Юпитер, пятая планета от Солнца и крупнейшая планета в нашей Солнечной системе, олицетворяет величие и загадочность газовых гигантов. Одним из наиболее фундаментальных аспектов, привлекающих внимание астрономов и ученых, является его атмосфера. Атмосфера Юпитера представляет собой уникальный мир, наполненный бурями, вихрями и атмосферными явлениями, которые на Земле мы можем только представить.
В этой статье мы исследуем уникальные особенности, атмосферные явления и физические процессы, которые определяют облик и динамику. Мы рассмотрим последние достижения в исследовании атмосферы Юпитера, а также рассмотрим вопросы, которые остаются без ответа и вызывают дальнейший интерес для ученых.
Общие сведения
Газовая оболочка, окружающая Юпитер, называется атмосферой. Это самая большая планетная атмосфера в Солнечной системе. Главными компонентами атмосферы Юпитера являются водород и гелий, но также присутствуют и другие элементы в небольших количествах, такие как метан, аммиак, сероводород и вода. Состав атмосферы подобен составу всей планеты в целом.
Атмосфера Юпитера не имеет четкой нижней границы и плавно переходит в жидкий водород, который составляет “океан” под атмосферой. Атмосферу Юпитера можно разделить на несколько слоев, начиная снизу: тропосфера, стратосфера, термосфера и экзосфера. Тропосфера, самый нижний слой, содержит сложную систему облаков и туманов, включая слои аммиака, гидросульфида аммония и воды. Верхние аммиачные облака, которые мы видим на “поверхности” Юпитера, организованы во множество параллельных полос вдоль экватора и ограничены мощными зональными ветрами, известными как “струи”. Полосы имеют различные цвета: более темные полосы называются “поясами”, а светлые – “зонами”. Зоны представляют собой области восходящих потоков, которые обладают более низкой температурой по сравнению с поясами, где преобладают нисходящие потоки.
Строение
Атмосфера Юпитера делится на четыре уровня: тропосфера, стратосфера, термосфера и экзосфера. В отличие от атмосферы Земли, атмосфера Юпитера не имеет мезосферы. На Юпитере нет твердой поверхности, и самый нижний уровень атмосферы – тропосфера – плавно переходит в водородный океан мантии. Четких границ между жидкостью и газом не наблюдается, потому что температура и давление на этом уровне много выше критических точек для водорода и гелия. Водород становится сверхкритической жидкостью при высоком давлении.
Так как нижняя граница атмосферы не известна точно, уровень давления на 90 км ниже считается основанием тропосферы. В научной литературе уровень давления в 1 бар обычно выбирается как нулевая точка для высот “поверхности” Юпитера. Как и на Земле, у верхнего уровня атмосферы – экзосферы – нет четко определенной границы. Плотность ее постепенно уменьшается, и экзосфера плавно переходит в межпланетное пространство приблизительно в 5000 км от “поверхности”.
Вертикальные вариации температур в юпитерианской атмосфере схожи с земными. Температура тропосферы уменьшается с высотой, пока не достигает минимума, называемого тропопаузой, которая представляет собой границу между тропосферой и стратосферой. На Юпитере тропопауза находится приблизительно на 50 км выше видимых облаков, где давление и температура близки к 0,1 бар и 110 К. В стратосфере температура повышается до приблизительно 200 К при переходе в термосферу и при высоте и давлении около 320 км и 1 мкбар. В термосфере температура продолжает повышаться, в конечном счете достигая 1000 К приблизительно на высоте в 1000 км и при давлении в 1 нанобар.
Для тропосферы Юпитера характерна сложная структура облаков. Верхние облака, расположенные на уровне давления, состоят из аммиачного льда. Предполагается, что существует более низкий слой облаков, состоящий из гидросульфида аммония (или сульфида аммония) и воды. Это точно не облака из метана, поскольку температура там слишком высока для его конденсации. Водяные облака формируют самый плотный слой облаков и оказывают сильное влияние на динамику атмосферы. Различные тропосферные и стратосферные слои тумана расположены выше основного слоя облаков. Последние состоят из конденсировавшихся тяжелых полициклических ароматических углеводородов или гидразина, которые образуются в стратосфере под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения на метан или аммиак. Обилие метана относительно молекулярного водорода в стратосфере, тогда как отношение других углеводородов, например этана и ацетилена, к молекулярному водороду, ниже.
Термосфера Юпитера расположена на уровне давления ниже 1 мкбар и ей свойственны такие явления, как свечение атмосферы, полярное сияние и рентгеновское излучение. В пределах этого уровня атмосферы увеличение плотности электронов и ионов формируют ионосферу. Причины преобладания в атмосфере высоких температур полностью не объяснены; текущие модели не предусматривают температуру выше 400 K. Это может быть следствием адсорбции высокоэнергетической солнечной радиации, нагреванием заряженных частиц от ускорения в магнитосфере Юпитера или рассеиванием вверх-распространяющихся гравитационных волн. В низких широтах наблюдаются полярные атмосферные явления, включая полярное сияние и полярные туманы. Возможно, что эти явления связаны с химическими реакциями и электромагнитными взаимодействиями в атмосфере Юпитера.
Это основные характеристики атмосферы Юпитера, которые известны на основе научных наблюдений и моделирования. Однако, исследования и открытия в области планетарных атмосфер продолжаются, и новые данные могут привести к более глубокому пониманию этой уникальной атмосферы.
Химический состав
Атмосфера Юпитера состоит главным образом из водорода и гелия. Исследования космическим аппаратом Галилео, запущенным в 1995 году, позволили получить наиболее подробную информацию о составе атмосферы этой планеты. Кроме того, данные от космической обсерватории ISO и других зондов также помогли расширить наши знания. Гелий в атмосфере Юпитера присутствует в небольшом количестве по сравнению с водородом. Это может быть связано с тем, что гелий более плотный и может скапливаться в ядре планеты. В атмосфере Юпитера также обнаружены другие соединения, включая воду, метан, сероводород, аммиак и фосфин. Она богаче углеродом, азотом, серой и, возможно, кислородом по сравнению с составом Солнечной системы. Количество благородных газов, таких как аргон, криптон и ксенон, на Юпитере превышает их количество на Солнце, но неона на Юпитере меньше. В верхних слоях атмосферы Юпитера присутствуют небольшие количества углеводородов, которые образуются под воздействием солнечной радиации и заряженных частиц.
Погода на Юпитере
Погода на Юпитере является довольно экстремальной и отличается от того, что мы привыкли видеть на Земле. Эта газовая гигантская планета характеризуется сильными ветрами, мощными бурями и разнообразными атмосферными явлениями.
Вихри
Атмосфера Юпитера содержит множество вращающихся структур, которые классифицируются на циклоны и антициклоны, подобно земным атмосферным явлениям. Циклоны вращаются в направлении вращения планеты (против часовой стрелки на северном полушарии и по часовой стрелке на южном полушарии), в то время как антициклоны вращаются в противоположном направлении. Но на Юпитере антициклоны преобладают над циклонами, особенно среди крупных вихрей с диаметром более 2000 км, где более 90% составляют антициклоны. Жизненный цикл вихрей варьирует от нескольких дней до столетий, в зависимости от их размеров. Например, антициклоны диаметром от 1000 до 6000 км обычно живут от 1 до 3 лет. Вихри никогда не наблюдаются на экваторе Юпитера (в пределах 10° широты), где они нестабильны. Антициклоны на Юпитере представляют собой центры высокого давления, в то время как циклоны — центры низкого давления.
Антициклоны на Юпитере всегда находятся в зонах, где скорость ветра увеличивается от экватора к полюсам. Они обычно имеют яркую белую окраску и проявляются в виде овальных структур. Они могут перемещаться вдоль долготы, но остаются на той же широте и не покидают свою зону. Скорость ветра на периферии антициклонов может достигать 100 м/с. Различные антициклоны, находящиеся в одной зоне, могут объединяться при приближении друг к другу. Однако на Юпитере существуют два особенных антициклона — Большое красное пятно и овал BA, который образовался в 2000 году. Они отличаются от обычных белых овалов своей красной окраской, возможно, из-за материала красноватого цвета, поднимающегося из глубин планеты. Образование антициклонов на Юпитере обычно происходит путем слияния более мелких структур, включая конвективные штормы, хотя большие овалы могут возникать и из нестабильных струй. Некоторые из них могут объединяться, чтобы создать единые структуры, как это было наблюдаемо с Овалом BA, образовавшимся в результате объединения нескольких белых овалов в 1938-1940 годах.
В отличие от антициклонов, циклоны на Юпитере представляют собой компактные темные структуры с неправильной формой. Некоторые из наиболее темных и наиболее правильных по форме циклонов называются коричневыми овалами. Кроме компактных циклонов, на Юпитере также можно наблюдать неправильной формы волокнистые структуры, которые также обладают циклоническим вращением. Один из таких структур находится к западу от Большого красного пятна в южном экваториальном поясе и называется циклоническим регионом (CR). Циклоны всегда образуются только в поясах и, как и антициклоны, могут объединяться при приближении друг к другу.
Глубинная структура вихрей на Юпитере до конца не изучена. Одна из гипотез предполагает, что они являются тонкими конвекционными структурами, но эта гипотеза не получила широкого признания среди планетологов. Считается, что крупные антициклоны не поднимаются выше нескольких десятков километров относительно видимой облачности.
Грозы
В атмосфере Юпитера также наблюдаются молнии. Снимки, полученные от космических аппаратов “Вояджер”, раскрыли удивительное явление на ночной стороне планеты – световые вспышки огромной протяженности, достигающие 1000 км и более. Эти явления, известные как сверхмолнии, обладают значительно большей энергией по сравнению с земными молниями. Однако было установлено, что количество молний на Юпитере намного меньше, чем на Земле. Интересно, что открытие гроз на Юпитере произошло лишь спустя 3 месяца после того, как они были обнаружены на Венере.
Грозы на Юпитере проявляются схожим образом с земными грозами. Они представляют собой яркие и массивные облака размером около 1000 км, которые время от времени появляются в циклонических районах поясов, особенно в области сильных западно-направленных струй. В отличие от вихрей, грозы на Юпитере являются кратковременным явлением, хотя самые мощные из них могут существовать несколько месяцев, в то время как средняя продолжительность их жизни составляет 3-4 дня. Предполагается, что они возникают в результате влажной конвекции в тропосфере Юпитера. Фактически, грозы представляют собой “конвекционные колонны” или “перья”, поднимающие влажные воздушные массы из глубин атмосферы все выше и выше, пока не достигнут области облаков.
Типичная высота грозовых облаков на Юпитере составляет около 100 км, простираясь до уровня давления примерно 5-7 бар, в то время как гипотетические водяные облака начинаются на уровне давления примерно 0,2-0,5 бар.
Циркуляция и пояса
В атмосфере Юпитера явно наблюдаются движения воздушных масс, и это можно объяснить двумя основными факторами.
Во-первых, быстрая вращательная скорость планеты вокруг своей оси, где один полный оборот занимает всего 10 часов, создает пояса циркуляции. Эти пояса циркуляции преимущественно параллельны экватору. По мере отдаления от экватора потоки воздуха меняют направление, смещаясь в сторону полюсов и замедляясь. Например, на экваторе они движутся со скоростью 140 м/с, но в средних широтах они замедляются, а у полюсов практически полностью утихают.
Во-вторых, зональное движение возникает из-за поднятия потоков воздуха от поверхности планеты, вызванного внутренним теплом. Эти потоки воздуха также способствуют зональной циркуляции.
Наблюдатели могут заметить зональную циркуляцию благодаря светлой окраске потоков, вызванной аммиаком, который замерзает в кристаллическую форму, а также по темным границам между облачными слоями.
Зональные и поясные потоки неизбежно сталкиваются и образуют мощные вихри в точках контакта. Воздух движется с постоянной скоростью и не меняет своего направления – он движется снизу вверх.
Одним из наиболее известных и интересных атмосферных явлений на Юпитере являются его пояса и зоны. Пояса – это темные полосы, а зоны – светлые полосы, которые простираются горизонтально вдоль экватора планеты. Эти полосы и зоны создаются различиями в скорости вращения планеты. В поясах ветры движутся в одном направлении, а в зонах – в противоположном. Эти ветры могут достигать очень высоких скоростей, превышающих 600 километров в час.
Большое красное пятно
В течение трех веков астрономы наблюдают удивительное явление – огромный ураган, размером превышающий Землю. В окраинных зонах Большого Красного Пятна происходят хаотические завихрения облаков, но ближе к его центру движение замедляется. Температура в этой области также ниже, чем в других частях. Ураган движется против часовой стрелки со скоростью 360 км/ч и совершает полный оборот вокруг планеты за 6 суток. За последнее столетие границы антициклона сократились в два раза.
Большое Красное Пятно было отмечено в 1665 году Дж. Кассини, но точное время его возникновения неизвестно, поэтому возраст этого урагана может быть больше, чем обычно предполагается.
История изучения
Древние астрономы использовали небольшие телескопы для наблюдения за изменениями в атмосфере Юпитера. Они описывали ее с помощью таких терминов, как пояса, зоны, коричневые и красные пятна, перья, баржи, фестоны и северные сияния, которые до сих пор используются. Позже были введены другие термины, такие как вихрения, вертикальное движение и облачная высотность.
Первые подробные наблюдения за атмосферой Юпитера в высоком разрешении были сделаны космическими аппаратами Пионер 10 и 11. Еще более подробные изображения получили с помощью аппарата Вояджер. Они позволили увидеть атмосферу Юпитера в разных частях спектра с высокой детализацией и создать видео движения атмосферы. Аппарат Галилео, спускаясь к поверхности планеты, предоставил информацию о температуре, ветрах, составе, облаках и радиации.
Сегодня астрономы основным источником информации об атмосфере Юпитера является телескоп Хаббл. Наблюдения показывают, что хотя иногда происходят большие изменения в атмосфере, в целом она остается стабильной. Вертикальное движение атмосферы Юпитера изучается с помощью следовых газов, обнаруженных с земли. Изучение коллизий кометы Шумейкера-Леви 9 с атмосферой Юпитера позволило раскрыть строение атмосферы ниже облачного слоя. В результате было обнаружено наличие двухатомного серы и дисульфида углерода на Юпитере, что было удивительным открытием.
Интересные факты
Юпитер – это небесное тело, которое вызывает интерес с древних времен, но его загадки до сих пор остаются нераскрытыми.
Эта планета получила свое имя в честь главного бога древнеримской мифологии, и это вполне оправдано, так как Юпитер обладает некоторыми уникальными характеристиками:
- Он в два раза тяжелее, чем все остальные планеты в нашей Солнечной системе вместе взятые.
- Вращается вокруг своей оси с поразительной скоростью, превосходящей другие небесные объекты.
- Обладает мощной магнитосферой, которая является одной из самых сильных среди всех планет.
- В его атмосфере возникают гигантские молнии, простирающиеся на протяжении до 1000 километров.
Научное сообщество долгое время спорит о возможности существования жизни на Юпитере. Многие ученые считают условия на этой планете благоприятными для возникновения сложных органических соединений. Однако отсутствие воды и плавающая магма на поверхности Юпитера лишают возможности появления знакомых нам форм жизни, изучаемых наукой.
Вывод
Дальнейшие исследования и миссии на Юпитер будут играть важную роль в расширении нашего понимания не только об этой планете, но и о развитии и эволюции газовых гигантов во Вселенной. Юпитер продолжает оставаться одним из наиболее захватывающих объектов для астрономов и ученых, и его атмосфера продолжит вносить вклад в наше общее знание о космосе и возможности существования жизни во Вселенной.
