Представьте себе кашеобразную массу, состоящую из аммиака и воды, заключенную в твердую оболочку из водяного льда. А теперь представьте себе эти покрытые коркой льда шарики слякоти, получившие название "мушболы", которые падают дождем, как градины во время грозы, и освещаются яркими вспышками молний.
Планетологи из Калифорнийского университета в Беркли теперь утверждают, что на Юпитере действительно бывают снежные грады, сопровождаемые сильными молниями. На самом деле, сильные градины могут выпадать на всех газовых планетах галактики, включая другие планеты-гиганты нашей Солнечной системы - Сатурн, Уран и Нептун.
Идея создания мушболов была первоначально выдвинута в 2020 году для объяснения неравномерностей в распределении газообразного аммиака в верхних слоях атмосферы Юпитера, которые были обнаружены как миссией НАСА "Юнона", так и радиотелескопами на Земле.
В то время аспирант Калифорнийского университета в Беркли Крис Мокель (Chris Moeckel) и его советник, почетный профессор астрономии и наук о Земле и планетах Имке де Патер (Imke de Pater), считали, что теория слишком сложна, чтобы быть реальной, и требует очень специфических атмосферных условий.
"Мы с Имке оба подумали: "Не может быть, чтобы это было правдой", - сказал Мокель, который в прошлом году получил степень доктора философии в Калифорнийском университете в Беркли и сейчас является научным сотрудником Лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли. "Чтобы это объяснить, нужно сопоставить так много фактов, это кажется таким экзотичным. Я потратил три года, пытаясь доказать, что это не так. И я не смог доказать, что это не так".
Подтверждение, опубликованное 28 марта в журнале Science Advances, появилось вместе с первой 3D-визуализацией верхних слоев атмосферы Юпитера, которую Мокель и де Патер недавно создали и описали в статье, которая сейчас проходит экспертную оценку и размещена на сервере препринтов arXiv.
Трехмерное изображение тропосферы Юпитера показывает, что большинство погодных систем на Юпитере расположены неглубоко и находятся всего на 10-20 километров ниже видимого слоя облаков или "поверхности" планеты, радиус которой составляет 70 000 км. Большинство красочных закрученных узоров в полосах, опоясывающих планету, неглубокие.
Однако некоторые погодные условия проявляются гораздо глубже в тропосфере, перераспределяя аммиак и воду и, по существу, разрушая то, что долгое время считалось однородной атмосферой. За это отвечают три типа погодных явлений: ураганоподобные вихри, горячие точки в сочетании с богатыми аммиаком шлейфами, которые окутывают планету волнообразной структурой, и крупные штормы, которые порождают снежные комья и молнии.
"Каждый раз, когда вы смотрите на Юпитер, вы видите в основном только уровень поверхности", - сказал Мокель. "Он неглубокий, но некоторые явления — вихри и сильные штормы — могут прорваться".
"Юнона действительно показывает, что запасы аммиака истощены на всех широтах вплоть до 150 километров, что действительно странно", - сказал де Патер, который 10 лет назад обнаружил, что запасы аммиака истощены примерно до 50 километров. "Это то, что Крис пытается объяснить тем, что его штормовые системы проникают гораздо глубже, чем мы ожидали".
Вывод о составе планеты на основе наблюдений за облаками
Газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, и ледяные гиганты, такие как Нептун и Уран, находятся в центре внимания современных космических миссий и крупных телескопов, включая космический телескоп Джеймса Уэбба, отчасти потому, что они могут помочь нам понять историю формирования нашей Солнечной системы и провести наземные наблюдения удаленных экзопланет, многие из которых являются крупными и газообразный.
Поскольку астрономы могут видеть только верхние слои атмосферы далеких экзопланет, знание того, как интерпретировать химические признаки в этих наблюдениях, может помочь ученым определить детали внутренней структуры экзопланет, даже для планет, похожих на Землю.
"Мы, по сути, показываем, что верхние слои атмосферы на самом деле довольно плохо отражают то, что находится внутри планеты", - сказал Моккель.
Это связано с тем, что штормы, подобные тем, которые создают воздушные массы, не перемешивают атмосферу, так что химический состав верхних слоев облаков не обязательно отражает состав более глубоких слоев атмосферы. Юпитер вряд ли уникален.
"Вы можете просто распространить это на Уран, Нептун — конечно, и на экзопланеты тоже", - сказал де Патер.
Атмосфера Юпитера радикально отличается от земной. В основном она состоит из водорода и газообразного гелия с незначительным количеством таких газовых молекул, как аммиак и вода, которые тяжелее основной массы атмосферы. Атмосфера Земли состоит в основном из азота и кислорода. На Юпитере также случаются бури, подобные Большому Красному пятну, которые длятся столетиями.
И хотя газообразный аммиак и водяной пар поднимаются, замерзают в виде капель, как снег, и постоянно выпадают дождем, твердой поверхности, на которую можно было бы упасть, нет. В какой момент капли дождя перестают падать?
"На Земле у вас есть поверхность, и дождь рано или поздно попадет на эту поверхность", - сказал Мокель. "Вопрос в том, что произойдет, если убрать поверхность? Как далеко капли дождя попадают на планету? Это то, что мы наблюдаем на планетах-гигантах".
Этот вопрос десятилетиями вызывал интерес у ученых-планетологов, поскольку считается, что такие процессы, как дожди и штормы, являются основными вертикальными смесителями атмосфер планет. На протяжении десятилетий простое предположение о хорошо перемешанной атмосфере служило основой для выводов о внутреннем составе газовых гигантов, таких как Юпитер.
Наблюдения с помощью радиотелескопов, большая часть которых была проведена де Патером и его коллегами, показывают, что это простое предположение неверно.
"Турбулентные вершины облаков наводят на мысль, что атмосфера хорошо перемешана", - сказал Мокель, проводя аналогию с кипящей водой в котле. "Если вы посмотрите на верхнюю часть, то увидите, что она кипит, и можно предположить, что кипит вся кастрюля. Но эти результаты показывают, что, хотя верхняя часть и выглядит так, будто она кипит, под ней находится слой, который на самом деле очень устойчивый и вялый".
Микрофизика фрикаделек
По словам Мокеля, на Юпитере большая часть водяных дождей и аммиачного снега, по-видимому, циркулирует высоко в холодной атмосфере и испаряется при падении. Тем не менее, еще до прибытия "Юноны" к Юпитеру де Патер и ее коллеги сообщали о недостатке аммиака в верхних слоях атмосферы. Однако они смогли объяснить эти наблюдения с помощью динамического и стандартного моделирования погоды, которое предсказало выпадение аммиака во время гроз вплоть до слоя воды, где водяной пар конденсируется в жидкость.
Но радионаблюдения, проведенные "Юноной", выявили области слабого перемешивания на гораздо больших глубинах, вплоть до примерно 150 км, во многих областях наблюдается загадочное отсутствие аммиака, и нет известного механизма, который мог бы объяснить эти наблюдения. Это привело к предположениям, что вода и аммиачный лед должны образовывать градины, которые выпадают из атмосферы и удаляют аммиак. Но оставалось загадкой, как могли образоваться градины, которые были достаточно тяжелыми, чтобы падать на сотни километров в атмосферу.
Чтобы объяснить, почему аммиак отсутствует в некоторых частях атмосферы Юпитера, планетолог Тристан Гийо (Tristan Guillot) предложил теорию, связанную с сильными штормами и слякотными градинами, называемыми комочками льда. Согласно этой идее, сильные восходящие потоки воздуха во время штормов могут поднимать крошечные частицы льда высоко над облаками — более чем на 60 километров.
На таких высотах лед смешивается с парами аммиака, который действует как антифриз и превращает лед в вязкую жидкость. По мере того, как частицы продолжают подниматься и опускаться, они становятся все крупнее — как градины на Земле, — и в конечном итоге превращаются в кашеобразные шарики размером с мяч для софтбола.
Эти воздушные шарики могут задерживать большое количество воды и аммиака в соотношении 3 к 1. Из—за своего размера и веса они падают глубоко в атмосферу — значительно ниже того места, где начался шторм, - унося с собой аммиак. Это помогает объяснить, почему аммиак, по-видимому, отсутствует в верхних слоях атмосферы: он опускается вниз и скрывается глубоко внутри планеты, где оставляет слабые следы, которые можно наблюдать с помощью радиотелескопов.
Однако этот процесс зависит от ряда конкретных условий. Во время шторма должны быть очень сильные восходящие потоки, около 100 метров в секунду, а частицы слякоти должны быстро смешиваться с аммиаком и становиться достаточно крупными, чтобы пережить падение.
"По сути, путешествие шарика начинается примерно в 50-60 километрах под слоем облаков в виде капель воды. Капли воды быстро поднимаются к верхней части облачного покрова, где они замерзают, а затем падают на глубину более ста километров вглубь планеты, где начинают испаряться и осаждать материал", - сказал Моккель.
"И таким образом, у вас, по сути, есть эта странная система, которая запускается далеко под слоем облаков, поднимается до самых верхних слоев атмосферы, а затем погружается глубоко в землю".
Уникальные сигнатуры в радиоданных "Юноны" для одного грозового облака убедили его и его коллег в том, что это действительно так.
"Под облаком было небольшое пятнышко, которое выглядело либо как охлаждение, то есть таяние льда, либо как увеличение содержания аммиака, то есть таяние и выделение аммиака", - сказал Мокель. "В конечном итоге меня убедил тот факт, что любое из этих объяснений возможно только при использовании шариков".
По словам соавтора статьи Хуажи Ге, эксперта по динамике облаков на планетах-гигантах и научного сотрудника Калифорнийского технологического института в Пасадене, радиосигнал не мог быть вызван каплями дождя или аммиачным снегом.
"Статья Science Advances с помощью наблюдений показывает, что этот процесс, по-видимому, верен, несмотря на мое желание найти более простой ответ", - сказал Моккель.
Скоординированные наблюдения за Юпитером
Ученые всего мира регулярно наблюдают Юпитер с помощью наземных телескопов, приурочив их к наиболее близкому сближению Юноны с планетой каждые шесть недель. В феврале 2017 г. и апреле 2019 г. — периоды, охватываемые двумя статьями, — исследователи использовали данные космического телескопа Хаббла (HST) и телескопа Very Large Array (VLA) в Нью-Мексико, чтобы дополнить наблюдения Juno в попытке создать трехмерную картину тропосферы.
Телескоп HST в видимом диапазоне длин волн позволял измерять отраженный от облаков свет, в то время как радиотелескоп VLA проводил исследования на десятки километров ниже облаков, чтобы обеспечить глобальный обзор. Микроволновый радиометр Juno исследовал глубокие слои атмосферы Юпитера в ограниченной области атмосферы.
"По сути, я разработал метод томографии, который использует данные радионаблюдений и превращает их в трехмерное изображение той части атмосферы, которую видит "Юнона", - сказал Мокель.
Трехмерное изображение этого участка Юпитера подтвердило, что большая часть погодных явлений происходит в верхних 10 километрах.
"Слой конденсации воды играет решающую роль в управлении динамикой и погодой на Юпитере", - сказал Моккель. - Только самые сильные штормы и волны могут прорваться сквозь этот слой.
Мокель отметил, что его анализ атмосферы Юпитера был отложен из-за отсутствия общедоступных откалиброванных данных, полученных в ходе миссии "Юнона". Учитывая текущий объем опубликованных данных, он был вынужден самостоятельно реконструировать методы обработки данных командой миссии — инструменты, данные и обсуждения, которые, если бы они были предоставлены ранее, могли бы значительно ускорить независимые исследования и расширить участие ученых. С тех пор он сделал эти ресурсы общедоступными для поддержки будущих исследований.
