Первые научные результаты миссии Juno, часть I: Атмосфера

25 мая 2017 года прошла телеконференция, посвященная первым научным результатам миссии Juno. В журналах Science и Geophysical Research Letters было опубликовано 46 статей, посвященных исследованиям Юпитера. Сегодня мы рассказываем о том, что нового удалось выяснить об атмосфере крупнейшей планеты Солнечной системы.

Владислава Ананьева

АМС Juno вышла на орбиту вокруг Юпитера 4 июля 2016 года. 27 августа 2016 года она пролетела на высоте 4200 км над верхушками его облаков, собрав множество научных данных. По результатам, полученным во время этого сближения, были опубликованы две статьи в журнале Science и 44 статьи в журнале Geophysical Research Letters.

Juno находится на полярной высокоэллиптической орбите с орбитальным периодом 53.5 земных суток и большую часть времени проводит вдали от Юпитера. Во время пролета она приближается к планете со стороны северного полюса, в течение примерно двух часов летит над Юпитером с севера на юг и начинает удаляться, пролетев над южным полюсом. Отправка полученных данных на Землю занимает обычно 1.5 дня.

: Вид Юпитера с АМС Juno во время сближения с Юпитером. Съемка JunoCam, цвета усилены. Первый снимок показывает Юпитер со стороны северного полюса. По мере приближения станции к Юпитеру северная околополярная область уходит «вверх», а «снизу» появляется полоса ярких турбулентных облаков, находящихся в средних широтах северного полушария. Пятый снимок показывает эти облака в середине кадра. Седьмой и восьмой снимки получены над экватором незадолго до прохождения перийовия, несмотря на то, что они сделаны с интервалом 4 минуты, изображения на них сильно различаются. На 9, 10 и 11 снимках доминирует яркая «южная тропическая зона». На 12 и 13 снимках видна цепочка белых овалов, называемая «нитка жемчуга», на 14 – южный полюс Юпитера.

Полноразмерное изображение

Что же удалось выяснить во время первого сближения с Юпитером?

Полюса Юпитера

В отличие от околополярных областей Сатурна, где доминируют мощные широтные атмосферные течения в форме сглаженных гексагонов, околополярные области Юпитера выглядят достаточно хаотическими. На расстоянии ~30° от обоих полюсов скорость зональных ветров падает, а рисунок регулярных атмосферных полос, свойственных низким широтам, сменяется отдельными яркими вихрями циклонического типа на темном фоне (более темном, чем экваториальные области Юпитера). Размеры околополярных циклонов составляют 50-1400 км на юге и 200-1000 км на севере, несколько циклонов расположены в непосредственной близости от полюса. В отличие от Сатурна, на Юпитере нет центрального полярного вихря с морфологией «глаз урагана». Пока не ясно, почему метеорология приполярных областей газовых гигантов Солнечной системы настолько различается.

: Сравнение атмосферных течений на северном и южном полюсах Юпитера. Оба снимка получены 27 августа 2016 года, левый с расстояния 73 тыс. км, правый с расстояния 95 тыс. км. Разрешение снимков около 50 км на пиксель.

Глубокая атмосфера

Большинство наших знаний о температуре и составе атмосферы Юпитера, о ветрах и рисунке облаков относятся к уровню давлений 0.5 бар и выше. Зонд «Галилео» измерил свойства атмосферы до глубины 22 бар, но только в одной точке. Напротив, микроволновый радиометр (MWR) измеряет тепловое излучение планеты в шести различных каналах в лучах с длиной волны от 1.4 до 50 см, что позволяет зондировать атмосферу до глубины в несколько сотен бар. Замеры яркостной температуры делаются каждые 0.1 сек. Абсолютное разрешение радиометра составляет 2°, относительное (разрешение в одном канале в зависимости от широты и угла эмиссии) – 0.1°.

: Яркостная температура области под аппаратом (в надире) в зависимости от широты. Черной линией показаны результаты замеров 27 августа 2016 года, зеленой линией – 11 декабря 2016 года. Слева отложена температура в Кельвинах, справа – глубина относительно верхушек аммиачных облаков в километрах. Каналы микроволнового радиометра принимают излучение с частотой 0.6, 1.2, 2.6, 5.2, 10 и 22 ГГц (от 1-го канала к 6-му), область давлений, откуда приходит излучение, указана у каждой линии. Белыми окружностями показано разрешение радиометра (оно выше на экваторе, поскольку в этот момент космический аппарат находится ближе всего к Юпитеру).

Как можно видеть, вариации яркостной температуры в зависимости от широты наблюдаются вплоть до глубин 300 бар, однако они заметны только в приэкваториальной полосе (± 20° от экватора). Сравнение данных, полученных во время пролетов 27 августа и 11 декабря 2016 года, показывает, что погода на Юпитере меняется лишь в верхнем слое атмосферы с давлением менее 9 бар, ниже изменения температуры и давления становятся еле заметными (менее 1%).

Изменение яркостной температуры на ~50К, хорошо заметное в приэкваториальной области Юпитера, вызвано изменением не физической температуры газа, а его непрозрачности. Как показывают авторы исследования, если бы это были вариации физической температуры, скорость ветров на экваторе Юпитера была бы на два порядка выше наблюдаемой.

Основным источником непрозрачности в микроволновом диапазоне в атмосфере Юпитера является аммиак, влияние воды и других примесей гораздо меньше. Исходя из величины непрозрачности, авторы исследования вычислили распределение аммиака в зависимости от широты и глубины.

: Содержание аммиака в зависимости от широты и глубины. Тонкая синяя полоса на уровне давления ~1 бар соответствует уровню, где аммиак конденсируется в облака, и его содержание в атмосферном газе падает ниже 100 ppmv (объемных миллионных долей). Высокий уровень содержания аммиака вблизи экватора вызван подъемом газа с глубины 100 бар и более.

Циркуляция атмосферы, приводящая к наблюдаемой концентрации аммиака, напоминает ячейку Хэдли (Hadley cell) без дождя. В районе экватора происходит поднятие газа с глубин свыше 100 бар, там, где объемная доля аммиака составляет 350 ± 20 ppmv. Ниже облаков «аммиачная влажность» несколько повышается благодаря испарению аммиачных льдинок, но глубже уровня 1.5-2 бар и до примерно 60 бар атмосфера вне экваториального восходящего потока остается сухой.

Горячие пятна

Инструмент JIRAM позволяет делать снимки и получать спектры Юпитера в ближнем инфракрасном диапазоне. JIRAM построил карту планеты в спектральной полосе M (в лучах с длиной волны 4.5-5.0 мкм). Карта была построена путем наложения примерно тысячи отдельных изображений разного разрешения, сделанных на протяжении суток, она охватывает область между 75° южной и 75° северной широты.

Яркие пятна на тепловой карте соответствуют сравнительно прозрачным участкам, где облака редеют и тепловое излучение недр Юпитера вырывается с глубины в несколько бар. Горячие пятна соответствуют нисходящим воздушным течениям и очень сухому воздуху. Множество горячих пятен наблюдается в области между 5° и 20° северной широты, в северной экваториальной зоне.

: Карта теплового излучения Юпитера в лучах с длиной волны 4.5-5.0 мкм, цилиндрическая проекция. Данные инструмента JIRAM.

Горячее пятно с координатами 7° северной широты, 130° долготы (на карте эта область обведена фиолетовым эллипсом) было изучено более подробно. Как оказалось, содержание водяного пара в середине пятна очень низкое (относительная влажность менее 3%). В центре пятна воздух опускается, по краям – поднимается. Сравнение содержания водяного пара в двух разных горячих пятнах показало, что оно сильно варьирует, но воздух в любом случае остается очень сухим (относительная влажность менее 10%).

Источники: https://www.nasa.gov/press-release/a-whole-new-jupiter-first-science-results-from-nasa-s-juno-mission
http://science.sciencemag.org/content/356/6340/821.full

<- назад в: Новости

Вход в систему

Введите имя пользователя и пароль для входа в систему:

Забыли пароль?

Межзвездная...

среда

Межзвездная среда образуется веществом и физическими полями, находящимися в объеме пространства, занимаемого нашей Галактикой... [далее]

Сайт разработан и поддерживается лабораторией 801 Института космических исследований Российской академии наук.
Подбор материалов - Н.Санько

Полное или частичное использование размещённых на сайте материалов
возможно только с обязательной ссылкой на сайт Секция Солнечная система Совета РАН по космосу.