Гигантские штормы бушуют на поверхности Юпитера. Из—за этих штормов невозможно разглядеть, что находится под ними, но новое моделирование, проведенное ученым из Калифорнийского университета, добавляет новую глубину нашему пониманию. Фото: Данные изображения: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS, обработка изображений Кевином М. Гиллом, © CC BY
Высокие облака образуют на поверхности Юпитера впечатляющие узоры. Как и земные облака, они содержат воду, но на Юпитере они гораздо плотнее и находятся гораздо глубже. Эти слои настолько толстые, что ни один космический аппарат не смог непосредственно наблюдать за тем, что находится под ними.
Теперь ученые сделали важный шаг к разгадке этой тайны. Новое исследование, проведенное учеными из Чикагского университета и Лаборатории реактивного движения, позволило создать самую подробную модель атмосферы Юпитера из когда-либо созданных. Работа позволяет глубже заглянуть внутрь планеты без необходимости физического погружения в ее сокрушительные глубины.
Один из ключевых выводов исследования помогает разрешить давние споры о составе Юпитера. По оценкам исследователей, в газовом гиганте содержится примерно в полтора раза больше кислорода, чем в Солнце. Этот результат помогает ученым лучше понять, как сформировался Юпитер и остальная Солнечная система.
«Это давняя дискуссия в планетологии», — сказал Джихен Ян, научный сотрудник UChicago и ведущий автор исследования. «Это свидетельство того, как новейшее поколение вычислительных моделей может изменить наше понимание других планет».
Исследование было опубликовано 8 января в журнале Planetary Science.
Штормы, облака и химические подсказки
Астрономы веками наблюдали за турбулентной атмосферой Юпитера. Более 360 лет назад первые наблюдения с помощью телескопа выявили массивную, устойчивую особенность на поверхности планеты.
Эта особенность теперь известна как Большое красное пятно — колоссальный шторм, примерно вдвое превышающий размеры Земли, который бушевал сотни лет. Это лишь часть общепланетной системы сильных ветров и густых облаков, которые почти постоянно окутывают Юпитер.
Хотя эти штормы видны издалека, то, что скрывается за ними, остается в значительной степени неизвестным. Облака на Юпитере настолько плотные, что космический аппарат НАСА «Галилео» потерял связь с Землей, когда в 2003 году вошел в атмосферу планеты. Сегодня миссия НАСА «Юнона» изучает Юпитер с орбиты, собирая данные с безопасного расстояния.
С орбиты ученые могут идентифицировать химические вещества в верхних слоях атмосферы, включая аммиак, метан, гидросульфид аммония, воду и монооксид углерода. Исследователи объединяют эти измерения с известными химическими реакциями, чтобы сделать вывод о том, что может происходить глубже под облаками.
Несмотря на это, предыдущие исследования привели к противоречивым выводам, особенно при оценке количества воды и кислорода, содержащихся в Юпитере. Янг признал, что новые методы моделирования могут помочь разрешить эти разногласия.
Новый способ моделирования атмосферы Юпитера
Атмосфера Юпитера представляет собой химический лабиринт. Молекулы перемещаются между знойными температурами в глубине планеты и более прохладными регионами над ней, переходя из одного состояния в другое и перестраиваясь в ходе тысяч реакций. Кроме того, облака и капли формируются, растворяются и взаимодействуют с окружающей средой.
Чтобы охватить всю эту сложность, Янг и его коллеги объединили химию атмосферы и гидродинамику в единой модели. Такой подход позволяет моделировать как химические реакции, так и движение газов, облаков и капель одновременно.
«Вам нужно и то, и другое», — сказал Янг. «Химия важна, но она не включает в себя поведение капель воды или облаков. Гидродинамика сама по себе слишком упрощает химию. Поэтому важно объединить их».
Этот комбинированный подход ранее не применялся на таком уровне детализации, и это привело к нескольким важным выводам.
Кислород, вода и происхождение планет
Модель дала новую оценку содержания кислорода в Юпитере, снова указав на то, что оно примерно в полтора раза превышает содержание кислорода на Солнце. Это контрастирует с недавним громким исследованием, которое показало, что на Юпитере может содержаться лишь примерно в три раза меньше кислорода.
Точное определение этого числа имеет значение, поскольку кислород играет важную роль в формировании планет. Элементы, из которых состоят планеты и живые существа, произошли от солнца, но их пропорции могут варьироваться от планеты к планете. Эти различия дают представление о том, как образовались планеты и откуда они взялись.
Остается открытым вопрос о том, сформировался ли Юпитер там, где он вращается в настоящее время, или же он мигрировал с течением времени. Большая часть кислорода на планете содержится в воде, которая ведет себя по-разному в зависимости от температуры. На удалении от Солнца вода замерзает, превращаясь в лед, который растущим планетам собирать легче, чем водяной пар.
Понимание этих условий не только объясняет прошлое Юпитера. Это также помогает ученым предсказать, какие планеты могут образоваться вокруг других звезд и какие из них потенциально могут поддерживать жизнь.
Более медленная и загадочная атмосфера
Модель также предполагает, что атмосфера Юпитера циркулирует гораздо медленнее, чем когда-то считали ученые. Вертикальное перемещение газов, по-видимому, значительно сокращается по сравнению со стандартными предположениями.
«Наша модель предполагает, что диффузия должна быть в 35-40 раз медленнее по сравнению со стандартными предположениями», — сказал Янг. Вместо того, чтобы проходить через атмосферный слой за несколько часов, одной молекуле может потребоваться несколько недель.
«Это действительно показывает, как много нам еще предстоит узнать о планетах, даже в нашей собственной солнечной системе», — сказал Янг.
Финансирование: НАСА, Калифорнийский технологический институт — Лаборатория реактивного движения.