Sonda Galileo

Wstęp
Projekt i budowa sondy
Przed misją główną
Misja główna
Zakończenie
Bibliografia


Misja główna

Galileo osiągnął Jowisza 7 grudnia 1995 roku. Prędkość sondy przez włączenie silnika głównego zmniejszona została do takiej wartości, aby pole grawitacyjne Jowisza mogło ją przechwycić - Galileo stał się pierwszym sztucznym satelitą największej planety Układu Słonecznego. Również tego dnia odłączony od orbitera próbnik atmosferyczny wszedł z prędkością ponad 40 km/s w atmosferę Jowisza. Przed osiągnięciem wysokości odniesienia, przyjętej na poziomie, w którym ciśnienie atmosfery jowiszowej osiąga 1 bar otworzył się pierwszy spadochron, po czym próbnik odłączył się od pokrywy rufowej, a następnie odrzucił osłonę termiczną. Wszystkie te zdarzenia miały miejsce w ciągu pierwszych trzech minut. Po osiągnięciu wysokości odniesienia próbnik opadał jeszcze przez prawie godzinę dokonując za pomocą sześciu swoich przyrządów pomiarów i przekazując je do orbitera. Po tym czasie, kiedy próbnik osiągnął już głębokość 146 km poniżej wysokości odniesienia łączność ustała. Tytanowy korpus próbnika stopił się najprawdopodobniej po około dziewięciu godzinach od wejścia w atmosferę Jowisza na głębokości 1000 km poniżej wysokości odniesienia.

Gdy na Ziemię dotarły pierwsze pomiary otrzymane przez próbnik okazało się, że nie zgadzają się one z przewidywaniami oraz modelami Jowisza. Zawartość wody i siarki okazała się niska, a zawartość helu dwa razy mniejsza niż się spodziewano. Chociaż próbnik był tak skonstruowany by zejść poniżej najniższego przewidywanego piętra chmur utworzonych z pary wodnej to jednak przyrządy próbnika nie zarejestrowały żadnych śladów chmur. Również wyładowania atmosferyczne okazały się słabe i dziesięć razy mniej częste niż na Ziemi. Wkrótce jednak znaleziono przyczynę niezgodności danych uzyskanych przez próbnik z przewidywaniami. Okazało się, że próbnik wszedł w szczególny obszar jowiszowej atmosfery zwany pięciomikronową gorącą plamą (fotografia 4), czego oczywiście uniknąć nie można było, gdyż Jowisz ma wiele tego rodzaju obszarów w swojej atmosferze, które nieustannie zmieniają swoje położenie. Po zdaniu sobie sprawy z tego, w jak szczególne miejsce jowiszowej atmosfery trafił próbnik większość informacji przez niego przekazanych stała się dla astronomów jasna. Niemniej jednak nie wszystkie pomiary uzyskane przez próbnik chciały pasować do istniejących modeli planety - olbrzyma


Fotografia 4. Pięciomikronowa gorąca plama w atmosferze Jowisza w prawdziwych kolorach.


Po pierwsze spodziewano się, że skład chemiczny atmosfery Jowisza na głębokościach osiągniętych przez próbnik nawet w gorących plamach nie powinien odbiegać od średniego składu chemicznego atmosfery. Tymczasem tak nie było. Za przyczynę tego uznano silne prądy suchego, chłodnego gazu zbiegającego się do centrum plamy ze wszystkich stron z górnych warstw atmosfery. Świadczą o tym pomiary dokonane przez próbnik na krótko przed ustaniem łączności, gdy (jak się uważa) osiągnął on podstawę prądów zstępujących - stężenie wody, siarkowodoru, a także amoniaku zaczęło gwałtownie wzrastać. Obecnie uważa się, że skład atmosfery Jowisza zależy od lokalnych warunków meteorologicznych. Potwierdzają to widma uzyskane przez orbiter, z których wynika, że zawartość wody i amoniaku pomiędzy poszczególnymi gorącymi plamami zmienia się o dwa rzędy wielkości.
Po drugie zawartość helu w atmosferze Jowisza jest prawie taka sama jak zewnętrznych warstw Słońca. Ponieważ według obecnie przyjmowanych teorii powstawania Układu Słonecznego Jowisz i inne planety powstały razem ze Słońcem z tej samej materii pierwotnej mgławicy, taka zawartość helu w jowiszowej atmosferze wymaga istnienia jakiegoś procesu odprowadzającego go z niej, gdyż zewnętrzne warstwy Słońca również utraciły hel. Powiązane to zostało z innym pomiarem, którego dokonał próbnik - dziesięciokrotnie mniejszą niż na Słońcu zawartością innego gazu szlachetnego - neonu i w ten sposób dostarczyło poważnego argumentu kontrowersyjnej kiedyś teorii mówiącej o zalewaniu bardziej wewnętrznych warstw planety - olbrzyma deszczem helowym. W tych głębiej położonych i charakteryzujących się ciśnieniem milionów atmosfer obszarach Jowisza hel nie miesza się z innymi składnikami atmosfery, a jedynie w pewnych warunkach rozpuszcza w sobie neon i jako cięższy przemieszcza się w głąb planety.
Zagadkowa jest również zawartość trzech innych gazów szlachetnych: argonu, kryptonu i ksenonu, występujących na Jowiszu obficiej niż na Słońcu. To również wymaga działania procesu powodującego zatrzymanie tych pierwiastków, a jedyny sposób to ich zamrożenie, co przy obecnej odległości Jowisza od Słońca nie jest możliwe. Większość materii, która tworzy Jowisza musiała więc przybyć z odleglejszych, a i więc i chłodniejszych obszarów.
Jak więc widać pomiary dotyczące zawartości w atmosferze Jowisza lekkich pierwiastków, a zwłaszcza gazów szlachetnych nie dała się wyjaśnić tym, że próbnik trafił w jedną z gorących plam, ale co ważniejsze okazały się one źródłem bardzo cennych informacji, które wyjaśniły wiele wątpliwości, potwierdziły bądź obaliły niektóre teorie oraz oczywiście zrodziły nowe pytania.
Zgodne z przewidywaniami okazały się za to te pomiary, które dostarczyły danych o wiatrach w atmosferze Jowisza. Okazały się one nawet silniejsze niż myślano, osiągając do 500 km/godz. Nie zmieniają się one z głębokością, co świadczy o tym, że nie powstają one na skutek różnej ilości energii słonecznej odbieranej przez obszary polarne i równikowe Jowisza oraz o tym, że dynamika atmosfery jowiszowej zależy od wewnętrznych źródeł energii planety - olbrzyma.
Poza tym okazało się, że wnioski wyciągnięte z pomiarów próbnika atmosferycznego o tym, jakoby częstość wyładowań atmosferycznych na Jowiszu była dziesięciokrotnie mniejsza niż na Ziemi okazały się przedwczesne. Późniejsze obserwacje nocnej strony Jowisza dokonane przez orbiter Galileo ujawniły jednoznacznie, że częstość wyładowań jest taka sama jak na Ziemi; są one tylko tysiąc razy jaśniejsze. Obserwacje orbitera potwierdziły również wcześniejsze obserwacje Voyagera, który odkrył, że wyładowania koncentrowały się w pewnych strefach szerokości jowigraficznej a dokładnie w obszarach ścinania antycyklonowego, w których prędkość wiatrów zmienia się gwałtownie z północy na południe tworząc w ten sposób dogodne warunki dla tego typu zjawisk atmosferycznych.
Jak widać obserwacje Galileo dotyczące bezpośrednio planety - olbrzyma nie są mniej rewolucyjne i ważne od obserwacji dotyczących księżyców galileuszowych. Nie da się jednak ukryć, że badania tych ostatnich bardziej działały na wyobraźnię nie tylko astronomów, ale i wielu innych ludzi, gdyż dostarczyły dowodów na istnienie wody w stanie płynnym bądź też stałym na trzech spośród czterech z tych księżyców.
Bardzo ważnym zjawiskiem, które decyduje o wielu własnościach księżyców galileuszowych jest rezonans orbitalny, w którym uczestniczą trzy wewnętrzne księżyce: Io, Europa i Ganimedes. W czasie, gdy Io obiega Jowisza cztery razy, Europa dokonuje dwóch obiegów a Ganimedes jednego. Rezonans orbitalny potęguje efekt grzania pływowego.
Księżyce krążąc nie po kołowych ale po eliptycznych orbitach są na skutek oddziaływań grawitacyjnych Jowisza rozciągane ze zmiennymi siłami, co powoduje właśnie efekt grzania pływowego, który odpowiada za aktywność wulkaniczną na Io, zapobiega zamarzaniu bardzo prawdopodobnego oceanu Europy, a także odpowiedzialny jest za pole magnetyczne Ganimedesa. Do niedawna uważano jednak, że rezonans magnetyczny ma niewielki wpływ na Ganimedesa, jako najbardziej zewnętrznego z trzech księżyców, które w nim uczestniczą. Zauważono jednak, że orbity księżyców mogły się z czasem przemieszczać, a zatem rezonans orbitalny mógł być silniejszy, a co za tym idzie silniejsze również grzanie pływowe, które na Ganimedesie musiało być dość intensywne nie dalej niż miliard lat temu. Po takim bowiem czasie od ustania intensywnego grzania pływowego, jak oceniają planetolodzy, konwekcja w jądrze Ganimedesa generująca pole magnetyczne ustanie.
Grzanie pływowe utrzymuje również wodę na Europie w stanie ciekłym, pozwalając aby pod jej lodową skorupą istniał ocean. Jednak na dalsze ważne pomiary i obserwacje pozwalające powiedzieć planetologom coś więcej na ten temat będziemy musieli poczekać do samego końca tej dekady, kiedy to według obecnych planów na orbitę wokół Europy wejdzie sonda kosmiczna Europa Orbiter. Nie musimy jednak czekać tak długo, aby zauważyć jak wiele zależy od grzania pływowego i rezonansu orbitalnego trzech wewnętrznych księżyców galileuszowych, który zapewnia Europie znajdującej się w odpowiedniej odległości od Jowisza utrzymywanie płynnego oceanu wodnego. Tak ja Ziemi, znajdującej się w odpowiedniej odległości od Słońca energia słoneczna pozwala na utrzymywanie oceanów oraz całej biosfery, tak Europie leżącej w odpowiedniej odległości od Jowisza i uczestniczącej w rezonansie orbitalnym oddziaływanie grawitacyjne planety - olbrzyma powodujące efekt grzania pływowego pozwala na to samo, tzn. utrzymywanie oceanu wodnego. Jeśli doceni się te zjawiska zachodzące w układzie jowiszowych księżyców, to łatwo jest zrozumieć dlaczego astronomowie uważają system Jowisza za układ planetarny w miniaturze, którego złożoność, jak widać, jest porównywalna ze złożonością całego Układu Słonecznego.
Największy wpływ Jowisz ma oczywiście na najbardziej wewnętrzny z księżyców galileuszowych - Io. Grzanie pływowe powoduje, że to najbardziej umęczone ciało Układu Słonecznego wyrzuca z siebie sto razy więcej lawy niż Ziemia, chociaż jej promień jest tylko trochę większy od promienia Księżyca. Z pomiarów jasności jarzenia się wulkanów na różnych długościach fal promieniowania podczerwonego i widzialnego przeprowadzonych przez orbiter oceniono, że temperatura lawy na Io wynosi 1450 - 1750o C, podczas gdy obecnie na Ziemi temperatura lawy wyrzucanej przez wulkany waha się pomiędzy 1050 a 1200 o C a czasy, w których jej temperatura osiągała takie wartości jak lawa na Io to odległa o przeszło trzy miliardy lat przeszłość geologiczna, na którą teraz, dzięki obserwacjom Io można spojrzeć. Wyrzucane przez wulkany Io pył i zjonizowane gazy tworzą torus plazmowy opływany przez magnetosferę Jowisza. Poza tym, pomiędzy leżącym głęboko wewnątrz pasów radiacyjnych Jowisza Io a planetą - olbrzymem płynie strumień naładowanych cząstek przewodzących prąd elektryczny o natężeniu 5 . 106 A. Wszystko to zadecydowało o tym, że na początku Galileo przeleciał obok Io tylko jeden raz (bezpośrednio przed wejściem na orbitę wokół Jowisza 7 grudnia 1995 roku) i powrócił do niej dopiero w październiku 1999 roku, gdy ukończono już większość zadań misji głównej i zespół projektu zdecydował się skierować sondę ponownie w pobliże tego niebezpiecznego dla niej księżyca. Szybko przekonano się, że było warto; Galileo przekazał na Ziemię uzyskane z bliska obrazy wulkanów Zamama i Prometheus (fotografia 5).


Fotografia 5. Wulkany Zamama i Prometheus.


Wydawać by się mogło, że ostatni z księżyców galileuszowych - Kallisto nie uczestnicząca w rezonansie orbitalnym i nie podlegająca intensywnemu grzaniu pływowemu jest obiektem nieinteresującym. A jednak gdy Galileo przelatywał obok Kallisto odczyty z magnetometru jednoznacznie dowiodły, że Kallisto zaburza pole magnetyczne Jowisza, co oznacza, że ona również podobnie jak Ganimedes posiada pole magnetyczne. Z tym, że w odróżnieniu od pola magnetycznego Ganimedesa, które istnieje dzięki procesom konwekcji zachodzącym w jego jądrze, pole magnetyczne Kallisto musi być wytwarzane przez prądy elektryczne płynące w przewodzącej je warstwie tego księżyca, która, aby wyjaśnić odczyty z magnetometru, musiałaby być kilkudziesięciokilometrowej grubości oceanem słonej wody. Czy tak jest w rzeczywistości? Aby odpowiedzieć na to pytanie będziemy chyba musieli poczekać na nową misję kosmiczną, której celem, albo jednym z celów będą badania tego księżyca.

Na koniec należy wspomnieć o mniejszych satelitach Jowisza, a zwłaszcza o czterech mu najbliższych, tzn. Metis, Adrasthei, Amalthei, i Thebe, które jak się okazało są ściśle związane z istnieniem pierścieni Jowisza widocznych na fotografii 6 przestawiającej zaćmienie Słońca przez Jowisza. Otóż okazało się, że pierścienie Jowisza są najprawdopodobniej zbudowane z cząstek pyłu wyrzucanych z tych księżyców w skutek upadku na nie małych meteoroidów. Na obrazach przekazanych przez Galileo widać złożoną strukturę pierścienia, składającego się z wielu warstw związanych bezpośrednio z orbitami trzeciego i czwartego księżyca Jowisza, tzn. Amalthei i Thebe.


Fotografia 6. Pierścienie widoczne w czasie zaćmienia Słońca przez Jowisza. Cząstki pyłu tworzące pierścień oraz znajdujące się w atmosferze Jowisza świecą odbijając światło słoneczne.
dalej