...ili, kada su planete patuljci imale reke i jezera azota
Postoje li reke i jezera u Kajperovom pojasu? Donedavno se mislilo da je to malo verovatno, ali posle posete sonde “New Horizons” Plutonu jula 2014. sumnje su raspršene. Ili nisu? Sve složenije analize podataka sa NH pokazuju da nema jezera tečnog azota na površini sada, ali da ih je verovatno bilo u prošlosti i biće ih u budućnosti.
Naslage azotnog leda koje su možda nekad predstavljale jezero. (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
Da bi razumeli ovaj neobični fenomen privremenih jezera na granicama Sunčevog sistema, prvo moramo da razumemo ciklus Plutonovih godišnjih doba. Na Zemlji, za promenu godišnjih doba „krivac“ je nagib ose rotacije naše planete (u odnosu na Sunčevu osu, tj. ravan ekliptike), koji kao što svi znamo iznosi 23,5 stepeni (23,439281°). Što je veća nagnutost ose nekog tela – pojava koju astronomi nazivaju nagib – ekstremnija su njegova godišnja doba. Plutonova osa je nagnuta za 120 stepeni!
To znači dve stvari: prvo, Pluton rotira na „suprotnu stranu“ od većine planeta solarnog sistema[1]. To je razlog zbog kojeg razlika između Plutonovog „severa“ i „juga“ može da izazove glavobolje (prema konvenciji, polulopta koju je snimio „New Horizons“ smatra se severnom, ili pozitivnom, ali u zavisnosti od izvora moguće je naći i suprotna mišljenja). Pošto je za razumevanje godišnjih doba nagib od 120° ekvivalentan nagibu od 60°, slobodno možeš da u mislima koristiš i taj broj[2].
Poređenje arktičkih regona Zemlje (levo) i Plutona. (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
Druga posledica, ona koja se ovde nas više tiče, jeste da su Plutonova godišnja doba ekstremnija nego zemaljska. Ali stvar komplikuje činjenica da ionako rekordno nagnuta orbita Plutona ima i veliki ekscentricitet (e = 0,26[3]), 15 puta veći od Zemljinog. To znači da je razlika između najbliže i najdalje tačke od Sunca ni manje ni više nego 1.420 miliona kilometara (skoro kao od Saturna do Sunca!). Veliki ekscentricitet generiše dve posledice. Prva je da godišnja doba ne traju jednako, jer se Pluton po orbiti kreće različitom brzinom. Druga je da različita insolacija (osunčanost) izaziva dodatni ciklus godišnjih doba koji se preklapa sa onim koji je izazvan nagnutošću ose rotacije. Na taj način Poluton ima dvostruki set godišnjih doba tokom jedne svoje godine koja traje 248 naše godine.
Plutonova orbita. Solsticijumi (ili kako ga Hrvati duhovito nazivaju „suncostaj“) i ekvinocijum (ravnodnevice) odnose se na poluloptu koju je posetio „New Horizons“. (Mike Brown)
Pogledajmo sada jedan primer. Proleće je na „severnoj“ polulopti (onoj koju je snimio NH) započelo je 1987. godine a dve godine kasnije Pluton je prošao kroz perihel – tačku na orbiti najbližu Suncu.Zbog toga, i uprkos tome što je bila ravnodnevica, temperatura je u tropskim pojasevima na obe polulopte dostigla maksimalne vrednosti i tako je počelo „leto“ zbog ekscentriciteta orbite („orbitno leto“). Vremenom, severna polulopta prima sve više Sunčevog osvetlenja i 2029. će na severnoj polulopti nastupiti letnji solsticijum (najduži dan[4] a najduža noć), tj. tradicionalno leto izazvano nagibom ose. Pluton će proći kroz afel 2114, što će dovesti do „orbitne zime“ na obe polulopte mnogo pre zimskog solsticijuma (najduža noć a najkraći dan) na severnoj polulopti, a koja će početi 2192. godine. Južna polulopta ima ista „orbitna godišnja doba“ kao i severna, ali su ona zbog smera ose rotacije suprotna.
Na Zemlji, gde godišnja doba zavise jedino od nagnutosti ose, imamo arktičke pojaseve (gde Sunce nestaje iza horizonta u neko doba godine[5]) i tropske pojaseve (gde Sunce prolazi kroz zenit makar jednom godišnje). No na Plutonu, zbog dvostrukih godišnjih doba, postoje pojasevi koji imaju i tropsku i arktičku klimu. To su zone gde u nekom periodu godine Sunce nestaje ali i gde ono tokom leta prolazi kroz najvišu tačku na nebu. Interesantno, ekvatorski pojas na Plutonu, lociran između tih čudnih pojaseva, podudara se sa pojasom tamnog terena koji se prostire skoro čitavim obimom planete patuljka (kao što je slučaj sa Cthulhu Regiom).
Jedinstveni arktički tropi na Plutonu. (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
Počinje da te boli glava? Sačekaj malo jer ima nastavak i tek sada počinje zanimljiv deo. Nagib Plutonove ose nije konstantan, već se veruje da se menja od 103° do 127° u približnim ciklusima od pola miliona godina. Te promene, povezane sa velikim ekscentricitetom orbite, dovode do toga da se Pluton suočava sa interkalacijom[6] perioda sa neobično toplim letima na severnoj polulopti a drugi put periodom sa toplim letima na južnoj polulopti (trenutno se Pluton nalazi u prelaznom periodu). Zato je pre 800.000 godina osa rotacije bila nagnuta za oko 103° te su arktički tropi pokrivali mnogo veću površinu nego danas. Tokom daljih 600.000 godina, za koje vreme se osa pomerila do 127°, površina tih pojaseva je bila manja nego što je trenutno. Te promene se daju uporediti sa Milankovćevim ciklusima koji utiču na Zemlju, i koji su odgovorni za nastanke naših ledenih doba. Glavna razlika je, naravno, u tome što ovde govorimo o temperaturama koje su blizu apsolutnoj nuli [trenutna temperatura na Plutonu je između
-228° C (45 K) i -236° C (37 K)].
Promene u nagibu Plutonove ose izazivaju značajne klimatske promene. (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
Protezanje klimatskih zona u zavisnosti od ciklusa promena Plutonove ose. (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
Ekvatorijalna zona koja nikad ne čini deo arktičkih regiona tokom klimatskog ciklusa i poklapa se sa tamnim terenom bogatim površinskim vodenim ledom. (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute).
Ali pored promena u temperaturi, klimatske promene naročito utiču na formiranje atmosfere. Ne treba zaboraviti da Pluton nije ništa drugo do ogromna kometa[7], sa površinom pokrivenom svim vrstama ledova – azotnim, metanskim i ugljen-dioksidnim, koji sublimiraju i konstantno „beže“ u kosmos (ne i vodeni led, koji je na Plutonu stabilan i tvrd kao stena). Zato je atmosferski pritisak vrlo osetljiv na površinsku temperaturu, koja je, videli smo, vrlo promenljiva. Sada je pritisak na Plutoni svega 0,01 milibar (površinski pritisak na Zemlji je 1013 mb). Tačno, vrlo je slab, ali dovoljan da kreira složen sistem vetrova i magle na planeti patuljku.
Temperaturne razlike mogu da izazovu porast sublimacije azotnog leda, što povećava površinski pritisak za sto do hiljadu puta od trenutne vrednosti (!). Na kraju svog Milankovićevog cikljusa, pritisak Plutonove atmosfere može da bude između 10 i 100 mb – i dalje daleko ispod našeg pritiska, ali između 4 i 40 puda manji od pritiska Marsove atmosfere danas (usput, Mars takođe oseća Milankovićev ciklus i prolazi kroz promene atmosferskog pritiska, mada ne tako drastično).
Varijacije u atmosferskom pritisku u zavisnosti od godišnjih doba i Plutonovog klimatskog ciklusa. (NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)
Tokom tih ekstremnih pritisaka i temperature na površini Plutona, azotna trojna tačka je daleko iznad[8], što znači da je moguće da na planeti patuljku postoje stabilna jezera i reke tečnog azota. Naravno, za sada samo u teoriji,. Ali postoje li ikakvi dokazi za to? Prema izjavama tima „New Horizonsa“, postoje. U brdovitim krajevima koji okružuju ravnicu Sputnik, formiranu od azotnog leda i ugljenikovog monoksida, uočava se mreža dolina vrlo slična dolinama na Marsu ili Zemlji (koje je stvorila voda a ne azot), kao i neobične naslage zaleđenog azota u nečemu što su verovatno u prošlosti bila jezera.
Pejzaž verovatno nastao erozijom leda ili reka azota. (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
Formacije nastale verovatnim prisustvom azotne glacijacije u prošlosti. (NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
Činjenica je da nisu potrebne azotne reke i jezera da bi se objasnile ove geološke tvorevine, koje su možda napravili azotni lednici tokom nekih faza klimatskog ciklusa Plutona. Ti lednici su se, u zavisnosti od faze ciklusa, selili iz jedne u drugu zonu planete patuljka. Tačno je da tečni azot ima manju gustinu od azotnog leda, tako da je u delovima u kojima se sakupi dovoljna debljina azota moguće stvoriti sloj tečnosti na dnu pod dejstvom pritiska i, ako su pritisak i temperatura pravi, ostaje tečna dok se uslovi ne promene.
Ako je Pluton imao periode sa debelim lednicima, oni su mogli da erodiraju površinu načinjenu od vodenog leda. Takvi komadi vodenog leda, manje gustine, mogli su da se podignu do površine i, promenom klime i smanjivanjem veličine lednika, ostanu u vidu planinskih lanaca da plutaju na azotnom ledu (npr. planine Al-Idrisi).
Možda bi klimatski ciklusi mogli da objasne formiranje planine leda na Plutonu. (James Keane)
Očigledno, mala erozija na velikoj površini Plutona ukazuje da su ove epizode sa promenama lednika i jezerima azota nisu jako duge, ali u svakom slučaju postaje jasno da tela spoljnjeg solarnog sistema, čak i kada su smeštena u Kajperovom pojasu[9], mogu geološki biti aktivna kao i ona u unutrašnjosti solarnog sistema.
Reference:
- http://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2016/pdf/1089.pdf
- http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/Press-Conferences/March-21-2016.php
- http://www.nasa.gov/feature/pluto-on-frozen-pond
- https://en.wikipedia.org/wiki/Kuiper_belt
- https://en.wikipedia.org/wiki/Dwarf_planet
- https://en.wikipedia.org/wiki/Pluto
- https://en.wikipedia.org/wiki/Axial_tilt
[1] Nema potrebe kriti: retrogradne planete su Venera i Uran! Venera ima nagib orbite 177° a Uran 97,77°. Pošto je konvencija da se sva tela u našem sistemu (kada se gledaju odozgo, iz pravca Sunčevog severnog pola) okreću u istom pravcu kao i Sunce, tj. suprotno pravcu kazaljke na satu, za njih kažemo da su progradne, a svi ostali su retrogradni, tj. „suprotni“. Pošto su kod planeta Vener i Uran ose rotacije tako nagnute da su njihovi južni polovi IZNAD ravni ekliptike, po konvenciji, kada se gledaju odozgo, stiče se utisak da se okreću suprotno od ostalih planeta, ali kada bi im „ispravili“ ose videli bi da se i one okreću „normalno“ Konvencije su čudo čak i u astronomiji!
Nagib ekliptike se pomerao u rasponu od 3° u poslednjih 5-6 miliona godina.
[2] Zanimljivo mi je da NASA navodi da je nagib Plutonove ose 57,47°, a Međunarodno astronomsko udruženje (IAU) kaže da je 60,41°.
[3]Toliki je da se tokov vremena dešava da Neptun bude dalji od Sunca od Plutona! To je bilo 1979-1999. To će se ponovo dogoditi tek za 220 godina.
[4] Plutonov dan (tj. dan+noć) traju 6,39 naših dana. Plutonova godina traje 247,7 nažih dana.
[5] Tada nedeljama (pa i mesecima, u zavisnosti od geografske širine) Sunce ne izlazi nego vlada polarna zima.
[6] Lat. Intercalo – dodavanje, ubacivanje. Npr. izraz interkalacija dana označava dodavanje dana u prestupnoj godini.
[7]Npr. Tyson Neil deGrasse (1999). "Pluto Is Not a Planet". The Planetary Society. Archived from the original on September 27, 2011. Retrieved November 30, 2011. Teorija kaže da bi Pluton, kada bi se postavio na Zemljinu orbitu, vukao rep za sobom.
[8]Trojna tačkaje temperatura i pritisak na kojima neka materija postoji i u tečnom i u gasovitom i u čvrstom stanju. Za azot, ona iznosi 63,151 K, 12,52 kPa.
[9] Proteže se od ~30 AJ do ~50 AJ od Sunca pa nadalje. Od asteroidnog pojasa je 20 puta veći i 20-200 puta masivniji.
, 
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
