PRAHA. Pred 35 rokmi opustila Zem dvojica medziplanetárnych sond Voyager. Cieľom ich cesty dlhej miliardy kilometrov boli exotické vzdialené svety obrovských plynných planét.
Atmosférické podmienky, ktoré tam sondy našli, obrátili hore nohami všetko, čo sme o počasí vedeli už z našej domovskej planéty. Aj neskoršie misie, Galileo a Cassini priniesli z kozmických diaľav informácie o tom, že od planéty k planéte je počasie nielen krajne rozdielne, ale často nadobúda extrémne až bizarné formy.
Okrem toho nám výskum vzdialenejších planét a ich satelitov pomohol objasniť aj evolučný vývoj a pôvod chemického zloženia ich plynných obalov.
Na rozdiel od atmosfér vnútorných terestrických planét (Merkúr, Venuša, Zem a Mars) bohatých na ťažšie a zložitejšie chemické prvky, ako napríklad dusík, oxid uhličitý či kyslík, majú gigantické planéty (Jupiter, Saturn, Urán a Neptún) atmosféry plné jednoduchých a prchavých plynov (vodík, hélium, metán, vodná para, atď.), ktoré pred miliardami rokov skondenzovali pod vplyvom silnejšej gravitácie do podoby veľmi aktívnych a dynamicky sa vyvíjajúcich plynno-kvapalinových obalov.
Zatiaľ čo vnútorné planéty o všetky ľahšie plyny v dôsledku vyššej povrchovej teploty a slabej gravitácie prišli ešte v počiatočných štádiách svojho vývoja a nahradili ich substanciami pochádzajúcimi predovšetkým z vulkanizmu, chemické zloženie atmosfér vonkajších planét veľmi pravdepodobne ostáva už niekoľko miliárd rokov bez podstatnejšej zmeny.
Podivný svet plynných obrov
Aj keď ich nazývame plynnými planétami, prevažnú časť ich objemu a hmotnosti netvorí nič, čo by sme plynom nazvali.
Dokonca aj pojem atmosféra sa v ich prípade stáva ťažšie uchopiteľný, pretože na rozdiel od malých terestrických a Zemi podobných telies, nemajú planéty ako Jupiter pevný povrch, ktorý by oddeľoval plynnú atmosféru od pevného geologického podkladu.
Pri veľkých planétach panuje teda predstava, že sú zložené z postupne hustnúcich plynných, tekutých a nakoniec pevných vrstiev vodíka a hélia, ku ktorým na Uráne a Neptúne významnejším podielom pristupujú metán a amoniak (čpavok). Najvnútornejšie jadro je potom tvorené kamenným a veľmi horúcim terestrickým telesom s veľkosťou o niečo prevyšujúcou Zem.
Spoločným znakom všetkých veľkých planét je aj existencia veľmi výrazného teplotného gradientu atmosféry vo vertikálnom smere – zatiaľ čo horné vrstvy atmosfér a oblačnosti sú mimoriadne chladné (menej ako -150°C), vrstvy ležiace len o 100 až 150 km nižšie sú vyslovene horúce, s teplotou niekoľko stoviek stupňov Celzia.
Tento veľký teplotný rozdiel, generovaný vnútorným teplom veľkých planét, je zdrojom intenzívnej turbulencie. Keď sa k tomu všetkému pripočíta aj vplyv rýchlej rotácie, niet sa čomu čudovať, že atmosféry plynných gigantov sú tak mimoriadne dynamické.
Extrémne a monotónne počasie
Počasie na Zemi je zaujímavé svojou veľkou premenlivosťou, ktorá občas dobre „prevetrá“ naše schopnosti ho predpovedať. Na ostatných planétach sa však počasie odvíja v takmer otrockej pravidelnosti, ale s veľkými extrémami.
Teplota v najchladnejších miestach Zeme neklesá pod mínus 90 °C, ani nepresahuje v tých najteplejších 60 °C. Pri porovnaní s podmienkami na Venuši, Marse či Jupiteri však nadobúda pojem „extrémnosť“ celkom iný význam.
Napríklad na planétach bližších ku Slnku než Zem neklesnú teplotné maximá nikdy pod 400 °C, naopak na tých vzdialenejších takmer vôbec nevystupujú nad nulu.
Mimoriadnu extrémnosť však dosahujú aj niektoré iné meteorologické prvky, napríklad vietor. Na Zemi sme zatiaľ ani v prípade maximálnych nárazov nezaznamenali vietor s rýchlosťou cez 400 km/h.
Aj keď je Zem v priemere relatívne veterná planéta, v porovnaní s takým Saturnom či dokonca Neptúnom je naša planéta „veľmi“ pokojným miestom. V dôsledku minimálnej turbulencie sa vzduchové hmoty, napríklad na Saturne, ženú okolo planéty nadzvukovou rýchlosťou, a dokonca na Neptúne dosahuje vietor v priemere rýchlosť vyše 2000 km/h.
Zdajú sa Vám pozemské hurikány niekedy obrovské? Ak áno, potom skúste zacieliť svoje ďalekohľady na Jupiter. Jeho atmosférou sa rúti búrka za búrkou, jedna väčšia ako druhá. A tie najväčšie, ako napríklad Veľká červená škvrna, jasne identifikovateľná v južnom tropickom pásme planéty, sú dokonca niekoľkonásobne väčšie ako Zem.
Búrkové systémy na Jupiteri, a veľmi pravdepodobne aj na ďalších plynných planétach, sú podobne ako na Zemi poháňané silnou konvekciou, no vzhľadom na väčšiu rotáciu veľkých planét majú diametrálne odlišnú a dodnes nie celkom pochopenú dynamiku.
Pozoruhodné je to, že na vonkajších planétach je teplotný profil, ako aj veľkosť teplotného gradientu atmosfér takmer identický, čo sa dá vysvetliť len tým, že zdrojom ohrievania spodných vrstiev atmosfér nie je v tomto prípade Slnko, ako tomu je na Zemi, ale teplo unikajúce z útrob planét.
Počasie potrebuje atmosféru
Kľúčovým predpokladom existencie počasia je atmosféra. Až na výnimky ju majú všetky známe planéty, dokonca aj niektoré väčšie mesiace.
Schopnosť planéty udržať si atmosféru závisí od viacerých faktorov, predovšetkým od únikovej rýchlosti a teploty molekúl plynu v blízkosti povrchu telesa.
Rovnica vyzerá takto: čím ťažší je plyn a čím nižšia povrchová teplota, tým nižšia je rýchlosť molekúl plynu a vyššia schopnosť planéty udržať si atmosféru. Unikátnosť atmosférických podmienok, s akou sa stretávame na ostatných telesách našej sústavy, preto neurčuje iba ich vzdialenosťou od Slnka či tvar obežných dráh.
Dôležité sú aj vlastnosti samotnej planéty, predovšetkým jej veľkosť, chemické zloženie atmosféry, ako aj prítomnosť vnútorného zdroja energie.
Extrémny Merkúr
Merkúr má nízku hmotnosť a vysoké povrchové teploty. To mu dovoľuje udržať si iba subtílnu atmosféru, ktorej zloženie je však veľmi zaujímavé.
Do slabého gravitačného a magnetického poľa planéty sa dostávajú zo solárneho vetra hélium a vodík. Ďalej sú to draslík, sodík, kyslík a vodná para, ktorých zdrojom je rádioaktívny rozpad ťažších prvkov a uvoľňovanie plynov z kôry Merkúru, a tiež dopady malých telies alebo zvyškov komét na jeho povrch.
Merkúr zaujme aj najväčším rozsahom povrchovej teploty v Slnečnej sústave. Blízkosť k Slnku a extrémne riedka atmosféra vedú k tomu, že teplota na oslnených častiach dosahuje až +430 °C, zatiaľ čo na nočnej strane môže klesnúť pod -180 °C.
Horúca Venuša
Ukrýva susedná Venuša pod vrstvou oblačnosti teplý a vlhký svet, pripomínajúci amazonskú džungľu?
Tieto lákavé (pred)vedecké vízie sa rozplynuli po misiách sovietskych sond Venera, ktoré ukázali horúcu a neprívetivú planétu s azda najnehostinnejšou atmosférou v našej sústave.
Vysoká koncentrácia oxidu uhličitého (asi 97 objemových percent), ktorý sa na rozdiel od Zeme nemôže viazať do geologického podložia, podporuje „superskleníkový“ efekt: teploty vystupujú vysoko nad 460 °C vo dne aj v noci. Nehostinné podmienky ešte zhoršuje kyselina sírová, padajúca z oblakov visiacich 45-60 km nad povrchom.
Predpoveď počasia by však bola v prípade Venuše veľmi nudná. Každý deň extrémne vysoký atmosférický tlak (90-násobok pozemského), žieravý kyslý vzduch s minimom vlhkosti a občasným závanom vetra (do 7 km/h) a nakoniec teploty, pri ktorých sa bez problémov taví olovo.
Jednoducho podmienky, ktoré planétu spoľahlivo ochránia pred nevítanou návštevou. Apropo, asi takto nejako vyzerala Zem pred štyrmi miliardami rokov.
Chladný púštny Mars
Mars pripomína chladnú a suchú púšť s priemernou teplotou -46 °C. Atmosféra síce obsahuje 95 percent oxidu uhličitého, no pretože je veľmi riedka a Slnko ďaleko, skleníkový efekt je Marsu v podstate na nič.
Oteplenie vďaka tak vysokej koncentrácii CO2 je tu len necelých 6 °C, zatiaľ čo na Zemi 33 °C a na Venuši 510 °C.
Teploty v prízemnej vrstve sú najmä v zimnom polroku natoľko nízke (pod -80 °C), že celá štvrtina obsahu atmosféry pravidelne vymŕza do tuhého skupenstva a v podobe snehu a ľadu sa ukladá na povrchu, najviac v oblasti pólov.
Na Marse z času na čas zúria aj obrovské piesočné búrky, ktoré aj pri relatívne slabom vetre ničia celú planétu počas dlhých mesiacov. Je to dôsledok riedkej atmosféry, ale predovšetkým slabej gravitácie.
Hurikánový svet Jupiteru
Jupiter je nekorunovaným kráľom plynných planét. Je taký veľký, že vyžaruje dvojnásobné množstvo tepla, než prijíma zo Slnka.
Výsledkom obrovského množstva vnútorného tepla, ktoré ohrieva Jupiterovu atmosféru, sú víry a búrky rozmanitej veľkosti a farby. K nenapodobiteľnej zonálnej (pásmovej) štruktúre oblačnosti prispieva aj extrémne rýchla rotácia planéty (jedna otočka za menej ako 10 hodín), ktorá generuje silné vetry vanúce rovnobežne s rovníkom.
Nesmierne jemné a organicky pôsobiace oblačné štruktúry Jupitera majú v sebe až nadpozemskú krásu, ktorá môže smelo konkurovať dokonca aj Saturnovým prstencom.
Skutočnou záhadou ostáva pozoruhodne premenlivé a pestré sfarbenie Jupiterovej atmosféry.
Najslávnejším útvarom na Jupiteri je Veľká červená škvrna, ležiaca v južnom tropickom pásme s rozmermi 30 000 × 13 000 km. Je teda asi trikrát väčšia ako Zem.
Navzdory presvedčeniu, že jej štruktúra sa podobá na pozemské hurikány, ide naopak o oblasť vysokého tlaku vzduchu, teda o anticyklónu. Jej okrajové oblaky, pohybujúce sa rýchlosťou až 400 km/h, vystupujú asi 8 km nad okolitú atmosféru.
Aj keď sa zdá, že v posledných desaťročiach škvrna stráca na intenzite, je pozoruhodne stabilná už minimálne 300 rokov. V roku 2005 južne od Veľkej škvrny vznikla spojením troch veľkých bielych oválov Malá červená škvrna. Rýchlosťou, ale hlavne veľkosťou začína konkurovať svojej väčšej rovesníčke.
Na Jupiteri sa vyskytujú aj klasické búrky. Na rozdiel od pozemských, ktoré sú vo výnimočných prípadoch 18 až 20 km vysoké, dosahujú tie na Jupiteri gigantické rozmery s výškou 120 a priemerom až 4000 km.
Veterný Saturn
Saturn je Jupiteru veľmi podobný, a to nielen z pohľadu chemického zloženia, ale aj vnútornou stavbou či charakterom atmosféry (je iba o niečo chladnejší a bohatší na vodík).
Pod vrchnou vrstvou amoniakového oparu, ktorý dodáva planéte žltkastý nádych, nájdeme podobnú pásmovú a turbulentnú štruktúru oblačnosti ako na Jupiteri. Vetry tu však vanú oveľa rýchlejšie, až 1800 km/h.
Aktivitu v atmosfére - rovnako ako na Jupiteri - poháňa vnútorný zdroj tepla, no v priemere vyššia rýchlosť výškového prúdenia naznačuje, že v porovnaní so Saturnovým väčším susedom je ho menej.
Sonda Cassini našla v atmosfére Saturna veľké množstvo búrkových systémov so zložitými oblačnými tvarmi. Najznámejšia z nich dostala prezývku Dračia búrka.
Búrky na Saturne môžu vydržať až osem mesiacov a sprevádza ich blesková činnosť desaťtisíckrát intenzívnejšia ako na Zemi. Pozoruhodný oblačný útvar je v oblasti južného pólu Saturna. Tvarom a štruktúrou pripomína tento gigantický polárny vír pozemský hurikán oveľa viac ako Veľká červená škvrna na Jupiteri.
Iný zaujímavý útvar by sme našli na opačnej strane planéty, na severnom póle. Namiesto cyklonálneho hurikánu tu však Cassini identifikovala obrovský polárny hexagón – oblačný šesťuholník s priemerom asi 25 000 km. O príčine jeho existencie zatiaľ vieme len veľmi málo.
Nudný Urán? Omyl
Urán je ďalší vodíkovo-héliový plynný obor s nápadným akvamarínovo modrým zafarbením. Spôsobuje ho metán v horných vrstvách atmosféry, ktorý absorbuje červenú časť spektra slnečného žiarenia. Sonda Voyager 2 nám ho pri prelete v roku 1986 predstavila ako fádnu a pokojnú plynovú guľu bez atmosférickej aktivity.
Vtedy sme ešte netušili, že cirkuláciu v atmosfére Uránu významne ovplyvňuje veľký sklon rotačnej osi planéty.
Urán potrebuje na obeh okolo Slnka vyše 84 rokov, a každý z pólov je nepretržite osvetlený polovicu z tohto času, a ďalšiu polovicu je v úplnej tme. V období letného slnovratu sú osvetlené polárne oblasti výrazne teplejšie ako oblasť okolo rovníka (teplotný rozdiel je až 50 °C), no atmosféra pôsobí pokojným dojmom, tak ako to bolo pri prelete Voyagera.
Príchodom rovnodennosti a výraznejším oslnením tropických oblastí však začína atmosféra pulzovať, objavujú sa v nej pruhy metánových oblakov, prudké víchrice s rýchlosťou až 600 km/h a nám už dobre známa pásmová štruktúra plná turbulentných vírov a oválov.
Príchodom jari Urán začína nápadne pripomínať ďalšieho plynného obra, Neptún. V roku 2006 v jeho atmosfére objavili podobnú tmavú škvrnu ako pred takmer dvadsiatimi rokmi na Neptúne.
Atmosféra Uránu je tak navzdory prvému dojmu z roku 1986 veľmi dynamická a má veľa špecifík daných extrémne veľkým sklonom jeho rotačnej osi. Zdá sa až neuveriteľné, ako výrazne dokáže Slnko ovplyvniť aktivitu atmosféry na tak vzdialenej planéte.
Mrazivý a veterný Neptún
Neptún je najmenšou plynnou planétou slnečnej sústavy s najmenej hustou atmosférou, tvorenou prevažne molekulami vodíka, metánu a amoniaku. Výrazne zastúpenie metánu dodáva planéte veľmi sýte modré zafarbenie.
Neptún vyžaruje až 3,5-krát viac tepla ako prijíma zo Slnka, preto jeho atmosféra hýri aktivitou. Jasne viditeľné dlhé, svetlo sfarbené oblaky typu cirrus sa pohybujú rýchlosťou až 2000 km/h, takže na Neptúne vanú najrýchlejšie vetry v Slnečnej sústave.
Ďalším zaujímavým atmosférickým útvarom je Veľká tmavá škvrna. V tomto obrovskom anticyklonálnom víre, veľkom ako Zem, sa vzduch z vyšších vrstiev atmosféry prepadáva do nižších, čoho výsledkom je menšia oblačnosť v jeho strede. Pohľad do Veľkej tmavej škvrny nám niečo prezrádza o hlbších vrstvách neptúnskej atmosféry. Na okraji tmavých oválov a Veľkej tmavej škvrny sa vznášajú riasovité oblaky tvorené kryštálikmi zmrznutého metánu (tzv. skútre).
Neptún je nádherným príkladom toho, že dokonca aj vo vzdialenosti 4,5 miliardy kilometrov od Slnka, kam horko-ťažko doputuje jeho životodárne teplo, môžeme nájsť prekvapujúco pulzujúcu a nádhernú planétu.
Vysoké nebo Titanu
Za pozornosť stojí aj Saturnov Titan, jeden z najväčších mesiacov Slnečnej sústavy, väčší ako planéta Merkúr.
Má 5 až 6-krát hustejšiu atmosféru než Zem, ktorá siaha do výšky 700 km, zatiaľ čo tá naša približne do 200 až 250 km. Je taktiež bohatá na molekulárny dusík. Jedinou výraznejšou odlišnosťou je vyššie zastúpenie metánu, ktoré na Titánu dosahuje až 5 percent (na Zemi 0,000175 percent).
Ako Titan prišiel k svojej hustej organickej atmosfére? Väčšina ostatných ľadových terestrických telies, počnúc Jupiterovými mesiacmi a končiac veľkým Neptúnovým Tritónom významnú atmosféru nemá, preto odpoveď nie je jednoduchá.
Všeobecne však platí, že všetky faktory, ktoré ovplyvňujú prítomnosť atmosféry, stáli počas vývoja Saturnového systému satelitov na strane Titanu. Relatívne slabé magnetické pole Saturnu, časté, ale pritom pomalé dopady malých telies na povrch mesiaca, či napríklad aj optimálna veľkosť a povrchová teplota (-180 °C).
Okrem fyzikálnych a chemických vlastností zaujme titanovská atmosféra aj aktivitou, ktorú by sme na tak chladnom mieste nečakali. Celkovo je pritom len málo priehľadná. Spôsobuje to všadeprítomná metánová hmla, z ktorej vypadávajú slabé zrážky v podobe mrholenia.
Sonda Cassini zaznamenala výskyt pomerne častých metánových búrok a dokonca v oblasti pólov narazila na niečo veľmi zvláštne – etánový sneh (etán je po metáne druhý najjednoduchší uhľovodík).
Atmosféra je navyše dosť veterná, a to najmä vo väčších výškach, kde dujú vetry s rýchlosťou až 720 km/h. Vietor fúka prevažne v smere rotácie mesiaca, čo budí dojem, že Titan sa otočí okolo vlastnej osi raz za 24 hodín. Povrch však rotuje výrazne pomalšie ako atmosféra a jedna otočka mu trvá približne 16 dní.
Vďaka hustej atmosfére má vietor veľmi dôležitú úlohu pri formovaní Titanovho povrchu. Zvlášť nápadné je to najmä v tropických šírkach, kde sonda Cassini objavila mohutné duny metánových a iných sedimentov.
Autori pôsobia na Ústave fyziky atmosféry AV ČR, Praha.
Literatúra a zdroje:
Atreya, S.K., Pollack, J.B. a Matthews, M.S. (eds.) 1989. Origin and Evolution of Planetary and Satellite Atmospheres. Tucson, AZ: University of Arizona Press.
Bennett, J. O., Donahue, M. O., Schneider, N., Voit, M. 2009. The Cosmic Perspective with Mastering Astronomy. Addison-Wesley; 6 edition (December 27, 2009), 832 s.
Ingersoll, A.P. 1990. Atmospheric dynamics of the outer planets. Science 248: s. 308–315.
Ingersoll, A.P. 1999. Atmospheres of the giant planets. In The New Solar System, fourth edition, edited by J.K. Beatty, C. C. Petersen, and A. Chaikin, Sky Publishing Corp., Cambridge, Mass. and Cambridge University Press, s. 201-220.
Ingersoll, A. P. 2002. Atmospheric dynamics of the outer planets. In Meteorology at the Millenium, edited by R. P. Pearce, Academic Press, s. 306-315.
Hansen, J. 2010. Storms of My Grandchildren: The Truth About the Coming Climate Catastrophe and Our Last Chance to Save Humanity. Bloomsbury USA; Reprint edition (December 21, 2010), 336 s.
McFadden, L.A., Weissman, P. (eds.), Johnson, T. 2006. Encyclopedia of the Solar System. Academic Press; 2 edition (December 28, 2006), 992 s.
Autor: Jozef Pecho, Vojtěch Bližňák
