НОА 2011, IV кръг, Младша възраст — Задача 2. Околоосно въртене на Юпитер
XIV Национална олимпиада по астрономия, IV кръг, практически тур, младша възраст · 16 т.
Внимание: Бележка към темата
Поредицата от снимки на Юпитер от 14 август 2009 г., върху която се правят измерванията в задача 2, не е част от архивните файлове – запазени са само пояснителните чертежи.
Условие
2 задача. Околоосно въртене на Юпитер. Разполагате с поредица от снимки на Юпитер, направени на 14 август 2009 г.

Упътване: За да определите ъгъла, на който се е завъртяло дадено облачно петно около оста на Юпитер, можете да използвате графичен метод. Разгледайте пояснителния чертеж. По аналогичен начин можете да определите и ширината на петното.
• Направете необходимите измервания върху облачните образувания в атмосферата на Юпитер, означени с A, B и C, за да определите периода на околосно въртене на всяко от тях. Определете също така и техните „юпитерографски” ширини.
• Постройте графика, показваща зависимостта на периода на въртене на облачните образувания от местоположението им по ширина.
• Определете периодите на движение около оста на Юпитер и за образуванията D и E, както и техните ширини. Нанесете данните за тях на същата графика.
При построяването на графиката вземете ширините само по абсолютни стойности, независимо от това, че някои от облачните петна са в северното, а други в южното полукълбо на Юпитер.
• Какво можете да кажете за посоката, в която се върти около собствената си ос атмосферният вихър, наречен Голямото червено петно?
Отговори
A: 10,19° N, T = 9,40 h; B: 19,12° N, T = 9,75 h; C: 43,60° N, T = 10,20 h; D: 16,14° S, T = 9,89 h; E: 26,16° S, T = 9,58 h. Голямото червено петно се върти обратно на часовниковата стрелка (антициклон).
Периодът нараства с ширината (диференциално въртене); D изостава, а E избързва спрямо общата зависимост.
• A: φ = 10,19° N, T = 9,40 h; B: φ = 19,12° N, T = 9,75 h; C: φ = 43,60° N, T = 10,20 h
Периодите са получени от ъгловото преместване на петната по паралела; ширините – по формулата .
• Периодът нараства монотонно с ширината – от ≈ 9,4 h при φ ≈ 10° до ≈ 10,2 h при φ ≈ 44°, т.е. Юпитер не се върти като твърдо тяло.
• D: φ = 16,14° S, T = 9,89 h; E: φ = 26,16° S, T = 9,58 h
И двете петна се отклоняват от общата зависимост: D изостава (по-дълъг период), а E избързва (по-къс период).
• Обратно на часовниковата стрелка – Голямото червено петно е антициклон (център на повишено налягане) в южното полукълбо на Юпитер.
Решение
Решение:
За всяко от петната измерваме разстоянието x от дясната граница на видимия диск на Юпитер, както е показано на схемата. Петното лежи на определен паралел от „повърхността” на Юпитер с радиус r. Този паралел се проектира върху видимия диск на Юпитер като хорда с дължина 2r. Измерваме и тази дължина. Начертаваме изглед „отгоре” на паралела – окръжност с радиус r , и по проекцията на облачното образувание възстановяваме истинското му положение върху паралела. С транспортир измерваме ъгъла . Без да правим тези построения, можем да пресметнем ъгъла и по формулата = arccos (r-x / r). По същия начин върху кръга нанасяме истинските положения на облачното петно и в други моменти от време. Така виждаме как се изменя ъгълът с времето. Нека в два момента от време и облачното образувание да е имало положения, съответстващи на ъгли и . Тогава периода T на въртене на това петно около оста на Юпитер намираме чрез следната пропорция:
Можем да вземем двете крайни положения на петното – в момента, когато то за първи път се появява на някое от изображенията, и в момента, когато се вижда за последен път. За още по-голяма точност е добре да определим периода по няколко различни положения на петното и да усредним получените стойности. Така процедираме и с другите посочени петна.
Ширината, на която се намира дадено петно, определяме като начертаем диаметър на едно от изображенията, съответстващ на екватора на Юпитер. После правим построенията, показани на фигурата вляво, и измерваме ъгъла – ширината на петното.

Този ъгъл можем да намерим и по формулата:
където d и D са съответно диаметърът на паралела с петното и диаметърът на екватора на Юпитер, измерени по изображението.
Накрая получаваме следните резултати:
| Петно | Хорда [mm] | Ширина [градуси] | Полукълбо | Скорост [°/24 h] | Период [h] |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 62,5 | 10,19 | N | 919 | 9,40 |
| B | 60 | 19,12 | N | 886,1 | 9,75 |
| C | 46 | 43,60 | N | 847,2 | 10,20 |
| D | 61 | 16,14 | S | 873,2 | 9,89 |
| E | 57 | 26,16 | S | 901,7 | 9,58 |
По тези резултати построяваме графика на зависимостта на периода на въртене на петната от тяхната ширина. На нея виждаме, че Юпитер не се върти като твърдо тяло. Облачните и газови маси в неговата атмосфера имат различни периоди на въртене, които плавно нарастват с увеличаване на ширината. Най-бързо се вътят зоните около екватора. Но петната D и E се отклоняват от общата тенденция на изменение на периода на околоосно въртене. Петното D има по-дълъг период от образуванията на същата ширина на Юпитер и сякаш изостава от тях, а петното Е, напротив, избързва. Забелязваме, че тези две петна са много близо до Голямото червено петно на Юпитер. То представлява огромен атмосферен вихър, който очевидно влияе на движенията на газовете и облаците около него. От отклоненията в скоростите на петната D и E правим заключението, че вихърът в Голямото червено петно се върти в посока обратна на часовниковата стрелка. Знаем, че Голямото червено петно е в южното полукълбо на Юпитер. Както е известно от земната метеорология, в южното полукълбо обратно на часовниковата стрелка се въртят вихрите около центровете на високо налягане, или антициклоните. Следователно Голямото червено петно на Юпитер е един огромен антициклон – център на повишено налягане. Също както и при земните антициклони, такива центрове на Юпитер съответстват на локално разясняване на времето. Така че Голямото червено петно е една пролука в облаците на Юпитер, през която можем да наблюдаваме по-дълбоки слоеве от неговата атмосфера.

Критерии за оценяване (16 т.):
За правилен теоретичен подход при определяне на позициите на петната по ъглова дължина върху диска на Юпитер – графичен или тригонометричен – 2 т.
За правилни измервания и определяния на периода на всяко от петната и верни числени резултати – общо 2.5 т.
За подобряване на точността на периодите чрез усредняване по повече от две позиции на всяко петно – 2.5 т.
За определяне на ширините на петната – 2.5 т.
За правилно построяване на графиката – 2 т.
За добро оформление на графиката с обозначаване на осите, величините и мерните единици – 1.5 т.
За разсъждения относно посоката на въртене на Голямото червено петно – 2 т.
За правилно определяне на посоката на въртене на този вихър – 1 т.
Оригинал в Архива: NOA4_2011_MLprak-prob.pdf · официални решения: NOA4_2011_MLprak-sol.pdf