Космический зонд Юнона раскрывает секреты атмосферы Юпитера

Новые данные, полученные с помощью зонда НАСА «Юнона», вращающегося вокруг Юпитера, дают более полную картину того, как атмосферные особенности планеты дают подсказки о невидимых процессах под ее облаками. Результаты подчеркивают внутреннюю работу поясов и зон облаков, окружающих Юпитер, а также его полярные циклоны и даже Большое Красное Пятно.

Исследователи опубликовали несколько статей об атмосферных открытиях Юноны в журналах Science и Journal of Geophysical Research: Planets. Дополнительные статьи появились в двух последних выпусках Geophysical Research Letters.

«Эти новые наблюдения с «Юноны» открывают кладезь новой информации о загадочных наблюдаемых объектах Юпитера», — сказала Лори Глейз, директор отдела планетологии НАСА в штаб-квартире агентства. «Каждый документ проливает свет на различные аспекты атмосферных процессов на планете — замечательный пример того, как наши разноплановые научные группы укрепляют понимание солнечной системы».

Юнона вышла на орбиту Юпитера в 2016 году. Во время каждого из 37 пролетов космического аппарата над планетой специализированный набор инструментов заглядывал под завесу турбулентных облаков.

«Ранее Юнона удивляла нас намёками на то, что явления в атмосфере Юпитера пошли глубже, чем ожидалось, — сказал Скотт Болтон, главный исследователь «Юноны» из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио и ведущий автор статьи журнала Science о глубине вихрей Юпитера. «Теперь мы начинаем собирать все эти отдельные части вместе и впервые по-настоящему понимаем, как работает красивая и суровая атмосфера Юпитера — в 3D».

Микроволновый радиометр Juno (MWR) позволяет ученым миссии заглядывать под вершины облаков Юпитера и исследовать структуру его многочисленных вихревых бурь. Самым известным из этих штормов является циклон, известный как Большое красное пятно. Этот красный вихрь, больший по размеру чем Земля, заинтриговал ученых с момента его открытия почти два столетия назад.

Новые результаты показывают, что циклоны более теплые наверху, с более низкой атмосферной плотностью, в то время как внизу они холоднее и с более высокой плотностью. Антициклоны, вращающиеся в противоположном направлении, холоднее вверху, но теплее внизу.

Результаты также указывают на то, что эти штормы намного выше, чем ожидалось: одни простираются на 100 километров ниже вершины облаков, а другие, включая Большое красное пятно, на 350 километров. Это неожиданное открытие демонстрирует, что вихри покрывают области за пределами тех, где конденсируется вода и образуются облака, ниже глубины, где солнечный свет согревает атмосферу.

Высота и размер Большого Красного Пятна означает, что концентрация атмосферной массы в шторме потенциально может быть обнаружена приборами, изучающими гравитационное поле Юпитера. Два близких пролета Juno над самым известным местом Юпитера предоставили возможность найти гравитационную сигнатуру шторма и дополнить результаты MWR по его глубине.

Когда Юнона двигалась низко над облачной атмосферой Юпитера со скоростью около 209 000 км в час, ученые смогли измерить изменения ее скорости до 0,01 миллиметра в секунду с помощью антенны слежения NASA Deep Space Network с расстояния более 650 миллионов километров. Это позволило ограничить глубину Большого Красного Пятна примерно до 500 километров ниже вершины облаков.

«Точность, необходимая для определения силы тяжести Большого Красного Пятна во время пролета в июле 2019 года, ошеломляет», — сказала Марция Паризи, ученый Juno из Лаборатории реактивного движения НАСА. «Возможность дополнить открытие MWR о глубине дает нам большую уверенность в том, что будущие гравитационные эксперименты на Юпитере дадут столь же интригующие результаты».

Поясы и Зоны

Помимо циклонов и антициклонов, Юпитер известен своими отличительными поясами и зонами — белыми и красноватыми полосами облаков, которые опоясывают планету. Сильные ветры с востока на запад, движущиеся в противоположных направлениях, разделяют полосы. Юнона ранее обнаружила, что эти ветры или реактивные течения достигают глубины примерно 3200 километров. Исследователи до сих пор пытаются разгадать загадку того, как образуются реактивные течения. Данные, собранные MWR Juno во время нескольких пролетов, раскрывают одну возможную подсказку: газообразный аммиак в атмосфере перемещается вверх и вниз в удивительной согласованности с наблюдаемыми струйными потоками.

«Следуя за аммиаком, мы обнаружили циркулирующие ячейки как в северном, так и в южном полушариях, которые по своей природе похожи на «Ячейки Ферреля», которые контролируют большую часть нашего климата здесь, на Земле», — сказала Керен Дуер, ведущий автор статьи в журнале Science. «В то время как у Земли одна ячейка Ферреля на полушарие, у Юпитера их восемь — каждая как минимум в 30 раз больше».

Данные MWR Juno также показывают, что пояса и зоны расположены на 65 километров ниже водяных облаков Юпитера. На небольшой глубине пояса Юпитера в микроволновом свете ярче, чем соседние зоны. Но на более глубоких уровнях, под водными облаками, все наоборот, что обнаруживает сходство с нашими океанами.

«Мы называем этот уровень «Jovicline» по аналогии с переходным слоем, наблюдаемым в океанах Земли, известным как термоклин, где морская вода резко переходит от относительной теплой к относительной холодной», — говорят ученые.

Полярные циклоны

Юнона ранее обнаружила многоугольное расположение гигантских циклонических штормов на обоих полюсах Юпитера — восемь восьмиугольных на севере и пять пятиугольных на юге. Теперь, пять лет спустя, ученые миссии, используя наблюдения космического аппарата Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM), определили, что эти атмосферные явления чрезвычайно устойчивы и остаются в том же месте.

«Циклоны Юпитера влияют на движение друг друга, заставляя их колебаться около положения равновесия», — говорят исследователи. «Поведение этих медленных колебаний предполагает, что они имеют глубокие корни».

Данные JIRAM также указывают на то, что, подобно ураганам на Земле, эти циклоны хотят двигаться к полюсу, но циклоны, расположенные в центре каждого полюса, отталкивают их назад. Этот баланс объясняет, где находятся циклоны, и разное их количество на каждом полюсе.