Ганимед

[vika vorobyeva]

Ганимед, спутник Юпитера – крупнейший спутник в Солнечной системе. Он вращается вокруг Юпитера на расстоянии 1,07 млн.км по орбите с эксцентриситетом 0,002 (т.е. практически круговой) и делает один оборот за 7,155 дней.
Его радиус составляет 2634 км, что больше радиуса Меркурия (2440 км). Однако масса Ганимеда меньше массы Меркурия и составляет 1,482 * 10²³ кг (или 2,02 массы Луны).
Нет сомнений в том, что, вращайся Ганимед непосредственно вокруг Солнца, он был бы признан планетой.

Насколько мне известно, Ганимед лишен сколько-нибудь заметной атмосферы. Все же интересно посчитать, атмосферу какого состава он смог бы удержать.
Воспользуемся формулой устойчивости для планетной атмосферы:
R > 3,338 * 10⁷ * sqrt (T / (мю * p)),
где Т - температура газа в градусах Кельвина,
p - средняя плотность планеты,
мю - относительная молекулярная масса молекул атмосферы.

Перепишем ее так, чтобы в левой части неравенства стояла мю:
Мю > (3,338)² * 10¹⁴ * T / (R² * p)),
Все величины, по прежнему, выражены в СИ.

Для Плутона (T = 40K, p = 1700 кг/куб.м, R = 1,151 * 10⁶ м) эта формула дает
Мю > 19,8
(т.е. атмосфера Плутона может состоять из неона (мю = 20), азота (мю = 28), угарного газа (мю = 28), а вот метан (мю = 16) будет из нее медленно улетучиваться.)

Вернемся к Ганимеду.
Для него (Т = 180К, p = 1936 кг/куб.м, R = 2,634 * 10⁶ м)
Мю > 14,93

Вообще говоря, неожиданный результат. Получается, в принципе Ганимед вполне мог бы иметь атмосферу (из азота, аргона, углекислого газа, даже из метана!), но почему-то ее не имеет. Интересно, в чем тут дело? Метан, допустим, легко разрушается ультрафиолетовым излучением Солнца, а углекислый газ при таких температурах весь вымерз, но уж аргон с азотом прекрасно себя чувствуют при –100С, и солнечный свет им не страшен.
Или я где-то допустила ошибку?

[bob]

Поделился с Юпитером. Боливар не вынесет двоих газовых гигантов в одной точке. Приливы, магнитосфера, гадости всякие. Или то, чего не знаем. Юпитер вообще агрессивная штука. А в прошлом был ещё солиднее.

[vika vorobyeva]

Поделился с Юпитером. Боливар не вынесет двоих газовых гигантов в одной точке.

Я не говорю про второй газовый гигант, но атмосфера с давлением хотя бы в несколько миллибар у него могла бы быть. Интересно понять, почему ее нет. Рядом с Сатурном Титан удержал свою плотную атмосферу, а чем хуже Ганимед?
Очень хочется узнать мнение профессионалов

[Olweg]

Я читал такую вещь, что в мантии и коре Титана много аммиака, который снижает температуру плавления льда до -100^оС. В результате образуется слой жидкой водно-аммиачной "магмы" на глубине где-то 300 км. Он-то и является источником азота (и, вероятно, метана) в атмосфере. На Ганимеде по какой-то причине слишком мало аммиака, если вообще есть. Возможно, он расположен слишком близко к Солнцу. Существует такое понятие, как ледяной пояс, в Солнечной Системе он расположен, если не ошибаюсь, в 3 а.е. Все планеты, расположенные ближе, не должны иметь сколько-нибудь заметного количества воды (в реальности, это конечно, не так, из-за возмущений кометных орбит планетами-гигантами). Для аммиака тоже должен сущестовать свой ледяной пояс, где- нибудь за орбитой Юпитера. Учитывая температуру плавления ~195 K, он должен быть в два раза дальше водяного, т.е. в 6 или 7 а.е.

[bob]

Возможно. Допустим атмосфера Титана вторична. Тогда ситуация с Ганимедом различается именно составом поверхностных пород, а вовсе не диссипацией.

[hoarfrost]

А могла ли атмосфера Ганимеда образоваться тем же путём, что и атмосферы других планет?

[vika vorobyeva]

Я тут подумала, что основная причина отсутствия атмосферы у Ганимеда – мощная магнитосфера Юпитера.
Орбита Ганимеда пролегает через радиационные пояса Юпитера, в которых движутся электроны с энергией порядка 6 Мэв и больше. Бомбардируя атомы и молекулы внешней разреженной атмосферы Ганимеда (если бы такая была), они бы нагревали и ионизовали эти атомы, буквально сдувая атмосферу прочь. Вот если бы у Ганимеда было собственное магнитное поле...

Upd Упс Магнитное поле у Ганимеда есть. Есть и собственная магнитосфера с ионосферой:
http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/026.html

Тогда по-прежнему непонятно, почему у Ганимеда нет плотной атмосферы – ну, хотя бы из аргона-40?

[bob]

Да, магнитосферу я тоже предлагал. Но, кажется, что она всё-же недостаточно сильна на ганимедовом уровне. Хотя, проверить это невозможно. Целую космогонию надо создавать. Скорее здесь сопутствуют многие причины.

[vika vorobyeva]

Ролик: полет над Ганимедом

http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA02583

[Encycler]

А можно ли у Ганимеда создать искусственную атмосферу? Из воздуха :-)

[vika vorobyeva]

По идее можно Причем эта атмосфера будет вполне устойчива к диссипации.

[vika vorobyeva]

Оценим максимальную температуру на поверхности Ганимеда.
Единица поверхности Ганимеда лучше всего нагреется, если она будет абсолютно черной и будет находиться в полдень на экваторе Ганимеда. Пренебрежем тепловой инерцией грунта, и будем считать, что вся энергия, полученная единичной площадкой от Солнца, пойдет на ее разогрев.
Итак, солнечная постоянная на орбите Земли составляет 1367 Вт/м²
В перигелии Юпитер приближается к Солнцу на расстояние 5 а.е., значит, в этой точке его орбиты солнечная постоянная будет в 25 раз меньше:
S = 1367/25 = 54,7 Вт/м²
Пусть вся эта энергия идет на разогрев единичной черной площадки на поверхности Ганимеда. Тогда эта площадка нагреется до температуры Т и будет излучать в инфракрасном диапазоне согласно формуле излучения абсолютно черного тела:
E = сигма * Т⁴,
где сигма – постоянная Стефана-Больцмана, 5,67 * 10^-8 Вт/(м² * К⁴)
Приравняем друг к другу S и Е:
Сигма * Т⁴ = 54,7
Откуда Т = 176К
Реальная (даже полуденная) температура на поверхности Ганимеда будет меньше из-за большего альбедо и не равной нулю теплопроводности.

Итак, на поверхности Ганимеда –100С в самом лучшем случае! Ночью или на полюсах должно быть еще холоднее. Но с другой стороны, будь у Ганимеда атмосфера, содержащая парниковые газы (например, метан), климат Ганимеда мог быть вполне приемлемым.
 
Интересно оценить уровень радиации на поверхности Ганимеда (с предполагаемой атмосферой и без нее)

[hoarfrost]

Тогда по-прежнему непонятно, почему у Ганимеда нет плотной атмосферы – ну, хотя бы из аргона-40?

Вика, а не могут ли "проблемы" заключаться в том, что когда-то Ганимед мог быть потеплее? Мог ли "в те времена" быть теплее Юпитер? Мог ли Ганимед сформировать свов атмосферу из веществ, входящих в его кору? Мог ли он захватить газы, в то время когда это было ещё возможно?

[deymos34]

Я тут подумала, что основная причина отсутствия атмосферы у Ганимеда – мощная магнитосфера Юпитера.
Орбита Ганимеда пролегает через радиационные пояса Юпитера, в которых движутся электроны с энергией порядка 6 Мэв и больше. Бомбардируя атомы и молекулы внешней разреженной атмосферы Ганимеда (если бы такая была), они бы нагревали и ионизовали эти атомы, буквально сдувая атмосферу прочь. Вот если бы у Ганимеда было собственное магнитное поле...

Upd Упс Магнитное поле у Ганимеда есть. Есть и собственная магнитосфера с ионосферой:
http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/026.html

Тогда по-прежнему непонятно, почему у Ганимеда нет плотной атмосферы – ну, хотя бы из аргона-40?

Да, но в вашем же источнике сообщается что "магнитосфера Ганимеда полностью перекрывается юпитерианской: на Ганимеде наблюдается нечто вроде магнитной "матрешки". Конечно, какого-то взаимодействия между магнитными полями планеты (которое намного интенсивнее земного) и ее спутника следовало ожидать, но сплошное их перекрытие - явление до сих пор не отмечавшееся".
Может ли в таком случае магнитосфера защитить атмосферу Ганимеда? 

[bob]

Вика, а не могут ли "проблемы" заключаться в том, что когда-то Ганимед мог быть потеплее? Мог ли "в те времена" быть теплее Юпитер? Мог ли Ганимед сформировать свов атмосферу из веществ, входящих в его кору? Мог ли он захватить газы, в то время когда это было ещё возможно?

Не только могли быть теплее, а обязательно должны были быть.

[bob]

Может ли в таком случае магнитосфера защитить атмосферу Ганимеда? 

Погубить может. Земную атмосферу магнитосфера Земли "защищает" только за счёт симметрии задачи.

[vika vorobyeva]

Мог ли Ганимед сформировать свов атмосферу из веществ, входящих в его кору? Мог ли он захватить газы, в то время когда это было ещё возможно?

Для того, чтобы понять, мог ли Ганимед сформировать свою атмосферу из вулканических газов, надо знать внутренний состав Ганимеда (а с этим увы ). Предполагается, что он имеет каменное ядро размером с Луну и обширную водно-ледяную мантию. Магнитное поле Ганимеда может быть следствием небольшого жидкого металлического ядра (что очень вряд ли, но кто знает) или движения зарядов в обширном соленом океане под ледяной корой этого спутника (что, на мой взгляд, куда более вероятно).
Из чего может состоять атмосфера Ганимеда.
Первым приходит на ум аргон от радиоактивного распада калия-40. Аргон Ганимед удерживает с большим запасом, и раз его нет, значит, в составе пород, слагающих Ганимед, калия почти не было (аналогичная ситуация с Меркурием: ни калия, ни аргона).
Второй кандидат – молекулярный кислород. Водяной пар медленно испаряется под влиянием геотермального тепла и/или магнитосферы Юпитера, разлагается ультрафиолетовым излучением Солнца, водород убегает, атомы кислорода объединяются в молекулы. Кислород Ганимед тоже удерживает, но тот должен связываться химическими реакциями с веществом, выносимым тектонической активностью из недр Ганимеда. (Я тут посмотрела снимки Галилео – лед на Ганимеде явно и очевидно грязный, не то, что на Энцеладе.)
Какие еще могут быть варианты? Азота в системе Юпитера мало, зато много серы. Будь Ганимед буквально на 10-15 градусов потеплее, он мог бы иметь атмосферу из сероводорода (мю = 34), температура сублимации 186К, при давлении 1 атм. сероводород кипит при –60С (213К). При 197,5К плавится (и возгоняется) сернистый газ SO₂, который в изобилии извергают вулканы Ио.
С другой стороны, даже если фумаролы до сих пор извергаются под толстой ледяной корой и протяженной водной мантией Ганимеда, до поверхности ничего не доходит, потому что и сероводород, и сернистый газ прекрасно растворяются в воде

[vika vorobyeva]

Земную атмосферу магнитосфера Земли "защищает" только за счёт симметрии задачи.

Не поняла, почему собственная магнитосфера не может защитить предполагаемую атмосферу Ганимеда от влияния магнитосферы Юпитера. Разве что из-за своей слабости...

Upd Ухожу в отпуск на 2 недели, доступа в Сеть не будет, вернусь в конце августа

[hoarfrost]

Магнитное поле Ганимеда может быть следствием небольшого жидкого металлического ядра (что очень вряд ли, но кто знает) или движения зарядов в обширном соленом океане под ледяной корой этого спутника (что, на мой взгляд, куда более вероятно).

А вот интересно - а может ли это движение возбуждаться прохождением самого Ганимеда через магнитное поле Юпитера? Т.е. вследствие "сохранения" магнитного потока, или же за счёт силы Лоренца...

Второй кандидат – молекулярный кислород. Водяной пар медленно испаряется под влиянием геотермального тепла и/или магнитосферы Юпитера, разлагается ультрафиолетовым излучением Солнца, водород убегает, атомы кислорода объединяются в молекулы. Кислород Ганимед тоже удерживает, но тот должен связываться химическими реакциями с веществом, выносимым тектонической активностью из недр Ганимеда. (Я тут посмотрела снимки Галилео – лед на Ганимеде явно и очевидно грязный, не то, что на Энцеладе.)

Значит, кислородной жизни там нет!

Какие еще могут быть варианты? Азота в системе Юпитера мало, зато много серы. Будь Ганимед буквально на 10-15 градусов потеплее, он мог бы иметь атмосферу из сероводорода (мю = 34), температура сублимации 186К, при давлении 1 атм. сероводород кипит при –60С (213К). При 197,5К плавится (и возгоняется) сернистый газ SO₂, который в изобилии извергают вулканы Ио.
С другой стороны, даже если фумаролы до сих пор извергаются под толстой ледяной корой и протяженной водной мантией Ганимеда, до поверхности ничего не доходит, потому что и сероводород, и сернистый газ прекрасно растворяются в воде

Ну вот... прозевали мы видимо, не только марсианские реки, но ганимедовы ветра...
Кстати, а после растворения сернистого газа в воде случайно не серная кислота получается? Или сернистая? Или вообще никакой?

[deymos34]

Кстати, а после растворения сернистого газа в воде случайно не серная кислота получается? Или сернистая? Или вообще никакой?

Сернистая, H2SO3