Ученые только что завершили самое продолжительное в истории исследование атмосферы Юпитера. Основываясь на наземных наблюдениях и данных, собранных многими космическими миссиями НАСА, включая «Вояджер» и «Кассини», это 40-летнее исследование может помочь нам научиться прогнозировать погоду на Юпитере и других планетах Солнечной системы.
Юпитер — пятая планета от Солнца и самая большая планета Солнечной системы. Это газовый гигант, масса которого примерно в два с половиной раза превышает массу всех остальных планет Солнечной системы вместе взятых. Юпитер имеет плотную атмосферу, состоящую в основном из водорода и гелия, и имеет много отличительных особенностей, в том числе темные полосы, называемые «поясами», и яркие полосы, называемые «зонами». Самая известная особенность Юпитера — Большое Красное Пятно, гигантский шторм, который бушует уже сотни лет. Юпитер имеет более 80 известных спутников, четыре крупнейших из которых называются галилеевыми спутниками в честь их первооткрывателя Галилео Галилея. Этими спутниками являются Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. У Юпитера также есть несколько колец, хотя они намного тоньше, чем у Сатурна, и не заметны для обычных наблюдателей.
Ученые только что завершили самое продолжительное в истории исследование температуры в верхней тропосфере Юпитера. Тропосфера — это слой атмосферы, в котором происходят погодные явления на этой планете и где образуются характерные разноцветные полосы облаков. Исследование проводилось в течение четырех десятилетий, объединяя данные наблюдений космических аппаратов НАСА и наземных телескопов. Исследователи обнаружили неожиданные закономерности изменения температуры поясов и зон Юпитера с течением времени. По словам ученых, это исследование представляет собой важный шаг к лучшему пониманию того, что влияет на погоду на самой большой планете нашей Солнечной системы, и, в конечном итоге, к прогнозированию погоды.
Тропосфера Юпитера имеет много общего с тропосферой Земли: там образуются облака и бури. Чтобы понять эту погодную активность, ученым необходимо изучить определенные свойства, включая ветер, давление, влажность и температуру. Со времен миссий НАСА «Пионер-10» и «11» в 1970-х годах ученые знали, что обычно более низкие температуры связаны с более яркими и белыми полосами Юпитера (известными как зоны), в то время как более темные коричнево-красные полосы (известные как пояса) являются областями более высоких температур. Однако у них не было наборов наблюдений, которые могли бы дать представление о том, как температуры меняются в течение длительного периода времени.
Прорывом в этой области стало исследование, опубликованное 19 декабря в журнале Nature Astronomy. В нем ученые показывают изображения яркого инфракрасного свечения (невидимого человеческому глазу), которое появляется над более теплыми областями атмосферы, что позволяет измерять температуру Юпитера над разноцветными облаками. Ученые собрали эти изображения через равные промежутки времени по трем орбитам Юпитера вокруг Солнца, каждая из которых длится 12 земных лет.
В ходе своих исследований они обнаружили, что температура Юпитера повышается и понижается после определенных периодов, не связанных с сезонами или какими-либо другими известными циклами. Поскольку на Юпитере едва заметны времена года — наклон его оси составляет чуть более 3 градусов, что немного по сравнению с наклоном оси Земли в 23,5 градуса, — ученые не ожидали, что температура Юпитера будет изменяться в таких регулярных циклах.
Исследование также выявило загадочную связь между изменениями температуры на расстоянии тысяч километров друг от друга: когда температуры повышались на определенных широтах в северном полушарии, они падали на тех же широтах в южном полушарии — как зеркальное отражение экватора.
Удивительнее всего было обнаружить связь между изменениями температуры в очень отдаленных широтах. Это похоже на то, что мы наблюдаем на Земле, где погодные и климатические условия в одном регионе могут оказывать заметное влияние на погоду в другом месте, при этом модели изменчивости кажутся «связанными» на огромных расстояниях через атмосферу, — сказал Гленн Ортон, ученый из Лаборатории реактивного движения НАСА и ведущий автор исследования.
Еще одна проблема — выяснить, что вызывает эти циклические и, по-видимому, синхронизированные изменения.
Теперь мы решили одну часть головоломки, а именно то, что атмосфера демонстрирует эти естественные циклы. Чтобы понять, что движет этими паттернами и почему они возникают в этих конкретных временных масштабах, нам нужно изучить, что происходит как над, так и под слоями облаков, — сказал соавтор Ли Флетчер из Университета Лестера в Англии.
Изучая экваториальные регионы, исследователи обнаружили, что изменения температуры в верхних слоях стратосферы увеличиваются и уменьшаются в противоположном направлении по отношению к тому, как ведет себя температура в тропосфере, предполагая, что изменения в стратосфере влияют на изменения в тропосфере, и наоборот.
Ортон и его коллеги начали свои исследования в 1978 году. Они проводили наблюдения на трех больших телескопах по всему миру: Очень Большом Телескопе в Чили и Инфракрасном Телескопе НАСА, а также на Телескопе Субару в обсерватории Маунакеа на Гавайях. В течение первых двух десятилетий исследования Ортон и его товарищи по команде по очереди посещали эти обсерватории, собирая информацию о температуре облаков Юпитера. Лишь в начале 2000-х некоторые из этих наблюдений можно было проводить удаленно. Затем наступила самая сложная часть — объединение нескольких лет наблюдений с помощью нескольких телескопов и научных инструментов для поиска скрытых закономерностей. За это время к этим опытным ученым присоединились в своих долгосрочных исследованиях несколько стажеров, ни один из которых еще не родился в момент начала исследования.
Это научная работа может не только научить нас предсказывать погоду на Юпитере, но и продвинуть моделирование климата с помощью компьютерного моделирования температурных циклов и их влияния на погоду не только для Юпитера, но и для всех планет-гигантов в нашей Солнечной системе и за ее пределами.