Merkury i Wenus nie do końca znane...

Panie Doktorze

w samolocie oglądałem program ESA o locie na Merkurego i o badaniach Wenus.

Mam takie pytania:

1. Wiem, że obrót Merkurego jest w rezonansie z jego obiegiem. Materiał ESA mówił też o silnie eliptycznej orbicie Merkurego i o tym, że w trakcie tego bardzo długiego dnia, Słońce staje w zenicie, cofa się nieco i dopiero dalej idzie ku zachodowi.
Może Pan to jakoś "odgmatwać"?
Odpowiedź: Zacznijmy od rezonansu – porównując okres obiegu Merkurego (prawie dokładnie 88 dób) oraz jego okres obrotu (58 dni 15 godzin) możemy zauważyć, że pozostają ze sobą w proporcji 3:2. A więc dwa pełne obiegi (176 dni) to jednocześnie 3 obroty tej planety (patrz rysunek).

Schemat rezonansu Merkurego. Kreska oznacza wybrany punkt na powierzchni planety. Oś obrotu jest prostopadła do płaszczyzny obrazka. Źródło: Wikimedia Commons.

Przyczyną tej zbieżności jest oddziaływanie grawitacyjne Słońca – siły pływowe, które np. w przypadku układu Ziemia-Księżyc doprowadziły do wyrównania okresu obrotu Księżyca z jego okresem obiegu. W przypadku układu Słońce-Merkury pojawiła się synchronizacja nie 1:1, ale 3:2. Być może właśnie jednym z powodów jest stosunkowo duża eliptyczność orbity – odległość Merkurego od Słońca zmienia się bowiem w przedziale od 46 do 70 milionów kilometrów. Konsekwencją tak dużej zmiany odległości jest też spory przedział prędkości ruchu planety po orbicie – od 39 (w aphelium) do 59 km/s (w peryhelium).
A co z zakreślaniem „pętli” na niebie przez Słońce? Otóż na około cztery dni ziemskie przed peryhelium kątowa prędkość orbitalna Merkurego jest równa prędkości kątowej planety wokół własnej osi, następnie przez 8 dni kątowa prędkość orbitalna jest większa od kątowej prędkości wokół własnej osi, tak więc pozorny ruch Słońca ustaje i przez ten czas odbywa się w przeciwną stronę; Słońce wydaje się wykonywać ruch wsteczny. Cztery dni po peryhelium Słońce powraca do normalnego pozornego kierunku ruchu. W wyniku tych procesów na Merkurym można zaobserwować nietypowe zjawisko. Polega ono na tym, że Słońce staje w zenicie, cofa się nieco i dopiero dalej idzie ku zachodowi, albo też (na nieco innej długości „geograficznej”) wschodzi tylko częściowo, następnie zachodzi (cofając się) i ponownie wschodzi w tym samym dniu merkuriańskim.


2. Wenus kręci się w drugą stroną ale powoli, prawda?
Odp.: Wenus obraca się w ciągu 243 dni ziemskich; jest to najwolniejszy okres obrotu pośród wszystkich planet Układu Słonecznego. Na równiku, powierzchnia Wenus obraca się z prędkością liniową 6,5 km/h; a na Ziemi – 1670 km/h (ok. 0,5 km/s). Jednocześnie kierunek tego ruchu jest przeciwny niż ruchu orbitalnego: oglądane sponad płaszczyzny ekliptyki, od strony północnego bieguna Słońca, wszystkie planety krążą w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (w lewo), większość planet również obraca się wokół osi w lewo, jednak Wenus obraca się w prawo. Nie wiemy do końca, czy przyczyną tego faktu były tylko chaotyczne zmiany spowodowane przez zaburzenia wywoływane przez inne planety i pływy w jej gęstej atmosferze, czy też przyczyniło się do tego jakieś kataklizmiczne zderzenie w okresie formowania się planety.

Zdaje się, że na powierzchni Wenus nie ma wody (bo za gorąco). A jakie panuje tam ciśnienie?
Odp.: Rzeczywiście, temperatura przekracza 400 stopni Celsjusza i ze względu na gęstą atmosferę złożoną głównie z dwutlenku węgla oraz efekt cieplarniany nie spada poniżej tej wartości ani w nocy, ani na biegunach. Z kolei średnie ciśnienie atmosferyczne na powierzchni to ponad 93 000 hPa, czyli przeszło 90 atmosfer! Odpowiada to ciśnieniu hydrostatycznemu na głębokości ponad 900 metrów…

Przez wiele lat z różnych źródeł słyszałem, że maksymalna temperatura na Wenus to 469 stopni. Kto to tak zmierzył, jako że i na Ziemi nie wiemy ile ona wynosi (kiedy i gdzie)?
Odp.: Amerykańska sonda Mariner 2, wysłana 27 sierpnia 1962 roku, dotarła zgodnie z planem w okolice Wenus po 109 dniach lotu i przeleciała prawie 35 000 km nad jej atmosferą, wykonując w ten sposób pierwszą w historii udaną misję międzyplanetarną. Badając jej powierzchnię za pomocą radiometrów mikrofalowych i podczerwonych odkryła, że choć chmury nad Wenus są chłodne, jej powierzchnia ma temperaturę co najmniej 425 °C. Dokładniejsze późniejsze pomiary lokują temperaturę powierzchni tej planety w przedziale od 437 do 500 stopni Celsjusza.
Merkury i Wenus nadal kryją sporo zagadek, a w ich rozwiązaniu na pewno pomoże wspólna misja Europejskiej (ESA) oraz Japońskiej (JAXA) Agencji Kosmicznej, nazwana BepiColombo. Start planowany jest aktualnie na sierpień 2015, sonda wykona najpierw dwa przeloty koło Wenus w latach 2017-18, a na orbitę Merkurego dotrze w 2022 roku.
Nazwa sondy pochodzi od włoskiego matematyka i inżyniera, Giuseppe (Bepi) Colombo, który wynalazł manewr asysty grawitacyjnej, bez którego niemożliwe byłyby dotychczasowe loty międzyplanetarne. Colombo pomógł NASA w ustaleniu trajektorii lotu sondy Mariner 10. Wysłany w 1973 r. Mariner 10, był do 14 stycznia 2008 roku jedynym statkiem kosmicznym, który dotarł do planety Merkury. Wykonał on pierwszy manewr asysty grawitacyjnej z pomocą Wenus.
Dlaczego podróż do Merkurego zajmie sondzie aż 6,5 roku? BepiColombo ma być największym do tej pory statkiem kosmicznym napędzanym silnikiem jonowym zasilanym energią słoneczną. Silnik ten będzie, dość nietypowo, służył głównie do hamowania, a nie rozpędzania statku, gdyż BepiColombo będzie leciał w kierunku Słońca (spadał w jego kierunku) i aby móc wejść na orbitę Merkurego, będzie musiał utrzymywać odpowiednią prędkość, zwiększającą się w wyniku przybliżania się do Słońca, i nie rozpędzać się nadmiernie. Sonda wykorzysta również w swojej podróży asysty grawitacyjne Księżyca, Ziemi, Wenus i samego Merkurego. Po wejściu na orbitę Merkurego, statek będzie badał planetę przez co najmniej rok.



Opracował dr K. Rochowicz
Pytał prof. dr hab. G. Karwasz