Cesta do středu Saturnu

 Už byla popsána Cesta do středu Země. Nenechme se svazovat fantazií a dejme se unášet realitou při cestě do středu druhé největší planety Sluneční soustavy.

Vyzbrojíme se zvláštní kabinou, jakýmsi kosmickým výtahem, který vydrží podtlak kosmického vakua stejně tak dobře jako neuvěřitelné tlaky panující v centru obří planety. Zobrazovací jednotky dokáží vnímat nejen celé spektrum elektromagnetického záření, ale bez problémů vizualizují silokřivky magnetického pole či jakéhokoli fenoménu, který stojí za pozorování. Nechme nyní stranou technické detaily, jakým fíglem dokážeme naši pozorovatelnu uchránit před obrovskými teplotami převyšujícími teplotu slunečního povrchu, užívejme si klimatizovaného prostředí a vydejme se na výlet.

Již při startu ze Země se nám zdál Saturn žlutý, později se zdání změnilo v jistotu, ale teď, když jsme již opravdu blízko, připadá nám modrý. Podobný efekt jako u zeměkoule pod mraky. Také vypadá bílá, když je na větší části zataženo. Mraky na Saturnu jsou v tom zakrývání důslednější, přesto tu a tam probleskuje modř atmosféry. Obzvláště na severní polokouli. Není zatím zcela jasné proč, ale na severní polokouli není dlouhodobě tak zataženo jako na jižní.

Slušelo by se pohovořit o prstencích a měsících, ale dnes se budeme věnovat vlastní planetě. Přesto nás jedna mimoplanetární struktura zaujme - rozsáhlé magnetické pole. Silokřivky zasahují do prstence i do oběžných drah měsíců a vydatně s nimi interagují. Nakonec mizí v atmosféře planety, aby v jejích nejsvrchnějších vrstvách vykouzlily ultrafialovou polární záři.

Přestaňme se věnovat okolí a začněme sestupovat k planetě. Zaletíme až k severnímu pólu a sledujeme soustředné pruhy v atmosféře. Kružnice tmavých pásů a světlých pásem se směrem ke středu zmenšují a poněkud ubírají na rychlosti. Ale nedostanou se až k pólu, jako by to bylo na jihu. Kruhová struktura va vzdálenosti asi 12000 km končí a náhle se mění v šestiúhelníkovou.

Šestiúhelník v okolí Saturnova severního pólu fotografovala již sonda Voyager 1 a dosud ji můžeme pozorovat. Jedná se tedy o stabilní útvar, v žádném případě však není statický. Přiblížíme se ještě více a rozeznáme bouřlivé děje. Jednotlivé strany jsou nitky atmosférického proudění. Na vnitřní straně jsou laminární, směrem ven se stáčejí do vírů, jak se šestiúhelník snaží přizpůsobit vnější kružnici.

Útvar je natolik výjimečný, že se na něm nevozí ani spiklenecké teorie a spokojily se s oficiálním vysvětlením, že to je zvláštní stojaté vlnění v atmosféře. Tato hypotéza má však vadu na kráse - přísun energie. Bez energie by se stojaté vlnění v odporujícím prostředí brzy unavilo. Předpokládalo se, že energii dodává bouře zuřící nedaleko. Při příštím snímkování bylo ale už po bouři a přesto šestiúhelník nevzrušeně existoval. Bylo třeba nalézt jiný mechanismus.

Vysvětlení přišlo asi před šesti lety z Oxfordu. Týmu Any Claudie Barbosa-Aguiar se podařilo děj nasimulovat v laboratoři. Stačil na to mělký sud o průměru asi 60 cm naplněný vodou a mechanismus zabezpečující diferenciální otáčení kapaliny. Směrem od středu k okraji se každé vodní vlákno otáčelo vyšší a vyšší úhlovou rychlostí. Když byl nárůst rychlosti dostatečný, začaly se ve vodě vytvářet mnohoúhelníkové obrazce. V podstatě bylo možné vytvořit libovolný pravidelný n-úhelník. Jako bonus tím vědci získali vysvětlení, proč u jižního pólu takový obrazec není. Atmosférické proudění tam je sice také prudké, ale chybí tu dostatečně velký rychlostní rozdíl mezi sousedními vlákny.

Klesejme dále do středu šestiúhelníku. Dávno jsme prošli nejsvrchnější vrstvu atmosféry světélkující polární září a dotýkáme se nažloutlých oblaků. Z blízka vidíme, že jsou tvořeny krystalky čpavku. Právě ony dodávají Saturnu již z dálky viditelný žlutavý odstín. Jinak je tu ale převážně vodík. Až podezřele mnoho vodíku, více než 95%, hélia méně než čtyři procenta. Že je tu méně hélia než na Slunci nás asi nepřekvapí, tam vzniká na úkor vodíku, ale ono je ho tu podstatně méně než je ve vesmíru běžné, tedy 3:1. Neudělá nám to čáru přes rozpočet v teoriích o vzniku soustavy ze zárodečné mlhoviny?

Celou cestu se potýkáme se silnými vzestupnými proudy, vynášejícími vzhůru tepelnou energii z jádra. Můžeme mluvit o štěstí, že nás napadlo zvolit si cestu podél rotační osy. Tady jsou proudy pouze výstupné. Čím blíže k rovníku, tím více podléhají v důsledku rychlé rotace planety (1x za 10 hodin) Coriolisově síle a unášejí vše po rovnoběžkách pryč rychlostí 1800 km/h. 
Coriolisova síla je zvláštní druh setrvačné síly působící na tělesa v rotující soustavě, která se pohybují radiálním směrem. Podrobněji viz článek S Newtonem na kolotoči.

Stále klesáme, pokusíme se změřit hloubku ponoření pohledem nahoru. Obloha je modrá, jen místy plují nažloutlá amoniaková oblaka. Udivující je, že je vodík stejně modrý jako vzduch na Zemi. Vždyť molekuly vodíku jsou o tolik menší než molekuly vzduchu nebo kyslíku. Jev má však racionální vysvětlení, jmenuje se Rayleighův rozptyl. Modrá barva oblohy není způsobená barvou samotného prvku, ale schopností rozptylovat krátkovlnné záření, tedy modrou barvu. Zatímco dlouhé vlny červené složky světla nemají problém atomy obtéct, modré fotony se od nich odrážejí do všech stran. Proto je obloha modrá na Zemi, Marsu i velkých planetách.

Jsme v hloubce sto kilometrů, atmosférický šestiúhelník se konečně rozplývá. Nemá již přesně svůj šestiúhelníkový tvar, ale stále rozeznáváme jeho patu. Atmosféra kolem nás houstne, tlak se zvyšuje, na oknech se srážejí drobné kapičky hélia. Tak vida, sem se ztratilo. Těžší hélium se propadá do větší hloubky. Roste i teplota. Mizející hélium má na tom také svůj podíl. Jak klesá a také ztrácí rychlost, odevzdává svou energii okolí. Není to však jediný zdroj energie planety. Planeta celá se pomalu (stačí milimetry za rok) smršťuje. Všechny tyto mechanismy způsobují, že Saturn vyzařuje do okolí 1,78 krát více energie, než dostává ze Slunce.

Urazili jsme prvních 500 kilometrů od chvíle, kdy jsme se ponořili do atmosféry. Jsme ještě v plynu nebo už je to kapalina? Nedá se spravedlivě rozsoudit. Teprve po dalších pár stech kilometrech můžeme zodpovědně prohlásit, že tohle už plyn není. Stále jsme na počátku pouti, ke středu planety jsme urazili asi procento dráhy a už je jasné, že tím plynná fáze končí. Proč tedy mluvíme o plynových planetách, když hmotnostně i objemově tu plyn hraje třetí housle? Je to jen setrvačnost lidského myšlení, pro které vodík a hélium zůstane navždy plynem, nezávisle na tom, v jaké fázi se nachází. Není to naposledy, co nám Saturn připraví podobnou lekci.

Cesta oceánem kapalného vodíku se stává poněkud nudnou. Čeká nás doslova dvacet tisíc mil pod mořem (cca 30000 km) směrem ke středu. Zde je již takový tlak, že dochází k dalšímu fázovému přechodu. Již jsme zažili změnu skupenství z plynného na kapalné. Očekáváte-li změnu na skupenství pevné, dočkáte se překvapení. Vodík tu má hustotu kolem pěti kilogramů na kubický centimetr. Za takových okolností se mění v degenerovaný plyn. Atomy jsou namačkány tak blízko k sobě, že jejich elektrony nemají šanci poznat, ke kterému jádru patří, tak se mezi nimi volně pohybují. Konfigurace jako stvořená pro snadný přenos elektrického proudu. Něco takového nalézáme především v kovech, proto se této fázi vodíku říká kovový vodík. Mechanicky se však chová spíše jako kapalina.

Stejně jako ve všech předchozích vrstvách, i tady jsou výstupné proudy, které se vlivem Coriolisovy síly stáčejí a vytvářejí proudy kolem osy. Ale je tu jeden rozdíl, právě ty volné nosiče náboje. Pohybující se náboj, to je vlastně elektrický proud. Elektrický proud tekoucí v souosých kružnicích, to je elektromagnet. Dostali jsme se do míst, kde se generuje magnetické pole planety. Tento mechanismus se nazývá tekutinové dynamo (nebo učeně, hydro elektrodynamické dynamo) a je vlastní všem tělesům, ve kterých mechanické toky transportují volné elektrické náboje. Je lhostejné, zda je to elektronový plyn kovového vodíku ve velkých planetách, nebo ionizovaná plazma zemského magmatu. Předpokládá se, že kdysi mohlo tekutinové dynamo fungovat i na tak malých tělesech, jako je třeba planetka Vesta, jejíž horniny dodnes drží stopy po dávné magnetizaci.

Okna kabiny se již prohýbají, jak bychom při tlaku 80 milionů atmosfér očekávali. Jsme pouhých 25000 km od středu Saturnu a právě jsme překročili hranici vnitřního jádra. Naše cesta zde končí. Odhaduje se, že vnitřní jádro je asi 22 krát hmotnější, než naše Země a je tvořeno silikáty. Další z projevů setrvačnosti lidského myšlení. Silikáty jsou sloučeniny křemíku s kyslíkem, které při teplotách okolo 12000°C, které tu panují, rozhodně nemohou držet pohromadě. Chce se tím říci, že zde najdeme prvky, ze kterých jsou silikáty tvořeny. A aby těch setrvačností nebylo málo, i touto větou jsme se jedné dopustili. Dělení hmoty na prvky je věcí chemie, kterou je třeba chápat jako fyziku elektronových orbitalů. Právě uspořádání elektronových orbitalů určuje chemické vlastnosti prvků. Jsou-li prvky plně ionizovány (a při takových teplotách jsou), získávají pojmy jako kyslík a křemík úplně jiný význam. Jsou to jen shluky většího či menšího počtu protonů a neutronů.

V šestém dílu sci-fi povídky Benzínka na Japetu, v romantické chvíli těsně před havárií padne vypravěči do oka Saturn ověnčený polární září. Polární záře k Saturnu patří, psali jsme o ní na začátku článku; poznáte, proč jsme přesto v povídce museli sáhnout po autorské licenci? 
 

Simulace vzniku hexagonální struktury v nádobě s vodou. Pro zvýraznění proudnic je do lázně vstřikováno fluorescenční barvivo.