnienia atmosferycznego, w bardzo podobny sposób, jak ciśnienie w oponie samochodowej spada przy zimnej pogodzie i wzrasta w upale. Wręcz przeciwnie, obserwacje z lat 1988-2016 wykazały stały wzrost ciśnienia atmosferycznego.
Bezpośrednio przed przybyciem sondy NASA New Horizons w 2015 roku, pomiary okultacyjne odkryły, że ciśnienie atmosferyczne na Plutonie potroiło się od 1988 roku (odpowiednikiem na Ziemi byłoby porównanie ciśnienia na szczycie Mt. Everest z ciśnieniem na poziomie morza).
Jaka jest przyczyna tej rozbieżności? Jakakolwiek myśl, że pomiary okluzji były błędne została odrzucona przez Radio Science Experiment (REX) na pokładzie New Horizons, który zwrócił bezpośrednie pomiary zgodne z ziemskimi obserwatorami.
Nowe badania rozwiązały zagadkę używając sezonowego modelu transportu gazu i lodu wokół powierzchni planety.
Nawet jeśli Pluton oddala się od Słońca każdego roku, jego północny biegun jest stale oświetlony słońcem podczas tej części jego orbity, powodując, że jego azotowa pokrywa lodowa powraca do fazy gazowej.
To wyjaśnia gwałtowny wzrost ciśnienia atmosferycznego w ciągu ostatnich trzech dekad.
Modelowanie klimatu pokazuje jednak, że ten trend nie będzie kontynuowany.
Zamarznięte kaniony północnego bieguna Plutona uchwycone przez należącą do NASA sondę kosmiczną New Horizons. Image via NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.
Zima naprawdę nadchodzi
Pluton będzie nadal oddalał się od Słońca aż do roku 2113, a słabe światło słoneczne nie będzie wystarczające, aby podobnie ogrzać południowe obszary polarne.
Podczas długiej północnej jesieni i zimy oczekuje się, że atmosfera Plutona zapadnie się, zamarzając na powierzchni jak lód na przedniej szybie samochodu w czystą i zimną zimową noc.
Podczas swojego najniższego wzlotu przewiduje się, że atmosfera będzie miała mniej niż pięć procent swojego obecnego ciśnienia. Połączenie bliskiego zbliżenia Plutona do Słońca i wiosny na półkuli północnej nie powtórzy się aż do roku 2237.
Do tego czasu, będzie to miało krytyczne znaczenie dla sprawdzenia naszego zrozumienia modeli atmosfery planetarnej w warunkach ekstremalnie niskiej temperatury i niskiego ciśnienia poprzez ciągłe pomiary okultacyjne.
Ale te możliwości staną się rzadsze, ponieważ orbita Plutona zajmuje pozorną pozycję dalej od gęstych pól gwiazdowych centrum galaktyki, które pomogły nam dokonać obserwacji.
Andrew A. Cole, Senior Lecturer in Astrophysics, University of Tasmania
Ten artykuł jest ponownie opublikowany z The Conversation na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.
Dolna granica: Astrofizyk wyjaśnia, dlaczego Pluton traci swoją atmosferę.
Członkowie społeczności EarthSky – w tym naukowcy, a także pisarze naukowi i przyrodniczy z całego świata – wypowiadają się na temat tego, co jest dla nich ważne. Zdjęcie autorstwa Roberta Spurlocka.
.