Przełomowe odkrycie JWST: Mgła atmosferyczna Plutona kształtuje klimat i ucieczkę gazów.

Odległa planeta karłowata Pluton, znana z mroźnych temperatur i zagadkowych cech, skrywa więcej tajemnic atmosferycznych, niż wcześniej sądzono. Ostatnie przełomowe obserwacje dokonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) ujawniły obecność wszechobecnej mgły atmosferycznej. To odkrycie rzuca nowe światło na złożone procesy rządzące cienką atmosferą Plutona, ukazując, jak ta mgła jednocześnie przyczynia się do chłodzenia atmosferycznego planety, a jednocześnie ułatwia ucieczkę kluczowych cząsteczek organicznych w przestrzeń kosmiczną, z których część jest następnie przechwytywana przez jego księżyc, Charona.

Rozwikłanie ucieczki atmosferycznej

Istnienie tej mgły atmosferycznej po raz pierwszy wysunął jako teorię w 2017 roku planetolog Xi Zhang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Hipoteza Zhanga miała na celu wyjaśnienie zagadkowej nieszczelności rzadkiej atmosfery Plutona. Wcześniejsze pomiary z sondy NASA New Horizons, która przeleciała obok Plutona i Charona w 2015 roku, wykazały znaczną utratę metanu w przestrzeń kosmiczną. Precyzyjnie, Will Grundy z Obserwatorium Lowell w Arizonie obliczył, że atmosfera Plutona traciła około 1,3 kilograma metanu na sekundę. Co intrygujące, około 2,5% tego uciekającego metanu jest przechwytywane przez Charona, co prowadzi do charakterystycznego czerwonego zabarwienia obserwowanego na jego biegunach – zjawiska unikalnego w naszym Układzie Słonecznym, gdzie atmosfera jednego ciała bezpośrednio wpływa na sąsiadującego towarzysza.

Podstawowa przyczyna tej ucieczki atmosferycznej pozostawała tajemnicą. Zhang zasugerował, że gdyby w atmosferze Plutona istniała warstwa mgły, mogłaby ona absorbować słabe, skrajnie ultrafioletowe światło emitowane przez odległe słońce. Ta zaabsorbowana energia dostarczyłaby wówczas niezbędnego bodźca dla cząsteczek atmosferycznych do osiągnięcia prędkości ucieczki i dryfowania w przestrzeń kosmiczną.

Podwójna rola mgły: Chłodzenie i ogrzewanie

Oprócz swojej roli w umożliwianiu ucieczki atmosferycznej, Zhang wysunął również tezę, że mgła może wywierać wpływ chłodzący na atmosferę Plutona. Ten efekt chłodzenia został wcześniej wykryty w mezosferze Plutona, warstwie atmosferycznej położonej między 20 a 40 kilometrami (około 12 do 25 mil) nad powierzchnią. W tym regionie temperatury znacznie spadają, osiągając minimum około minus 203 stopni Celsjusza (70 Kelvinów).

Pomimo tych przekonujących teorii, bezpośrednie potwierdzenie istnienia mgły atmosferycznej Plutona pozostawało nieuchwytne aż do pojawienia się JWST. Poprzednie misje, takie jak Europejskie Obserwatorium Kosmiczne w podczerwieni (1997), Kosmiczny Teleskop Spitzera NASA (2004) i Europejskie Obserwatorium Kosmiczne Herschel (2012), wykryły emisję w średniej podczerwieni z systemu Pluton-Charon. Jednakże ich instrumenty nie miały wystarczającej rozdzielczości, aby rozróżnić Plutona od Charona, co uniemożliwiło naukowcom precyzyjne określenie źródła emisji. JWST, z jego potężnym 6,5-metrowym zwierciadłem głównym i Instrumentem Średniej Podczerwieni (MIRI), posiadał zdolność rozróżniania tych dwóch ciał.

Jako kluczowy członek zespołu kierowanego przez Tanguy Bertranda z Obserwatorium Paryskiego, Zhang wykorzystał JWST do pomyślnego wykrycia termicznej emisji w średniej podczerwieni pochodzącej z długo poszukiwanej mgły. Bertrand opisał mgłę jako „warstwy stałych aerozoli zawieszonych wysoko w atmosferze”, które rozpraszają światło i tworzą półprzezroczystą warstwę.

Dynamika atmosfery Plutona

Atmosfera Plutona składa się głównie z azotu, ze śladowymi ilościami dwutlenku węgla i węglowodorów, takich jak metan, benzen i diacetylen. Nadzwyczaj cienka, jej ciśnienie powierzchniowe wynosi zaledwie 13 mikrobarów, co jest wartością znikomą w porównaniu z jednym barem na Ziemi. Ze względu na niską grawitację Plutona, jego górna atmosfera rozciąga się znacząco, obejmując kilka promieni Plutona (promień Plutona wynosi 1188,3 kilometra lub 737 mil). Ten rozległy zasięg oznacza, że cząsteczki potrzebują jedynie niewielkiego energetycznego impulsu, aby uciec w przestrzeń kosmiczną, a słońce dostarcza głównego źródła energii.

Bertrand wyjaśnił, że „znaczna część docierającego słonecznego promieniowania skrajnie ultrafioletowego jest absorbowana przez górną atmosferę, co prowadzi do ogrzewania, które napędza utratę masy atmosferycznej.” Azot i metan są kluczowymi gazami odpowiedzialnymi za pochłanianie promieniowania w tych długościach fal.

Zdolność mgły do ogrzewania i chłodzenia atmosfery jest złożonym wzajemnym oddziaływaniem, zależnym od jej specyficznych właściwości, takich jak rozmiar cząstek, kształt i skład (czy jest lodowa, czy nie). Czynniki te są nadal aktywnie badane przy użyciu zaawansowanych modeli mikrofizycznych. Ostatecznie mgła odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu ogólnego bilansu energetycznego w atmosferze Plutona, wpływając na globalne temperatury, cyrkulację atmosferyczną i unikalny klimat planety. Ten system klimatyczny jest w dużej mierze rządzony przez cykle sublimacji i zamarzania molekularnego azotu, metanu i tlenku węgla, z czego duża część pochodzi z rozległego lodowca w obrębie Sputnik Planitia, charakterystycznej, w kształcie serca formacji na powierzchni Plutona.

Zhang dalej rozwinął ten delikatny bilans energetyczny, zauważając, że wcześniejsze obserwacje temperatury z New Horizons w 2015 roku wskazywały, że ogrzewanie gazów znacznie przewyższało ich chłodzenie. Ta nierównowaga sugerowała, że atmosfera jest netto ogrzewana radiacyjnie, co wymagało od mgły zapewnienia niezbędnego netto chłodzenia radiacyjnego, aby utrzymać równowagę. Pytanie, czy mgła konsekwentnie zapewnia efekt netto chłodzenia we wszystkich porach roku, pozostaje otwarte, biorąc pod uwagę dramatycznie zmienną ścieżkę orbitalną Plutona.

Ekscentryczność orbity i kosmiczne powiązania

Wysoce wydłużona orbita Plutona przenosi go z odległości bliższej Słońcu niż Neptun do niemal dwukrotnie dalszej. Ta znacząca zmienność w bliskości Słońca głęboko wpływa na ilość ciepła, jaką otrzymuje Pluton, prowadząc do ekstremalnych różnic sezonowych.

Co ciekawe, mgła Plutona wykazuje uderzające podobieństwo do mgły bogatej w węglowodory, znajdującej się w atmosferze największego księżyca Saturna, Tytana. Obie mgły tworzą się w wyniku podobnych procesów fotochemicznych, w których skrajnie ultrafioletowe światło słoneczne reaguje z azotem i metanem. Ponadto, badanie atmosfery Plutona może dostarczyć cennych informacji na temat warunków panujących na wczesnej Ziemi. Zanim ponad 2,4 miliarda lat temu pojawiła się atmosfera bogata w tlen, nasza własna planeta mogła posiadać mgłę węglowodorową podobną do tej na Plutonie, choć znacznie gęstszą. Te badania, opublikowane 2 czerwca w czasopiśmie Nature Astronomy, zapewniają głębsze zrozumienie ewolucji atmosfer planetarnych w całym kosmosie.

newsblog.pl