49^ο ΓΕΝΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΑΘΗΝΩΝ

Πρόλογος   Εισαγωγή: Πλανητικά Καιρικά Φαινόμενα    Ερμής    Αφροδίτη    Άρης     Δίας    Κρόνος    Ουρανός    Ποσειδώνας    Πλούτωνας    Δορυφόροι 

 Γη      Επίλογος    ΕΤΗΣΙΑ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ 2019     Βιβλιογραφία

Ποσειδώνας

  Πέρα από τον Ουρανό βρίσκεται ο Ποσειδώνας, ο όγδοος και πιο απομακρυσμένος πλανήτης από τον Ήλιο  και ο τέταρτος μεγαλύτερος σε διάμετρο.

Έλαβε το όνομα του θεού της θάλασσας Ποσειδώνα από την ελληνική μυθολογία.

   Ο Ποσειδώνας είναι ο μικρότερος, αλλά και ο πυκνότερος από τους τέσσερεις γίγαντες του Ηλιακού Συστήματος, με μάζα 17 φορές μεγαλύτερη από αυτήν της Γης και με διάμετρο που στον ισημερινό του αγγίζει τα 25.000 km. Η μέση απόστασή του από τον Ήλιο είναι περίπου 30 ΑΜ, ενώ συμπληρώνει μία πλήρη περιφορά γύρω του σε περίπου 165 έτη και η περίοδος περιστροφής γύρω από τον άξονά του είναι 16 ώρες και 3 λεπτά και η θερμοκρασία του περίπου -213°C.. Η κλίση του άξονα περιστροφής του Ποσειδώνα είναι περίπου 28°, συγκρίσιμη δηλαδή μ’ αυτήν της Γης και του Άρη, γεγονός που υποδηλώνει ότι ο πλανήτης αυτός υπόκειται σε παρόμοιες εποχιακές εναλλαγές, με την μόνη διαφορά ότι οι εποχές στον Ποσειδώνα διαρκούν 40 περίπου χρόνια.

   Ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας μοιράζονται αρκετά κοινά χαρακτηριστικά. Με παρόμοιο μέγεθος και χημική σύσταση, εμπεριέχουν και οι δύο μεγάλες ποσότητες παγωμένων πτητικών ενώσεων, διαθέτουν πολύπλοκα μαγνητικά πεδία, ενώ περιβάλλονται από ένα αχνό σύστημα δακτυλίων και διαθέτουν αρκετούς δορυφόρους ο καθένας. Επιπλέον, και οι δύο πλανήτες έχουν μπλε χρώμα, το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι το μεθάνιο στις ατμόσφαιρές τους απορροφά τα μήκη κύματος του ηλιακού φωτός που αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα (το βαθύτερο μπλε του Ποσειδώνα οφείλεται πιθανότατα στην ύπαρξη και άλλων, απροσδιόριστων ακόμη, ενώσεων). Οι ομοιότητές τους, ωστόσο, σταματούν εδώ.

Αυτή η φωτογραφία του Ποσειδώνα αποκαλύπτει ένα στρώμα πανταχού παρούσας ομίχλης που καλύπτει τον πλανήτη, σχηματίζοντας ένα ημιδιαφανές στρώμα. Οι περιοχές που φαίνονται κόκκινες καλύπτονται από τεράστιες ποσότητες μεθανίου.

  Η ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα, ενώ είναι παρόμοια με του Δία και του Κρόνου στο ότι αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο, μαζί με τα ίχνη υδρογονανθράκων και, ενδεχομένως, του αζώτου, περιέχει μεγαλύτερο ποσοστό των «πάγων», όπως νερό, αμμωνία και μεθάνιο. Οι αστρονόμοι κατηγοριοποιούν ενίοτε τους Ουρανό και Ποσειδώνα ως «γίγαντες πάγου», προκειμένου να τονίσουν τις διακρίσεις αυτές. Το εσωτερικό του Ποσειδώνα, όπως και του Ουρανού, αποτελείται κυρίως από πάγο και βράχους. Ίχνη μεθανίου στις εξώτερες περιοχές του πλανήτη ευθύνονται εν μέρει για την μπλε εμφάνιση του πλανήτη.

  Σε αντίθεση με τη σχετικά ήρεμη ατμόσφαιρα του Ουρανού, η ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα είναι αξιοσημείωτη για τα ενεργά και ορατά καιρικά φαινόμενα της.

Ατμόσφαιρα Ποσειδώνα

  Σε μεγάλο υψόμετρο, η ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα είναι 80% υδρογόνο και 19% ήλιο. Ένα ίχνος ποσότητας του μεθανίου είναι επίσης παρόν. Οι ευδιάκριτες ζώνες απορρόφησης του μεθανίου συμβαίνουν σε μήκη κύματος πάνω από 600 nm, στο κόκκινο και το υπέρυθρο τμήμα του φάσματος. Όπως και με τον Ουρανό, αυτή η απορρόφηση του ερυθρού φωτός από τον ατμοσφαιρικό μεθάνιο είναι μέρος αυτού που δίνει στο Ποσειδώνα το μπλε χρώμα του, αν και η έντονη γαλάζια απόχρωση του Ποσειδώνα διαφέρει από την ηπιότερη, γαλαζοπράσινη του Ουρανού. Δεδομένου ότι η ατμοσφαιρική περιεκτικότητα σε μεθάνιο του Ποσειδώνα είναι παρόμοια με αυτή του Ουρανού, κάποιο άγνωστο ατμοσφαιρικό συστατικό θεωρείται ότι συμβάλλει στο χρώμα του Ποσειδώνα.

  Η ατμόσφαιρα Ποσειδώνα υποδιαιρείται σε δύο κύριες περιοχές: το χαμηλότερο στρώμα της τροπόσφαιρας, όπου θερμοκρασία μειώνεται με το υψόμετρο και τη στρατόσφαιρα, όπου αυξάνεται η θερμοκρασία με το ύψος. Τα όρια μεταξύ των δύο, η τροπόπαυση, εμφανίζεται σε πίεση 0,1 bars (10 kPa). Η στρατόσφαιρα δίνει συνέχεια θέση για τη θερμόσφαιρα σε πίεση μικρότερη από 10−5 με 10−4 μικρομπάρ (1 έως 10 Pa ). Η θερμόσφαιρα βαθμιαία μεταβάλλεται στην εξώσφαιρα.

Τα μοντέλα δείχνουν ότι η τροπόσφαιρα του Ποσειδώνα είναι χωρισμένη σε σύννεφα διαφορετικών συνθέσεων ανάλογα με το υψόμετρο. Τα σύννεφα στο πάνω επίπεδο εμφανίζονται σε πιέσεις κάτω από ένα μπαρ, όπου η θερμοκρασία είναι κατάλληλη για να συμπυκνώσει το μεθάνιο. Για πιέσεις μεταξύ του ενός και πέντε ατμόσφαιρες (100 και 500 kPa), τα σύννεφα της αμμωνίας και του υδροθείου πιστεύεται ότι σχηματίζονται. Πάνω από μια πίεση των πέντε μπαρ, τα σύννεφα μπορεί να αποτελούνται από αμμωνία, θειούχο αμμώνιο, υδρόθειο και νερό. Βαθύτερη νέφη πάγου και νερού θα πρέπει να βρίσκονται σε πιέσεις περίπου 50 ατμοσφαιρών (5,0 MPa), όπου η θερμοκρασία φθάνει τους 0 °C. Από κάτω, σύννεφα της αμμωνίας και υδροθείου μπορεί να σχηματιστούν.

Κάθετα σύννεφα μήκους 200 χιλιομέτρων στην επιφάνεια του Ποσειδώνα

  Έχουν παρατηρηθεί στον Ποσειδώνα σύννεφα μεγάλου υψομέτρου να ρίχνουν σκιές στα αδιαφανή σύννεφα από κάτω. Υπάρχουν, επίσης, σε μεγάλο υψόμετρο λωρίδες νεφών που τυλίγονται γύρω από τον πλανήτη σε σταθερό γεωγραφικό πλάτος. Αυτές οι περιμετρικές ζώνες έχουν πλάτος της τάξης των 50-150 χλμ. και βρίσκονται περίπου 50-110 χλμ. πάνω από την επιφάνεια των νεφών.

  Το φάσμα του Ποσειδώνα δείχνει ότι η κατώτερη στρατόσφαιρα του είναι θολή λόγω της συμπύκνωσης των προϊόντων της υπεριώδους φωτόλυσης του μεθανίου, όπως το αιθάνιο και το ακετυλένιο. Η στρατόσφαιρα είναι επίσης το σπίτι μικρών ποσοτήτων μονοξειδίου του άνθρακα και υδροκυάνιου.  Η στρατόσφαιρα του Ποσειδώνα είναι θερμότερη από ότι του Ουρανού, λόγω της αυξημένης συγκέντρωσης των υδρογονανθράκων.

  Για λόγους που παραμένουν ασαφείς, η θερμόσφαιρα του Ποσειδώνα είναι σε ανώμαλα υψηλές θερμοκρασίες περίπου 750 Κ. Ο πλανήτης είναι πολύ μακριά από τον Ήλιο για να έχει παραχθεί αυτή η θερμότητα από την υπεριώδη ακτινοβολία. Ένας υποψήφιος μηχανισμός θέρμανσης είναι η ατμοσφαιρική αλληλεπίδραση με τα ιόντα του μαγνητικού πεδίου του πλανήτη. Άλλοι υποψήφιοι είναι κύματα βαρύτητας από το εσωτερικό τα οποία διαχέονται στην ατμόσφαιρα. Η θερμόσφαιρα περιέχει ίχνη διοξειδίου του άνθρακα και νερό, που μπορεί να έχουν κατατεθεί από εξωτερικές πηγές, όπως οι μετεωρίτες και σκόνη.

  Το μαγνητικό πεδίο του Ποσειδώνα μοιάζει με του Ουρανού και έχει παράξενο προσανατολισμό. Ο άξονας του μαγνητικού πεδίου σχηματίζει γωνία περίπου 50° με τον άξονα περιστροφής του πλανήτη και το κέντρο απέχει περίπου 13.500 χιλιόμετρα από το κέντρο του Ποσειδώνα (0,55 ακτίνες). Ο λόγος της μεγάλης αυτής απόκλισης δεν είναι ακόμη γνωστός. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι περίπου ίση με το 1/5 της έντασης του γήινου μαγνητικού πεδίου. Το μαγνητικό πεδίο πιθανόν να δημιουργείται από κινήσεις αγώγιμου υλικού (ίσως ένας συνδυασμός αμμωνίας, μεθανίου και νερού) στα μεσαία στρώματά του.

Αυτή η φωτογραφία από τον «Βόγιατζερ 2» δείχνει τη Μεγάλη Σκοτεινή Κηλίδα του Ποσειδώνα, μια καταιγίδα που θυμίζει τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα του Δία. Η βασική διαφορά είναι ότι η κηλίδα του Ποσειδώνα δεν είναι μόνιμο χαρακτηριστικό, αλλά εμφανίζεται και εξαφανίζεται κατά διαστήματα

   Το Voyager 2, η μοναδική διαστημοσυσκευή που επισκέφθηκε μέχρι σήμερα τον Ποσειδώνα, ανακάλυψε μία δυναμική ατμόσφαιρα με μεγάλες κυκλικές καταιγίδες, περιλαμβανομένου και ενός αντικυκλώνα στο μέγεθος της Γης, που ονομάστηκε Μεγάλη Σκοτεινή Κηλίδα. Ο αντικυκλώνας αυτός περιβαλλόταν από μικρότερους κυκλώνες, οι οποίοι κινούνταν με ταχύτητες που πλησίαζαν τα 2.200 km/h. Και πραγματικά, στον Ποσειδώνα έχουν καταγραφεί οι ισχυρότεροι άνεμοι στο Ηλιακό μας σύστημα. Δεδομένης της μικρής ποσότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στον Ποσειδώνα, τα μετεωρολογικά του φαινόμενα δεν ενεργοποιούνται τόσο από τον Ήλιο, όσο από μία εσωτερική πηγή θερμότητας, η προέλευση της οποίας δεν είναι ακόμη απολύτως κατανοητή. Γνωρίζουμε, ωστόσο, ότι ο Ποσειδώνας εκλύει 2,6 φορές περισσότερη θερμότητα απ’ όση προσλαμβάνει από τον Ήλιο. Δεδομένου ότι ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας έχουν παραπλήσιο μέγεθος και χημική σύσταση, το γεγονός ότι ο Ουρανός δεν διαθέτει κάποια ισχυρή πηγή εσωτερικής θερμότητας, όπως ο Ποσειδώνας, παραμένει ανεξήγητο.

    Υπάρχουν, ωστόσο, πολλά που συνεχίζουμε να αγνοούμε για τους παγωμένους γίγαντες του Ηλιακού μας συστήματος. Για παράδειγμα, πώς σχηματίστηκαν εντέλει οι δύο αυτοί πλανήτες και γιατί έχουν τις τροχιές που παρατηρούμε; Με ποιον ακριβώς τρόπο σχηματίστηκε το σύστημα δορυφόρων του κάθε πλανήτη; Ποια είναι η ακριβής χημική σύσταση της ατμόσφαιράς τους και ποια είναι η εσωτερική τους δομή; Γιατί ο Ουρανός δεν διαθέτει κάποια ισχυρή πηγή εσωτερικής θερμότητας, όπως ο Ποσειδώνας;

  Η μοναδική μέχρι στιγμής διαστημοσυσκευή που έχει επισκεφθεί τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα ήταν το Voyager 2, στα δεδομένα του οποίου οφείλονται πολλά απ’ όσα γνωρίζουμε σήμερα για τους δύο αυτούς πλανήτες. Το Voyager 2 προσέγγισε τον Ουρανό στην πλησιέστερη δυνατή απόσταση τον Αύγουστο του 1986 (περίπου 80.000 km πάνω από τα νέφη της ατμόσφαιράς του), προτού συνεχίσει το ταξίδι του προς τον Ποσειδώνα, τον οποίο και προσέγγισε στις 25 Αυγούστου 1989 (μόλις 5.000 km πάνω από τον βόρειο πόλο του). Η θρυλική αυτή διαστημοσυσκευή, που εκτοξεύθηκε τον Αύγουστο του 1977, εξήλθε από τον ηλιόσφαιρα τον Νοέμβριο του 1918 και κινείται πλέον στο μεσοαστρικό Διάστημα, ακολουθώντας τα ίχνη του Voyager 1, της δίδυμης διαστημοσυσκευής της, που επισκέφθηκε τον Δία και τον Κρόνο.

  Όπως η Γη, έτσι και ο Ουρανός, όπως και ο Ποσειδώνας έχουν εποχές, οι οποίες πιθανώς καθορίζουν τα χαρακτηριστικά στην ατμόσφαιρά τους. Η ειδοποιός διαφορά είναι ότι οι εποχές στους δύο γαλάζιους πλανήτες, είναι πολύ μεγαλύτερες σε σχέση με τις εποχές της Γης. Πιο συγκεκριμένα, η διάρκειά τους είναι ορισμένες δεκαετίες (γήινων χρόνων) και όχι μηνών, όπως τις ξέρουμε στον πλανήτη μας.      

   Ο καιρός στον πλανήτη έχει ένα σοβαρό δυναμικό σύστημα καταιγίδων. Επιπλέον, η ταχύτητα ανέμου μπορεί μερικές φορές να φθάσει τα 600 m / s (υπερηχητική ταχύτητα). Κατά την παρακολούθηση της κίνησης των νεφών παρατηρήθηκε μια αλλαγή στην ταχύτητα του ανέμου. Ανατολικά από 20 m / s. στη δύση - στα 325 m / s. Όσο για το ανώτερο στρώμα σύννεφο, εδώ η ταχύτητα του ανέμου ποικίλλει: κατά μήκος του ισημερινού από 400 m / s. στους πόλους - μέχρι 250 m / s. Ωστόσο, οι περισσότεροι άνεμοι δίνουν μια κατεύθυνση αντίθετη προς την περιστροφή του Ποσειδώνα γύρω από τον άξονά του. Το μοτίβο ανέμου δείχνει ότι η κατεύθυνσή τους σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη συμπίπτει με την κατεύθυνση της περιστροφής του πλανήτη και σε μικρά γεωγραφικά πλάτη είναι εντελώς αντίθετη προς αυτήν. Η διαφορά στην κατεύθυνση των ανέμων, πιστεύουν οι επιστήμονες, είναι συνέπεια του "εφέ οθόνης" και δεν σχετίζεται με βαθιές ατμοσφαιρικές διεργασίες. Η ατμοσφαιρική περιεκτικότητα σε αιθάνιο, μεθάνιο και ακετυλένιο στην περιοχή του ισημερινού είναι δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές υψηλότερες από το περιεχόμενο αυτών των ουσιών στην περιοχή του πόλου. Αυτή η παρατήρηση υποδηλώνει ότι υπάρχει ανοδική ανάπτυξη στον ισημερινό του Ποσειδώνα και πιο κοντά στους πόλους. Το 2007, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι η ανώτερη σφαίρα της τροπόσφαιρας του νότιου πόλου του πλανήτη ήταν 10 ° C θερμότερη σε σύγκριση με άλλο τμήμα του Ποσειδώνα, όπου η μέση θερμοκρασία είναι -200 ° C. Επιπλέον, μια τέτοια διαφορά είναι αρκετή για το μεθανίου στις υπόλοιπες περιοχές του ανώτερου τμήματος της ατμόσφαιρας να καταψυχθεί, ώστε να διαρρεύσει βαθμιαία στο διάστημα στον νότιο πόλο. Λόγω εποχιακών αλλαγών, οι ζώνες σύννεφων στο νότιο ημισφαίριο του πλανήτη αυξήθηκαν σε albedo και το μέγεθος. Αυτή η τάση εντοπίστηκε στο 1980, σύμφωνα με τους ειδικούς, θα διαρκέσει μέχρι το 2020 με την εμφάνιση μιας νέας εποχής στον πλανήτη, η οποία αλλάζει κάθε σαράντα χρόνια.

Η μεγάλη Σκοτεινή Κηλίδα (επάνω), το Σκούτερ (μεσαίο λευκό νέφος),και η Μικρή Σκοτεινή Κηλίδα (κάτω), με την αντίθεση τονισμένη.

  Η νέα φωτογραφία που τράβηξε το Hubble από τον Ποσειδώνα, φανερώνει μία σκοτεινή καταιγίδα, που βρίσκεται στο πάνω πόλο. Εμφανίζεται κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού στο νότιο ημισφαίριο του πλανήτη. Είναι η τέταρτη και τελευταία μυστηριώδης σκούρα δίνη που συλλαμβάνεται από το Hubble, από το 1993. Δύο άλλες σκοτεινές καταιγίδες ανακαλύφθηκαν από το διαστημόπλοιο Voyager 2 το 1989, καθώς πετούσε κοντά στον μακρινό πλανήτη. Από τότε, μόνο το Hubble είχε την ευαισθησία στο μπλε φως για να εντοπίσει αυτά τα αόριστα χαρακτηριστικά.
 Μια μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Berkeley, εκτιμά ότι τα σκοτεινά σημεία εμφανίζονται κάθε τέσσερα έως έξι χρόνια σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη και εξαφανίζονται μετά από περίπου δύο χρόνια.
  Στα δεξιά του σκοτεινού χαρακτηριστικού είναι τα φωτεινά λευκά «σύννεφα συντροφιάς». Το Hubble έχει παρατηρήσει παρόμοια σύννεφα που συνοδεύουν προηγούμενες δίνες. Τα φωτεινά σύννεφα σχηματίζονται όταν η ροή του ατμοσφαιρικού αέρα διαταράσσεται και εκτρέπεται προς τα πάνω από τον σκοτεινό στρόβιλο, προκαλώντας την κατάψυξη αερίων σε κρυστάλλους πάγου από μεθάνιο. Αυτά τα σύννεφα είναι παρόμοια με τα σύννεφα που εμφανίζονται ως χαρακτηριστικά σε σχήμα κρέμας, όταν ο αέρας ωθείται πάνω από τα βουνά στη Γη (αν και ο Ποσειδώνας δεν έχει στερεά επιφάνεια).
  Δεν είναι σαφές πώς σχηματίζονται αυτές οι καταιγίδες. Αλλά όπως το Μεγάλο Κόκκινο Σημείο του Δία, οι σκοτεινές δίνες στροβιλίζονται σε μια αντικυκλωνική κατεύθυνση και φαίνεται να εκτοξεύουν υλικό από βαθύτερα επίπεδα στην παγωμένη ατμόσφαιρα.

  Οι παρατηρήσεις του Hubble δείχνουν ότι ήδη από το 2016, η αυξημένη δραστηριότητα νεφών στην περιοχή προηγήθηκε της εμφάνισης του στροβίλου. Οι εικόνες υποδεικνύουν ότι οι δίνες πιθανότατα αναπτύσσονται βαθύτερα στην ατμόσφαιρα του Ποσειδώνα και γίνονται ορατές μόνο όταν η κορυφή της καταιγίδας φτάνει σε υψηλότερα υψόμετρα. 

  Στον Ποσειδώνα, από την άλλη, έχουν καταγραφεί οι ισχυρότεροι άνεμοι από κάθε άλλο ουράνιο σώμα του Ηλιακού μας συστήματος, οι οποίοι υπερβαίνουν ακόμη και τα 2.000 km/h.

  Μία από τις υποθέσεις που έχουν προταθεί, προκειμένου να ερμηνευτεί η περίσσεια της θερμότητας που αποβάλλει ο Ποσειδώνας, σε σχέση μ’ αυτήν που προσλαμβάνει απ’ τον Ήλιο, σχετίζονται με τις τεράστιες πιέσεις που επικρατούν στο εσωτερικό του. Εξαιτίας των πιέσεων αυτών, τα άτομα του άνθρακα που εμπεριέχει ο Ποσειδώνας συμπιέζονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας διαμάντια, τα οποία πέφτουν προς τον πυρήνα του σαν χαλάζι, μετατρέποντας την δυναμική τους ενέργεια σε θερμότητα.

Η φασματική ανάλυση δείχνει ότι η στρατόσφαιρα είναι ομιχλώδης λόγω της συσσώρευσης μιγμάτων που δημιουργούνται από την επαφή των ακτίνων UV και του μεθανίου. Το μονοξείδιο του άνθρακα και το κυανιούχο υδρογόνο είναι αισθητά σε αυτό.