Energetická krize v plazmatickém prstenci kolem Jupiteru

Když se řekne energetická krize, většinu lidí napadne, že bude řeč o globálním, leč pozemském ekonomickém a surovinovém problému. Dnešní příspěvek je ale věnován úplně jiné energetické krizi – rozporu mezi příjmem a výdejem energie u plazmového prstence planety Jupiter. Právě na výzkum tohoto jevu uvolnila NASA grant.

Magnetosféra Jupiteru

O tom, že Jupiter má magnetické pole, se ví od konce 50. let díky rychlému rozvoji radioastronomie po 2. světové válce. V roce 1973 potvrdila a poprvé zkoumala magnetické pole Jupiteru sonda Pioneer 10. Magnetosféru Jupiteru si můžeme představit jako dutinu ve slunečním větru vytvořenou magnetickým polem Jupiteru. Jupiterova magnetosféra je nejrozsáhlejší a nejsilnější ze všech magnetosfér všech planet. Ve směru ke Slunci sahá přes 7 miliónů kilometrů daleko a v opačném směru dosahuje téměř k dráze Saturnu. Magnetický moment je přibližně 18 000× větší. Toto pole je generováno elektrickými proudy ve vnějším jádře Jupiteru, tvořeném kovovým vodíkem. Sopečné erupce na Jupiterově měsíci Io vyvrhují do prostoru množství kysličníku siřičitého. Ten je ionizován slunečním zářením. Ionty jsou unášeny magnetickým polem Jupiteru a vytvářejí kolem Jupiteru prstenec řídkého plazmatu. Tomuto typu prstence se říká magnetodisk. Ve výsledku je Jupiterova magnetosféra tvarována plazmatem z Io prostřednictvím rotace magnetického dipólu. Silné proudy tekoucí v magnetosféře generují permanentní polární záře kolem pólů planety a intenzivní proměnné rádiové emise, což znamená, že můžeme Jupiter považovat za velmi slabý rádiový pulsar. Polární záře na Jupiteru jsou pozorovány téměř ve všech oblastech elektromagnetického spektra včetně infračerveného, viditelného, ultrafialového a měkkého rentgenového záření.

Činnost magnetosféry zachycuje a urychluje částice a vytváří radiační pásy podobné Van Allenovým pásům na Zemi, avšak zhruba 1000× silnější. Interakce energetických částic s povrchem Jupiterových největších měsíců ovlivňuje chemické a fyzikální vlastnosti materiálu na jejich povrchu. Obdobnému působení je vystaven také materiál tvořící tenké Jupiterovy prstence. Radiační pásy představují velké nebezpečí pro kosmické sondy, zvláště pro uvažované budoucí sondy s lidskou posádkou.

Co nazýváme „energetickou krizí“

Jedna z dlouholetých hádanek magnetodisku souvisejícího s měsícem Io je pozorovaná nerovnováha mezi the zdroji vstupující energie a vystupující energií. Je také možné spočítat, kolik energie opustí prstenec s ohledem na celkovou energii všech emitovaných fotonů. „Energetickou krizí“ nazýváme nesoulad vystupující energie s energií vstupující – z magnetodisku odchází přibližně 2× více energie, než do něj vstupuje.

Výzkumník z Planetary Science Institute Jeff Morgenthaler získal grant 356 000 dolarů z programu pro výzkum vnějších planet NASA k použití dat pozemních dalekohledů z téměř 20 let pozorování ke studiu různých efektů, mimo jiné ke studiu energetické krize.

Morgenthalerova pracovní hypotéza je, že zdroj „chybějící“ vstupní energie souvisí s materiálem opouštějícím prstenec. Jak částice difundují z prstence ven, vytahují s sebou magnetické pole. Magnetické pole může část z nich udržet, takže neuniknou, ale některé uniknou s vezmou s sebou i část magnetického pole. Magnetické pole zrekonfiguruje v procesu zvaném „flux tube interchange,“ což umožňuje magnetickému poli vzít s sebou plazma, pokračovat s ním v difúzi ven a přinést dovnitř magnetické pole bez plazmatu. Tyto výměnové události patrně produkují vysokoenergetické svazky elektronů, které jsou detekovány kosmickou sondou jako třeba Voyager nebo Galileo. Tyto elektrony by mohly být zodpovědné za rozdíl v energii.

Morgenthaler byl původně členem týmu výzkumníků z University ve Wisconsinu, který shromažďoval pozorování měsíce Io a plazmového prstence po více než 20 let. Tato pozorování zahrnují spektra a snímky plazmového prstence a spektra měsíce Io. Pozorování byla požízena pomocí McMath-Pierce Solar Telescope na Kitt Peaku v Arizoně.

Použití slunečního dalekohledu – vybraného, protože sluneční dalekohled není v noci využitý – umožnilo kontinuální pozorování po plazmatického prstence a měsíce Io po několik týdnů a takových několilatýdenních pozorování udělat řadu po 20 let. Toto časové pokrytí je nezbytné k třídění variací v konfugiraci magnetického pole, které by mohly vést k vyřešení problému „nesouhlasící energie“.

Sondy létají k Jupiteru, jako budoucí mise Juno, získávají neocenitelné informace, které nejsou dostupné ze Země. Morgenthaler pořizuje spektra pomocí plazmatického senzoru. Z těchto spekter dokážou Morgenthaler a jeho spolupracovník Ronald Oliversen z NASA Goddard Space Flight Center rozpoznat kolísání intenzity emisních čar kyslíku v řídké atmosféře Io. Intenzita těchto čar se mění podle toho, jak se Io dostává do hustších nebo naopak řidších oblastí plazmového prstence. Toto kolísání je z větší části objasněno, ale čas od času dojde k neobvyklému zjasnění těchto čar na dobu asi jedné hodiny. Morgenthaler a jeho kolegové se domnívají, že tyto „anomální události“ jsou spouštěny událostmi „flux tube interchange“, a proto mohou pomoci vyřešit problém energetického rozdílu.

S Morgenthalerem na tomto projektu spolupracují William Smyth a Max Marconi z Prisma Basic Research. Smyth a Marconi jsou experti na výpočet hustoty plazmového prstence, efektů spojených s řídkou atmosférou měsíce Io a distribucí neionizovaného materiálu v okolí plazmového prstence.

Lepší porozumění toho, jak fungují složité, s magnetickým polem interagující jevy v soustavě Jupiterových měsíců, může být základem pro vývoj nových technologií a aplikací v elektrotechnice. Může mít také dopad na kosmické technologie.