Юпитер штормит изнутри

Похоже, учёным удалось окончательно разрешить давний спор об энергетическом источнике феноменальной атмосферной активности на крупнейшей планете Солнечной системы – Юпитере. Облака его настолько плотны, что наш взгляд не проникает под их слой больше чем на несколько километров и, что творится в недрах планеты, известно лишь теоретически. Результаты моделирования двух крупных облаков, сформировавшихся в юпитерианских «ревущих широтах», показывают: сильнейшие ветры дуют на Юпитере на такой глубине, куда солнечные лучи практически не проникают. А значит, энергию эти бури черпают во внутреннем тепле планеты-гиганта.

С конца марта прошлого года астрономы – профессионалы-планетологи и любители в равной степени – находились в состоянии радостного возбуждения. Юпитер предложил им неожиданный подарок – два сильнейших шторма в верхних слоях атмосферы, которые по удачному стечению обстоятельств удалось наблюдать в мельчайших подробностях их развития. В последнем номере Nature опубликована работа международной команды исследователей под руководством Агустина Санчеса-Лавеги из Университета Страны басков с результатами обработки этих наблюдений и подробного моделирования произошедшего.

Юпитер – наверное, самая привлекательная и одновременно наиболее трудно объяснимая планета для метеорологов и планетологов, специализирующихся в моделировании атмосфер. В его бешено вращающейся, разделённой на параллельные экватору ярко окрашенные полосы газовой оболочке видно столько деталей, что даже весьма активная земная атмосфера может показаться скучной. Полосы представляют собой зоны сильных ветров, дующих, как и на Земле, преимущественно с запада на восток, однако с гораздо большими скоростями. Скорости эти также меняются от одного широтного пояса к другому.

Поскольку твёрдой поверхности под этим облачным слоем не видно, да и не до конца понятно, имеется ли она там вообще, даже вопрос, каков период вращения Юпитера, не имеет однозначного ответа. Ответ зависит от широты, на которой этот период измеряется: на экваторе он составляет 9 часов 50 минут, к полюсам возрастает до 9 часов 56 минут. Близок к полярным суткам и «официальный» период обращения планеты, который определяется радиоастрономическими методами как период, за который один оборот делает магнитосфера планеты; скорее всего, это значение связано с периодом вращения жидкого слоя металлического водорода: будучи хорошим проводником электричества, именно он, по современным представлениям, генерирует магнитное поле планеты.

Типичные скорости ветра в атмосфере Юпитера составляют многие десятки метров в секунду. По земным меркам, это мощнейшие ураганы. Однако и на этом фоне выделяется пояс струйных течений, расположенный в районе 23 градусов северной широты.

Именно здесь развернулись основные события, которые позволили установить источник атмосферной активности Юпитера. В последний день февраля 2007 года мимо планеты-гиганта пронёсся космический аппарат New Horizons, совершавший основной гравитационный манёвр на пути к самой дальней планете Солнечной системы – Плутону. Во время маневра аппаратура зонда фотографировала Юпитер и его многочисленные луны. Примерно через месяц, в конце марта, подобные наблюдения провёл и космический телескоп имени Хаббла. Это были рутинные съёмки, необходимые, в частности, для калибровки аппаратуры New Horizons.

Взглянув на снимки, учёные заметили формирование двух мощнейших штормов, выглядевших как белые плюмы на фоне обычно тёмной полосы, обозначающей положение зоны струйных течений. Менее чем за 24 часа размер этих образований превысил 2 000 километров, а за последующие дни вырос ещё вдвое.

Санчес-Лавега особо отмечает помощь «целой батареи» телескопов астрономов-любителей, благодаря которой оказалось возможным наблюдать развитие шторма практические в реальном времени. Эта информация очень пригодилась для построения модели развития плюмов, и некоторые из любителей вошли в число соавторов статьи в Nature на полных правах.

Безусловно, не отставали и профессионалы. Конечно, телескопов у них гораздо меньше, однако их размеры и возможности оборудования, которыми они оснащены, с любительскими инструментами не сравнимы. Для наблюдений использовались, в частности, инструмент на Гавайях, работающий в инфракрасной области спектра, и телескопы, расположенные на обсерваториях Канарских островов. Изображения в инфракрасном диапазоне позволяют установить температуру различных участков поверхности облачного слоя Юпитера, а также разглядеть облака, находящиеся выше основного облачного слоя.

Моделирование показало, что появившиеся в зоне сверхсильных ветров плюмы сформировались глубоко под поверхностью облачного слоя. Их источником, судя по всему, являются богатые водой слои Юпитера, расположенные на глубине более 100 км. Именно частички водяного и аммиачного льда дали образованиям яркий белый цвет, благодаря которому их удалось заметить.

По мнению учёных, плюм – это гигантское облако, которое на 30 км возвышалось над верхней границей облачного слоя.

Чем-то оно напоминает наковальни грозовых облаков, формирующихся над Землёй. Однако если высота последних даже в тропиках редко превышает десяток километров, здесь полная высота составила не менее 120 километров.

Оба плюма кружили вокруг Юпитера до середины мая прошлого года, оставляя за собой в атмосфере едва заметные красноватые разводы. По мнению учёных, это также следы поднятого из недр планеты аммиака. К сожалению, выводы эти слегка умозрительны – провести полноценные спектроскопические наблюдения не удалось. В начале мая прошлого года облака начали постепенно таять, и к середине месяца о них напоминали лишь медленно растворявшиеся в атмосфере красноватые следы.

Модель облаков, построенная Санчесом-Лавегой и его коллегами, показывает, что эти образования впрыснули в пояс струйных течений огромное количество энергии и вещества. Вместе с тем, глобально поведение пояса практически не изменилось. Это позволяет оценить, насколько глубоко эти сверхбыстрые ветра простираются под облачный слой. Глубина пояса струйных течений должна быть не может быть меньше протяжённости облака, считают учёные, то есть больше 100 километров.

До сих пор существовало лишь одно свидетельство наличия сильных ветров так глубоко под поверхностью. Космический аппарат Galileo, закончив в 1995 году свою миссию по изучению системы Юпитера, был сброшен в атмосферу планеты. До глубины примерно в 100 км, откуда зонд ещё мог передать информацию наружу, он фиксировал столь же сильные ветра, как на поверхности. Тем не менее Galileo рухнул в аномально безоблачном регионе Юпитера, и газ здесь могло нагревать Солнце.

Там, где появились прошлогодние плюмы, на глубину в 100 км солнечные лучи заведомо не проникают, а значит, источником энергии для мощнейших ветров должно быть внутреннее тепло планеты.

Тем не менее, как конкретно генерируются такие сильные ветра, до сих пор непонятно. Другим удивительным фактам пока также нет объяснения. Дело в том, что подобные плюмы уже наблюдались дважды – в 1975 году, когда мимо Юпитера пролетал космический аппарат Pioneer 11, и в 1990 году. И во всех трёх случаях – в 1975, 1990 и 2007 годах – плюмы появлялись по двое и строго на сердцевине струйного течения, в области самых сильных ветров. Расстояние между облаками составляет несколько десятков тысяч километров (в последнем случае около 60 тысяч километров), так что напрямую они вряд ли могут быть связанными друг с другом.

Периодичность появления плюмов – 15–17 лет – также не совпадает ни с одним из заметных периодов в Солнечной системе. Впрочем, она может отражать периодичность каких-то внутренних процессов в атмосфере планеты, а они являются очень устойчивыми. Например, знаменитому Большому красному пятну – исполинскому вихрю в южном полушарии Юпитера – уже не менее 300 лет.

Совпадения ли всё это – пока неясно. Возможно, ещё через 15 лет мы найдём ответ на этот вопрос. Тем более что в 2015–2025 годах к Юпитеру может отправиться космический аппарат Laplace Европейского космического агентства. «Газета.Ru» будет следить за развитием событий.