Főoldal Csillagászattörténet Egyetemes csillagászat Általános A Nagy Vörös Folt kutatásának története
   

 

A Nagy Vörös Folt kutatásának története Konvertálás PDF-formátumba Nyomtatás Elküldés emailben
Szerző: Illés Erzsébet | 2007. október 23., kedd

  A Voyager-űrszondák Nagy Utazásának izgalmas állomásain túljutva minden bolygónál a kutatás szürke, de annál termékenyebb hétköznapjai kezdődtek meg. Ezen kutatások eredményei már nem olyan összefoglaló különkiadásokban jelentek meg, mint a bolygó megközelítésel legérdekesebb felfedezéseit bemutató gyors cikkek, hanem időben is és folyóiratokban is elszórva találhatjuk meg őket. Természetes ez, hiszen egy-egy bolygó megközelítésekor tapasztalt sokféle jelenség mindegyikének kutatása külön életet él, a kérdések tisztázása nem egyforma időt és fáradságot igényel. Sőt, néha csak a következő bolygó vagy bolygók megközelítésekor mért adatok segítenek felismerni, hogy egyáltalán „jelenségről" volt-e szó.

  Jó példa erre az angolul electroglow-nak nevezett jelenség (talán elektro-fénylésnek fordíthatnánk). A Voyager-szondák mérései szerint a Jupiter esetében még csak egy kicsit volt erősebb a bolygó korongjának lágy röntgensugárzása, mint amit a napfény szórása alapján vártak így nem is gondoltak arra, hogy a többlet külön magyarázatra szorul. Amikor azután az Uránusz bolygónál a sugárzás már ezerszeresen múlta felül a várt szintet, a fejbeverően magas érték miatt rá kellett ébredni, hogy itt egy, az eddigiektől eltérő gerjesztési mechanizmus működik és ugyanez lehetett az oka a Jupiternél mért nagyobb intenzitásnak is. (Az elektro-fénylés jelenségét egyébként az okozza,hogy az ionizációkor szabaddá váló elektronokat a bolygó erős mágneses tere az erővonalak mentén mozgásra kényszeríti, azonban a nagy légsűrűség miatt az elektronok hamar beleütköznek a légkör semleges atomjaiba, fénylésre gerjesztve őket. A mechanizmus nyilván minden mágneses térrel rendelkező bolygó esetében működik, hol észrevehetetlenül gyenge, hol feltűnően erős sugárzást eredményezve.)

  Mostani, a legújabb űrkutatási eredményeket is magában foglaló, áttekintő cikkünk témájának a Konkoly Obszervatórium megalapításának 120 éves évfordulója ad aktualitást. Konkoly Thege Miklós munkásságát értékelendő, meg kell állapítanunk, hogy Jupiter-megfigyelései iskolát teremtettek. Nemcsak kortársait, barátait, a Herényben tevékenykedő tehetséges Gothard testvéreket sikerült rávennie a Jupiter és a Mars megfigyelésére, de a következő generációból Wonaszek Antal, Kis-Kartalon és Massány Ernő Ógyallán folytatta ezt a nem kis ügyességet kívánó munkát. A bolygórajzolásnál ugyanis nem elég meglátni, észrevenni a fontosat, kell hozzá jókora kézügyesség, hogy azt és úgy rajzolja a megfigyelő, ahogy szeretné. A szubjektivitás tehát nemcsak abban van, hogy mit vesz észre, hanem abban is, hogy azt hogyan tudja visszaadni. Ugyanakkor a munka fontosságát nemcsak az mutatja, hogy a kortárs kutatók felhasználták megfigyeléseiket, hanem még inkább az, hogy a rajzok manapság is felhasználhatók a bolygószondák sok-sok felvételének és a távcsöves fotóknak a kiegészítésére. A Jupiter egyes felületi képződményeinek változása ugyanis olyan hosszú karakterisztikus idő alatt játszódik le (nem állítható, hogy olyan hosszú periódusú, mert a periodicitás ténye még nem bizonyított), hogy ha valamely jelenségnek az időbeli fejlődését akarjuk nyomon követni, örülhetünk, ha egy régi rajzzal vagy legalább egy megjegyzéssel, szóbeli leírással egybevethetjük állításunkat.

A Nagy Vörös Foltra vonatkozó megfigyelések története

  Mint ismeretes, Galilei volt az első, aki 1609-ben távcsövét az ég felé fordítva a Jupiterből többet láthatott, mint egy fénypontot. Hogy kezdetleges távcsövével mennyi volt ez a „több” arról nem szól a fáma, csak Kepler által félreértett vagy félremagyarázott anagrammáról, amelyben Kepler szerint Galilei a Jupiteren egy nagy foltot látott volna. Mindenesetre furcsa, hogy Kepler, aki 1630-ban meghalt, a „Jupiter-foltról” ír, holott az első említés igazi foltról csak 1664-ből származik Giovanni Cassini-től és az angol Robert Hook-tól. Abban az időben az alakzatot „Hooke foltja” névvel illették. Cassini évekig figyelte a foltot, visszatéréseit 1665-ben arra használta fel, hogy a Jupiter forgási idejét meghatározza.

  A következő ötven évben többen láttak foltot a Jupiteren. A foltok léte annyira hozzátartozott a Jupiterhez, hogy 1711-ben Donato Creti egyik festményén meg is örökítette (ez a kép ma a vatikáni képtárban, a Pinacoteca Vaticana-ban található. Azt nem tudjuk, hogy ugyanazt a foltot látták-e többen, vagy több folt is feltűnt az idők folyamán.

  Tulajdonképpen 1878-tól kezdve lett híres és izgalmas a Folt, amikor is hirtelen feltűnően vörössé vált, és ez keltette fel az érdeklődést iránta. A Jupiter megfigyelése kedvenc időtöltése volt a csillagászoknak, de a műkedvelő, művelt közönségnek is. Mindig lehetett ugyanis valami változást várni, ha mást nem, hát holdjainak helyzetváltozását. De egyenlítőjével párhuzamos sávjai is gyakran magukra vonták a figyelmet, színeik, szélességük változott, időről időre foltok jelentek meg bennük. A változások elég gyorsak voltak ahhoz, hogy észre lehessen venni őket, de elég lassúak, hogy le lehessen jegyezni vagy rajzolni a látványt. Emiatt sok kép készült a bolygóról. E szerencsés körülmény lehetett az oka, hogy amikor 1878-ban a Folt színe feltűnővé vált, sokan vették egyszerre észre, és ma - attól függően, hogy milyen nemzetiségű író könyvét vagy cikkét olvassuk mást és mást jelölnek meg felfedezőként. Így Donnett, Pritchett, Tempel, Lonse, Niesten és Bregyihin is szerepel, mint felfedező. Nyilván egymástól függetlenül vették észre. Tulajdonképpen ebben az időben realizálódott, hogy ugyanarról a foltról van szó, egy hosszú életű alakzatról, amit érdemes elnevezni. Ekkor kapta a Nagy Vörös Folt nevet.

  A felfedezés után visszakeresték a régi rajzokat, hogy vajon látszott-e a Folt már korábba1 is. 1859-ig folyamatosan követni lehetett a rajzokon. Korábbról szórványos megfigyelések voltak. South 1839. június 3-án megfigyelt egy foltot, amely negyed Jupiter átmérőjű volt, de 30 percen belül eltűnt. Schwabe 1831-es és Dawes 1851-es rajzán is szerepel a Folt, de egy 1856-os rajzzal kapcsolatban nem történik említés róla. 1869-ben Gledhill és 1870-ben Mayer és Rosse rajzán is szerepel, 1872. dec. 31.én egymástól függetlenül Copeland és Rosse is megfigyelte a Foltot.

  Amint az l878-as felfedezés híre 1879-re eljutott Magyarországra is, Konkoly Thege Miklós azonnal programjára tűzte a Jupiter megfigyelését, mihelyt a bolygó újra láthatóvá vált. Megfigyelését 1884-ig programon is tartotta, amikor is a Folt nagyon elhalványodott. A Folt egyébként 1880-ban volt a legfeltűnőbben vörös, aztán egyre halványabb és-halványabb lett, annyira, hogy az 1884-ben készített Konkoly-rajzon szinte már csak a helye látszik, mint sávjának folytonossági hiánya (4.1 ábra). 1884-től 1889-ig senki sem tudta megtalálni, annyira elhalványodott. Aztán 1890-bán újra megjelent, 1891-ben volt a legintenzívebb. 1892-ben már csak halvány rózsaszín, néha eltűnt. 1897-re újra erősebb, 1902-ben megint a legintenzívebb. 1908-ban Konkoly Nagy-Tagyoson a Meteorológiai Intézet igazgatójaként még mindig készített róla rajzot. A Folt 1910-ben ismét nagyon halvány. (Wonaszek Antal 1901-ben megpróbált több-kevesebb sikerrel az ógyallai Konkoly rajzok és külföldről beszerzett Jupiter-rajzok alapján az aktivitásban valamifele periodicitást kimutatni: 11.76 évet talált, amely elég közel van a Jupiter keringési idejéhez. Úgy vélte, hogy a bolygó pálya-excentricitása következtében a Nap árapály hatásának és besugárzásának a keringés során fellépő változása okozhatja a
Jupiter ”felületének” változásait.)

Image

4.1. ábra. Konkoly Thege Miklós rajzai a Jupiterről 1884 febr. 28. és márc. 23.

  Stanley Williams 1910-ben a Folt segítségével meghatározta a Jupiter tengelyforgási idejét, s egy másodpercen belül ugyanazt a forgási periódust kapta, mint Cassini 1665-ben. Ezért valószínű, hogy ugyanaz a folt élhetett már Cassini idejében is. Vagyis ezek szerint a Nagy Vörös Folt már legalább 325 éve létező alakzata a Jupiter felhő rendszerének. 1920-ban elhalványodott, 1953-ban ismét halvány, alig látszott, 1960-ban csak a halója látszott, de 1973-74-ben, amikor a Pioneer szondák ott jártak, elég feltűnő képződmény volt, és igen szép látványt nyújtott 1979-ben, a Voyogerek ottjártakor is.

  Közben a Jupiteren a nagyon állandó Nagy Vörös Folton kívül más, viszonylag tartósabb alakzatok is fel-feltűntek - főleg a déli félgömbön több kisebb fehér folt néha 2-3 éves, néha hosszabb élettartammal. Volt olyan, amely 40 évig is megmaradt. Egyszer, 1972 júniusa és decembere között egy kisebb vörös folt is feltűnt az északi Tropikus Zónában, a Pioneer-10 le is fényképezte.

  Volt azonban a Nagy Vörös Folttal kapcsolatos más, még érdekesebb jelenség is. Például 1912-ben egy Y-alakú felhőképződmény a Földről nézve szinte keresztülment rajta. Aztán 1901-ben keletkezett egy hosszabb életű alakzat, a Déli Tropikus Zavar, amely ugyanabban a sávban, de más sebességgel járta körül a Jupitert, mint a Nagy Vörös Folt. 1940-ben halt el, és addig kilencszer találkozott a Nagy Vörös Folttal. Ez a találkozás nagyon érdekes módon játszódott le. A Zavar bolygórajzi hosszúságban néhány foktól 2l0 fokig változtatta a méretét, bár általában 60 fok körüli volt. Találkozáskor szinte körülfolyta a Nagy Vörös Foltot. Mintha a Zavar végeit a Nagy Vörös Folt vonzotta volna, azok felgyorsultak, illetve lelassultak szétváláskor, miközben a Nagy Vörös Folt is felgyorsult a találkozás következtében. A Zavar ugyan elhalt 1940-ben, de 1955-ben ugyanazon a helyen újra kialakult egy másik (vagy ugyanaz lett újra látható?).

Milyen is tulajdonképpen a Nagy Vörös Folt?

  A Nagy Vörös Folt egy, a Jupiter korongjához képest is óriási méretű, elliptikus légköri képződmény, amelynek színe a feltűnő vöröstől a fehérig változik. Néha el is tűnik. A Jupiter világos színű, déli tropikus zónájában foglal helyet, centruma a 22o déli szélességen van, helyzetét szélességben nem nagyon változtatja. A folt méretét szélességben nagyjából a zóna szélessége határozza meg, de a zóna legörbül, követi a folt határvonalát. Hossza sokkal nagyobb változásnak van kitéve. Jelenleg 26000x14000 km, de 1880-ban 40000x14000, 1897-ben 42000x15000, 1927-ben 41000x14000, 1960-ban 40000x10000, l973-ban 40000X13000, 1986-ban 48000x11000 km méretet adtak meg rá. A Jupiter „felszínéhez” képest nem állandó helyzetű, bár Flammarion szerint 1883 és 1897 között nem vették észre, hogy helyzetét változtatta volna. Ugyanakkor a segítségével meghatározott tengelyforgási időről megállapították, hogy 1877-t l 1900-ig nőtt, utána ingadozott, majd 1912-ben nem változott. A Yogaget-2 szonda-mérései szerint a Nagy Vörös Folt naponta fél fokot tett meg nyugat felé. Ez 1l km/órás sebességnek felel meg, ami 6azt jelenti, hogy kb. 5 év alatt kerüli meg a Jupitert. Déli szélénél kelet felé fújó 290 km/órás, északi szélénél nyugat felé fújó 180 km/órás szelek vannak. A Folt forgása az óramutató járásával ellentétes, tehát anticiklonális. A szélén az anyag 6 nap alatt jár körbe.

  A déli félgömb fehér foltjai is anticiklonálisak, és infravörös spektrumuk megkülönböztethetetlen a Nagy Vörös Foltétól. Ezek azonban nem tartalmaznak olyan, a kék, ibolya és ultraibolya fényt erősen elnyelő anyagot, mint a Nagy Vörös Folt. Ennek az abszorbeáló anyagnak a mibenlétét egyébként még nem sikerült tisztázni, csak találgatások vannak rá. Egyesek a foszfint (PE3) teszik felelőssé a bolygó csodálatos barna színéért. Érdekes viszont, hogy az északi félgömbön a Nagy Vörös Folttal nagyjából azonos szélességen nagy ritkán keletkező rövid életű foltok ugyanolyan spektrális tulajdonságúak, mint a Nagy Vörös Folt.

Magyarázatok a Nagy Vörös Foltra

  A századforduló táján a legelső elképzelések állandó felszíni alakzatokhoz, például „úszó szigethez”, „képződő félben lévő szárazföldhöz”, „lávatóhoz”, „olvadásban lévő anyaghoz” vagy egy folyamatosan működő vulkánhoz kapcsolódó légköri képződménynek vélték. Úgy gondolták, hogy a vulkán vörösre színezi a felette lévő felhőréteget. Ezt annál is inkább feltételezhették, mert - mint az előző részben már említettem - az 1897-et megelőző 14 évben a helye és a mérete nem változott. De az igazsághoz tartozik, hogy még 1963-ban Hide is egy topográfiai kiemelkedéshez tartozó Taylor-oszlopként értelmezte, annak ellenére, hogy természetesen ő már tudta, hogy ez a topográfiai kiemelkedés nem lehet egy szilárd felszín hegysége.

  Az effajta magyarázatokat annak idején már megcáfolta az a megfigyelés, hogy a Nagy Vörös Folt hosszúságban változtatja a helyét, sőt majdnem állandó sebessége néha ugrásszerűen megváltozik. Ugyancsak emiatt tekinthetők nagyon valószínűtlennek azok a feltevések is, amelyek a légkörben úszó objektum termális hatásával próbálták magyarázni a Nagy Vörös Foltot. Erre az objektumra felvetettek olyan ötleteket, mint, hogy hidrogénben gazdag szilárd test úszik egy héliumban gazdag folyékony rétegen, egészen odáig - amint Smoluchowski gondolta 1970-ben - hogy a folyékony réteg egy konvektív eleme képviselné ezt az úszó testet.

Image

4.2. ábra. Őrvények egyesülése forgó folyadékkal végzett laboratóriumi kísérlet során

  Kuiper vetette fel 1972-ben a „nagy vihar” hipotézist a Nagy Vörös Folt magyarázatára. Eszerint a földi hurrikánokhoz (trópusi ciklonokhoz) hasonló, alacsony nyomású örvénnyel állunk szemben. Ekkor azonban nehezen érthető az örvény hosszú élettartama és óriási mérete. Az előbbit azzal magyarázták, hogy mivel a Jupiternek valószínűleg nincs szilárd felszíne, ha már kialakult egy alacsony nyomású centrum, azt nem zilálja szét a felszíni súrlódás. A földi hurrikánok is zavartalanul fennmaradnak mindaddig, amíg csak a tengerek felett járnak, de tüstént szétesnek, ha a szárazföldek fölé érkeznek.

  A Voyager-szondák mérései sem tisztázták egyértelműen a helyzetet, de az kiderült, hogy a Nagy Vörös Folt és a többi kisebb folt is anticiklonális, tehát az óramutató járásával ellentétes irányban forgó, magas nyomású képződmény, és nem alacsony nyomású, mint a földi hurrikánok. Az anyag forgása a Nagy Vörös Foltban inkább a szélekre korlátozódik, a közepe mintha állana.

Image

4.3. ábra. E-típusú (balra) és D.típttst1 (jobbra) szoliton áramlási rendszere modellszámítás alapján

  Ilyen nagy örvény létrejöttét csal mostanában sikerült számítógépes modellekkel és laboratóriumi kísérletekkel szimulálni. A káosz elmélete segített ebben a témában, is. Egy cellákra szétesett cirkulációjú bolygón, ahol a különböző sebességgel áramló sávok között szélnyírás is fellép, sok kis örvény szakad le a sávok határán. Azok, amelyeknek a forgásiránya megegyezik a szélnyírás irányával, életben maradnak, és nőnek, amelyeké nem, azok szétesnek, és elhalnak. A sok kis örvény pedig egymással találkozva kölcsönhatásba lép, egyesül, és rövidesen naggyá áll össze. Ily módon a kicsik energiájából növelheti aztán fel egyikük a saját energiáját, a találkozásnál „felfalva” a többit. Az anticiklonális forgás az örvény szélén felemelkedve anyagot szállít fel az alsóbb rétegekből - ezek adnák a felhőzetnek a csodálatos színt. Az optikailag aktív anyag a Nap ultraibolya sugárzásától elbomlik és elszíntelenedik, majd az örvényen kívül visszajut az alsóbb rétegekbe. Az elmélet azonban nem tudja megmagyarázni a Déli Tropikus Zavarral való találkozáskor lezajló jelenségeket.

  A Pioneer-szondák mérései azt mutatták, hogy a felhők a Nagy Vörös Folt felett néhány fokkal hidegebbek, és magasabban helyezkednek el, mint másutt. Maxworthy és Redekopp 1976-ban ennek magyarázatára olyan hipotézist vetett fel, amely ellentétben a Taylor-oszlop és örvény hipotézisekkel nem egy, a légkör aljáig is lenyúló képződményként értelmezné a Nagy Vörös Foltot, hanem egy magányos hullámhegyként, úgynevezett szolitonként.

Image

4.4. ábra. D-típusú és E-típusú szoliton találkozása modellszámítás alapján

Ez a felhők alja alá legfeljebb egy skálamagasságnyi hosszra lenyúló, tehát nem olyan nagy energiatartalmú légköri képződmény, és létrejöttének feltétele szintén a cellákra széteső cirkuláció és szélnyírás. A szoliton egy zavart zóna összeomlása esetén alakulna ki. E-típusú szoliton jön létre anticiklonális cirkulíció esetén, amely a hullám centrumában megemeli a felhőréteget (az angol elevated = megemelt szó kezd betűje az E), ilyen lenne a Nagy Vörös Folt. Míg ciklonális cirkuláció esetén, D-típusú szolíton alakul ki, amelynek centrumában a felhőréteg a környezeténél mélyebbre süllyed (a depressed = besüllyedt angol szóból jön a D), ilyen lehetett a Déli Tropikus Zavar.

  Az elmélet előrejelzése ilyen szolitáris (magányos) hullámok találkozására kísértetiesen hasonlít azokhoz a leírásokhoz, amilyeneket a Nagy Vörös Folt és a Déli Tropikus Zavar találkozásáról olvashatunk. Például a végek látszólagos felgyorsítását a fázissebesség változásával nagyon jól lehet értelmezni. Eszerint az elmélet szerint a Jupiter tartósabb felhőalakzatai ilyen nemlineáris mechanizmus révén jönnének létre. Az E-szoliton által megemelt felhőréteg alatt, tehát a Nagy Vörös Folt közepén, a konvekcióra nagyon alkalmasak a feltételek, és ezáltal kerülnének fel az alsóbb rétegekből azok az optikailag aktív molekulák, amelyek a felhőzet színeiért felelősek.

  Maxworthy és Redekopp 1976-78-ban az Icarus folyóirat hasábjain köszönetet mondott a Brit Csillagászati Egyesület vezetőségének, amiért szabadon használhatták a régi Jupiter rajzokat tartalmazó Memoir-köteteket, és felhasználhatták azokat a Nagy Vörös Foltra és más alakzatokra adott magyarázatuk alátámasztására. A cikkben idézett 21 forrásmunkából kilenc a régi rajzokat tartalmazó publikáció. Ez a példa is mutatja a megfigyelés fontosságát, megismételhetetlenségét, egyszeriségét, egyediségét. Soha nem tudhatjuk, hogy mikor szolgálja megfig5relésünl a tudományos megismerést: azonnal, évtizedek vagy esetleg csak évszázadok múlva.

Az 1992-es kiadúsú "Meteor csillagászati évkönyvben 1993" című könyvben megjelent írás másodközlése

A rovat további cikkei