home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Mania / abacus-multimedia-mania.iso / dp / 0116 / 01167.txt < prev    next >
Text File  |  1993-07-27  |  23KB  |  378 lines

  1. $Unique_ID{bob01167}
  2. $Pretitle{}
  3. $Title{Pioneer
  4. Chapter 6: Part 3 - Results At The New Frontier}
  5. $Subtitle{}
  6. $Author{Fimmel, Richard O.;Allen, James Van;Burgess, Eric}
  7. $Affiliation{Ames Research Center;University Of Iowa;Science Writer}
  8. $Subject{jupiter
  9. atmosphere
  10. planet
  11. clouds
  12. pioneer
  13. red
  14. earth
  15. temperature
  16. heat
  17. spot}
  18. $Date{1980}
  19. $Log{}
  20. Title:       Pioneer
  21. Book:        Pioneer: First To Jupiter, Saturn, And Beyond
  22. Author:      Fimmel, Richard O.;Allen, James Van;Burgess, Eric
  23. Affiliation: Ames Research Center;University Of Iowa;Science Writer
  24. Date:        1980
  25.  
  26. Chapter 6: Part 3 - Results At The New Frontier
  27.  
  28. The Planet Jupiter
  29.  
  30.      The Pioneer spacecraft permitted close looks at Jupiter as well as the
  31. environment surrounding it.  These close looks were made possible by the
  32. spin-scan imaging technique, infrared and ultraviolet experiments, and the
  33. radio occultation and celestial mechanics experiments.  As a result,
  34. astronomers were able to refine theories about the internal composition and
  35. the meteorology and atmosphere of Jupiter.  Although the spin-scan images are
  36. discussed in detail in chapters 8 and 9, it is appropriate here to summarize
  37. the current theories about Jupiter, which were strengthened by or were evolved
  38. from the Pioneer results.  Jupiter appears to be almost entirely fluid, with
  39. possibly only a very small core of silicates and metals.  Jupiter's center may
  40. have a temperature of 30,000 C (54,000 F), a result of heat from continued
  41. gravitational contraction and a reserve of residual primordial heat.  Since
  42. the temperature of the Jovian cloudtops is about - 148 C (- 34 F), there is a
  43. wide range of temperatures within the planet so that millions of cubic miles
  44. of the atmosphere could be at room temperature.
  45.  
  46.      Atop the bulk of the planet is a turbulent region of atmosphere, possibly
  47. 970 km (600 miles) thick.  The top regions of this atmosphere produce clouds
  48. that are the visible surface of Jupiter as seen from Earth.  A transparent
  49. atmosphere extends above the visible clouds and ultimately leads to a
  50. multilayered ionosphere of highly rarefied, electrically charged gas.
  51.  
  52.      Jupiter exhibits convective circulation patterns, but the rapid rotation
  53. of the planet and outward flow of internal energy makes the weather patterns
  54. very different from those of Earth.
  55.  
  56.      From changes to the paths of the Pioneers determined from their radio
  57. signals, the density distributions within Jupiter imply that the planet must
  58. be largely liquid, with no concentrations of mass and no detectable crust or
  59. solid surface.  But Jupiter could still possess a small, liquid, rocky core of
  60. a few Earth masses consisting of iron and silicates.  The composition of
  61. Jupiter is not precisely like that of the Sun since there is a fivefold
  62. enhancement of heavy materials on Jupiter, probably in the form of silicates
  63. and ices of ammonia, methane, and water.  Scientists cannot yet define how
  64. these heavier materials are distributed throughout the planet.
  65.  
  66.      Jupiter is probably 85 to 90% hydrogen; despite the high internal
  67. pressures, the hydrogen is most likely liquid because of Jupiter's high
  68. internal temperatures.  However, the pressure within Jupiter at about 24,000
  69. km (15,000 miles) below the visible cloudtops is sufficient to convert liquid
  70. hydrogen into a metallic form that more readily conducts heat and electricity.
  71.  
  72.      Temperatures and pressures are enormously high in the interior of
  73. Jupiter.  At 970 km (600 miles) below the cloudtops, the temperature is
  74. probably about 2,000 C (3,600 F).  At 2,900 km (1,800 miles), the temperature
  75. is believed to be 6,000 C (11,000 F).  At 24,000 km (15,000 miles), the
  76. temperature may reach 11,000 C (20,000 F), and the pressure may be 3 million
  77. Earth atmospheres.
  78.  
  79.      Jupiter also contains 10 to 15% helium which might, theoretically, be
  80. soluble in liquid hydrogen.  It is speculated that, if conditions are not just
  81. right, the helium might be insoluble within the hydrogen and form a shell
  82. around the central core of Jupiter on top of which the liquid metallic
  83. hydrogen would float.  There is no adequate theory yet on the miscibility of
  84. metallic hydrogen and helium within a planet such as Jupiter.  There might be
  85. precipitation of helium in the molecular hydrogen, which would be important to
  86. layering and to convective processes within the planet.  In turn, these could
  87. affect the magnetic field.  Additionally, there is the question whether rocks
  88. might dissolve in a hydrogen-helium mixture at high temperature.  This could
  89. prevent the formation of a discrete rocky core or could have dissolved such a
  90. core that had already formed earlier in the history of the planet.
  91.  
  92.      The seething internal activity in the metallic hydrogen of Jupiter is
  93. thought to be evidenced by the complex magnetic field of the planet.  Hydrogen
  94. moving up from the center of Jupiter, like water coming to a boil in a
  95. saucepan, would produce eddy currents that give rise to the magnetic field
  96. through rotation of the planet.
  97.  
  98.      Somewhere around 970 km (600 miles) below the cloudtops, where the
  99. pressure is low enough for liquid hydrogen to become a gas, the atmosphere of
  100. Jupiter begins.  It is unlikely, however, that there is a sharp transition
  101. surface similar to the surface of an ocean.  Rather, there is probably a
  102. gradual change through a mixture of gas and liquid.  But the top 970 km (600
  103. miles) of the planet, where hydrogen no longer exists in liquid form, is
  104. defined as the Jovian atmosphere.
  105.  
  106.      Jupiter's atmosphere accounts for about 1% of the mass of the planet.  It
  107. is predominantly hydrogen (about 85 to 90%) with 10 to 15% helium and less
  108. than 1% of other gases.  These elements are found in the same proportions on
  109. the Sun.  Although helium was believed present in Jupiter, the gas was not
  110. positively identified until the Pioneer 10 flyby.
  111.  
  112.      Jupiter's atmosphere also contains small amounts of ammonia and methane,
  113. and traces of deuterium, acetylene, ethane, and phosphine.  In recent years,
  114. water vapor has been detected in small quantities as have carbon monoxide and
  115. hydrogen cyanide.  Several trace gases have been discovered, and more are
  116. being discovered, through the use of telescopes mounted on high-altitude
  117. aircraft that surmount some of the masking absorptions of Earth's atmosphere.
  118. In the atmosphere extending 32 km (20 miles) or more above and below the
  119. visible cloudtops, solar heat and internal heat from the planet affect
  120. circulation and modify the weather patterns.  Jupiter's clouds form in the
  121. atmosphere by condensation, as on Earth.  But Jupiter's clouds appear to
  122. contain ammonia and ammonia compounds as well as water.  The topmost clouds
  123. are thought to be of ammonia crystals with water clouds confined to the lower
  124. levels.
  125.  
  126.      An inversion layer 35 km (22 miles) above the visible clouds is thought
  127. to be caused by a layer of aerosols and hydrocarbons such as ethane and
  128. acetylene.  In this layer, sunlight is absorbed and adds heat to the cooling
  129. atmosphere.  Methane, too, would absorb sunlight and contribute to this
  130. inversion layer.
  131.  
  132.      Pioneer 10's occultation experiment at first produced results for the
  133. temperature structure of the Jovian atmosphere that were in conflict with
  134. ground-based observations and with the data from the infrared radiometer.
  135. Moreover, the data from Pioneer 11 were consistent with those from Pioneer 10.
  136. They were finally matched with the ground-based observations by taking into
  137. account the great oblateness, or spin flattening, of Jupiter and its effects
  138. on the path of the radio waves through the Jovian atmosphere.  For three
  139. measurements - entry and exit of Pioneer 10 and exit of Pioneer 11 - the
  140. occultation data were quite consistent.  They showed a temperature inversion
  141. between the 10- and 100-mbar levels with temperatures between -133 and -113 C
  142. (-207 and -171 F) at the 10-mbar level, and between -183 and -163 C (-297 and
  143. -261 F) at 100 mbar.  At the 0.001-mbar level, the temperature of the Jovian
  144. atmosphere, determined from an occultation of the star Beta Scorpii as
  145. observed from Earth, was about -103 C (-153 F).  At the cloudtops, however,
  146. the temperature as measured by Pioneer was about -148 C (-234 F).
  147.  
  148.      The Pioneer observations also showed that the poles and equatorial
  149. regions of Jupiter have effectively the same temperature; the temperature is
  150. also the same on the northern and southern hemispheres and on the day and
  151. night sides.  Also, because the axis of Jupiter is inclined only a few degrees
  152. to the plane of its orbit, the planet does not have seasons like those on
  153. Earth.
  154.  
  155.      Because the Sun's radiation is more concentrated per unit area in the
  156. equatorial regions than in the polar regions, the equator would be expected to
  157. be warmer than the poles, as on Earth and other planets; however, the
  158. temperatures do not differ.  Two theories were proposed to account for the
  159. even distribution of temperature as measured by infrared radiation from
  160. Jupiter:  The first holds that the circulation within the atmosphere should be
  161. very efficient in redistributing the solar heat; the second suggests that the
  162. heat flux from inside Jupiter is sufficiently greater at the poles to balance
  163. the lesser solar input there.  Since no equator-to-pole atmospheric flow
  164. pattern is seen on Jupiter, the second theory seems more likely to fit
  165. conditions on the planet.  It is believed that convection is so effective over
  166. the entire planet that it eliminates any temperature differences due to the
  167. solar input variations with latitude.  Thus, at the poles, where the cloud
  168. temperatures would be expected to fall, convection brings heat from the
  169. interior and keeps the temperature constant.  At the equator, where the clouds
  170. are warmed more by the Sun, convection is reduced accordingly.  Thus, the
  171. planet acts as though controlled by a natural thermostat.
  172.  
  173.      It has been speculated that the spots on Jupiter, including the Great Red
  174. Spot, are probably large, hurricane-type features consisting of groups of
  175. persistent air masses that rise like gigantic thunderstorms.  For reasons
  176. mentioned above, it is no longer believed that the Great Red Spot is a column
  177. of gas anchored to some feature on a hypothetical surface of Jupiter.  The
  178. core of Jupiter is now believed to be much too small to produce effects that
  179. would extend to the visible surface of the clouds.  The Pioneer spacecraft
  180. revealed no noticeable density differences to suggest that the Great Red Spot
  181. extends toward the core.
  182.  
  183.      Fundamental questions remain unanswered:  What causes the Great Red Spot?
  184. Why has it lasted so long?  Speculative theories are constantly being advanced
  185. as, for example, that the Great Red Spot is the Jovian equivalent of a
  186. hurricane but the validity of these theories remains in doubt.  Equations that
  187. describe the atmospheric flow on a rapidly rotating planet with an internal
  188. heat source can be solved by powerful computers.  Several scientists have
  189. developed mathematical models to explain the Great Red Spot.  Whether these
  190. new hydrodynamic solutions do, in fact, apply to the real Great Red Spot must
  191. await careful comparison of the predictions of the spot's behavior and
  192. characteristics.  Time-lapse motion pictures obtained with the Voyager
  193. spacecraft later threw more light on the complex motions and their probable
  194. causes.
  195.  
  196.      One of the most significant images from Pioneer 10 showed a similar red
  197. spot, though much smaller, in the northern hemisphere at the same latitude as
  198. the Great Red Spot.  Its shape and structure confirmed that these red spots
  199. are meteorological features in the atmosphere.  The Great Red Spot appeared to
  200. rotate counterclockwise as seen from above, a motion clearly defined in the
  201. Voyager pictures.  It is thus anticyclonic and behaves as an ascending mass of
  202. gas flowing out at the level of its top which pokes several miles above the
  203. surrounding clouds.
  204.  
  205.      By looking at sunlight reflected off a cloud, it is not possible to tell,
  206. even on Earth, what is under the cloud.  But the nature of this reflected
  207. light reveals much about the size, distribution, and refractive index of the
  208. droplets comprising the cloud.  There was no haze over the Great Red Spot as
  209. observed by the Pioneer near the limb.  At the terminator, the Great Red Spot
  210. showed a bluish tint where the sunlight was scattered into space.  Scientists
  211. speculated that the red color of the spot may result from phosphine being
  212. carried to great heights where it is broken down by solar ultraviolet to
  213. produce red phosphorus.
  214.  
  215.      The views of the north polar regions of Jupiter were unique in that such
  216. views are not possible from Earth.  Pioneer's pictures showed that north of
  217. the North Temperate Belt, the dark belts and light zones characteristic of
  218. regions closer to the equator became successively less organized.  The band
  219. structure changed into oval and circular patterns within 30 of the pole.  The
  220. details were greater in the red images of the polar regions thereby suggesting
  221. that the atmosphere is thicker over the polar clouds than over the temperate
  222. and equatorial regions of the planet.
  223.  
  224.      Photopolarimetry was also used to estimate the optical depth of the
  225. atmosphere above the cloudtops.  It appeared to be three times greater at
  226. latitudes above 60 degrees than in the equatorial zone.  But the effects may
  227. have been caused by a thin, high cloud layer or an unknown absorber in the
  228. upper atmosphere.
  229.  
  230.      The Pioneer observations of Jupiter added considerably to our basic
  231. knowledge of the atmospheric dynamics of cloudy planets by providing
  232. information on very deep atmospheres in rapid rotation without any solid
  233. surface interactions with the atmosphere.  They also provided information
  234. about atmospheres driven mainly by heat from below rather than from the Sun.
  235.  
  236.      Pioneer results seemed to confirm earlier theoretical deductions that the
  237. Great Red Spot and the light-colored zones are regions of well developed
  238. clouds, swirling anticyclones, and rising air masses.  The darker belts, by
  239. contrast, are cyclonic, sinking masses of air leading to depressed clouds.
  240. The belts and zones of Jupiter reflect sunlight in very different ways.  It is
  241. speculated that the belts may appear dark because of dark aerosols suspended
  242. in the gaseous atmosphere there.  On Jupiter, the familiar cyclones and
  243. anticyclones of Earth are stretched into linear or hook-shaped features on
  244. this rapidly rotating planet, with extremely turbulent areas separating
  245. adjacent bands of different velocities, areas in which there are many examples
  246. of classical von Karman vortices.
  247.  
  248.      Whereas a storm system such as a hurricane on Earth may last for several
  249. days or weeks, storm systems on Jupiter last much longer.  The Great Red Spot
  250. has been observed for nearly three centuries, although at least twice it has
  251. virtually disappeared.  On Earth there are strong interactions between
  252. atmospheric systems and the land masses over which the systems travel.  These
  253. masses tend to break up an atmospheric system passing over them.  In addition,
  254. Earth systems are powered by solar heat concentrated in the tropics during
  255. daylight.  Thus, they tend to break up when they move away from the tropics
  256. and into the night hemisphere of Earth.  However, Jupiter's storms are powered
  257. mainly by internal heat flow that is more evenly distributed planet wide and
  258. over the day and night hemispheres.  It is not known why Jovian weather
  259. systems can last so long, although it is clear that the huge mass of a
  260. swirling body of gas has immense rotational inertia and consequently has a
  261. long lifetime.
  262.  
  263.      Some of the bright zones on Jupiter may be analogous to tropical
  264. convergences on Earth, which show up plainly on satellite photographs as bands
  265. of thunderstorms, a few degrees north and south of the equator.  On Earth they
  266. are caused by the trade winds, blowing toward the equator, and moist air
  267. rising in the tropics.  The consequent thunderstorms spread their tops into
  268. cirrus clouds which then flow back toward the poles.  Similarly, on Jupiter,
  269. rising air masses may produce great anvil-shaped masses of cumulus clouds,
  270. which appear as bright bands in the North Tropical and South Tropical Zones.
  271.  
  272.      A problem still not resolved is why, when ammonia and water are both
  273. colorless when condensed, Jupiter displays bands of colored clouds and red
  274. spots.  Certain ammonia compounds, if sufficiently exposed to ultraviolet
  275. radiation, produce colors like those on Jupiter.  Sufficient solar radiation
  276. does penetrate to the cloud levels.  Perhaps carbon compounds or traces of
  277. sulfur and phosphorus - all believed to be present in primordial material -
  278. supply some of the color.  Only traces would be needed to react in sunlight
  279. and produce the colors seen on Jupiter.  It could very well be that, because
  280. the gas of the Great Red Spot rises so high, it is subjected to irradiation by
  281. solar ultraviolet which triggers a different set of photochemical reactions
  282. that deepen the color.
  283.  
  284.      However, since solar ultraviolet radiation penetrates to lower cloud
  285. levels, that is, to the belts, the Great Red Spot may result from a different
  286. type of chemical reaction, from low temperature, or from longer exposure to
  287. the radiation because its gases are less mixed than those of the belts.
  288.  
  289.      The presence of free radicals could also explain the colors on Jupiter.
  290. At very low temperatures, such as those experienced in the higher cloud
  291. layers, chemical compounds can exist with some of their normal complement of
  292. atoms missing and still be relatively stable - these are called free radicals
  293. and they are generally highly colored.
  294.  
  295.      Limb darkening on Jupiter shows that the clouds of the planet consist of
  296. a thin upper layer, which is semitransparent to red light, above a more dense
  297. lower layer.  The particles of Jupiter's upper clouds are much smaller than
  298. particles in Earth's clouds.
  299.  
  300.      A precise modeling of the Jovian cloud layers was still continuing at the
  301. time of the Voyager encounters in 1979.  Generally, two cloud layers appeared
  302. to be present on the planet:  a thick, low deck with a gaseous atmosphere
  303. above and a thin, high layer topped by aerosols.  The Jovian cloud particles
  304. were not spherical (unlike the sulfuric acid droplets of the Venusian
  305. atmosphere). Instead, the Jovian particles seemed irregular and probably
  306. larger than the wavelength of light.  Clouds seemed to be lower at the poles.
  307. But, alternatively, the upper cloud layers might have been diffuse with many
  308. aerosols suspended in the upper atmosphere.
  309.  
  310.      The pictures of Jupiter revealed several surprises about the clouds.  The
  311. detailed cloud structures in intermediate latitudes were unexpected.  The
  312. billows and whirls near the edges of belts and zones confirmed that the
  313. direction and speed of the winds change rapidly there.  Motions in latitude as
  314. well as in longitude seem to be evidenced by trends and slants in the North
  315. Tropical Zone, for example.  The plume in the Equatorial Zone was revealed in
  316. remarkable detail, which provided structural information so important to
  317. understanding these common cloud forms of that zone.
  318.  
  319.      Infrared observations of Jupiter have been made from the ground at
  320. wavelengths of 5 mu_m where there is a window of transparency in the
  321. atmospheres of both Earth and Jupiter.  Maps of Jupiter at this wavelength,
  322. made at the Hale Observatories, reveal belts and zones very much the same as
  323. shown in photographs of Jupiter taken by visible light.  But the dark visible
  324. belts are light (hotter) in the infrared pictures, and the light visible zones
  325. are dark (cooler).  The infrared radiation comes from deep within the
  326. atmosphere and shows that the dark visible belts are lower, or thinner, hotter
  327. clouds, while the bright visible featuress are higher, or thicker, cooler
  328. clouds.  There is also a close correlation between infrared maps of the dark,
  329. bluish-gray regions, which are interpreted as dark holes in the clouds.  These
  330. show as regions of increased infrared radiation.  The 5-mu_m pictures also
  331. correlate well with the Pioneer pictures of visible features; the prominent
  332. plume and various cells and wave features are clearly the same.
  333.  
  334.      The Pioneer 10 and 11 spacecraft also made infrared maps of Jupiter, but
  335. at 20 and 40 mu_m where, although there is less detail because of less
  336. penetration and less temperature contrast, the planet emits more infrared
  337. radiation than it does at 5 mu_m.  These maps also confirm the high and low
  338. clouds and provide information on the general heat balance of the planet -
  339. namely, that Jupiter emits more heat than it absorbs from the Sun.
  340.  
  341.      Despite the loss of some data about the northern hemisphere of Jupiter
  342. because of radiation effects on the instrument, the infrared radiometer
  343. onboard Pioneer 11 provided two infrared spinscan images of the planet.  A
  344. complete image was centered at 41 south latitude and a partial image at 52
  345. north latitude.  The ratio of total thermal energy to absorbed solar energy
  346. was revised to 1.7 to 0.2; previous estimates were 2.5 to 0.5.  The fact that
  347. both Pioneer 10 and Pioneer 11 data yield this result increases confidence in
  348. the new value.  Thus Jupiter does not appear to be emitting as much internal
  349. heat as was once thought.  The new value lends support to the idea that
  350. Jupiter loses internal energy by cooling and contraction only, not by
  351. separation of helium from hydrogen or other mechanisms.
  352.  
  353.      Jupiter's ionosphere rises 4000 km (2500 miles) above the visible
  354. surface.  It is 10 times thicker and 5 times hotter than predicted.  Also, the
  355. ionosphere has at least 5 sharply defined layers of different density, similar
  356. to Earth's ionospheric layers that permit long-range radio communications
  357. around the bulge of Earth by returning certain radio frequencies to the
  358. ground.
  359.  
  360.      Confirmation that Jupiter has a warm, extended, hydrogen-rich atmosphere
  361. has important implications for further exploration of this giant planet.
  362.  
  363.      Before the measurements by the Pioneer spacecraft, engineers generally
  364. considered that a probe into Jupiter's atmosphere could not withstand the
  365. intense heat at entry.  Now, the new determinations of the Jovian atmosphere
  366. suggest that a probe can be built to survive entry into the Jovian atmosphere
  367. and to directly measure its characteristics and constituents.  Thus, the path
  368. was cleared for NASA's Project Galileo:  a Jupiter probe and orbiter.
  369.  
  370.      The Pioneers stimulated a great increase in theoretical and ground-based
  371. planetary astronomy and confirmed or revealed enough information about Jupiter
  372. to provide a basis for further missions.  Pioneers 10 and 11 also demonstrated
  373. for the first time that such exploration is within the capabilities of
  374. present-day space technology.  There is now the opportunity to sample directly
  375. what may be the primordial material of our Solar System, moving back 4.5
  376. billion years in time.
  377.  
  378.