Молнии на Юпитере обладают мощностью, более чем в сто раз превышающей показатели земных разрядов. Масштабные и интенсивные атмосферные вихри планеты-гиганта генерируют электрические явления колоссальной силы. Новые измерения способны пролить свет и на природу электрических аномалий, сопровождающих грозы на нашей планете.
Юпитер, самая массивная планета Солнечной системы, хорошо известна своими атмосферными образованиями, некоторые из которых существуют на протяжении столетий. Согласно новому исследованию, проведённому учёными из Калифорнийского университета в Беркли, часть этих штормов генерирует электрические разряды невероятной силы. Отдельные вспышки в сто раз мощнее типичных земных молний, а возможно, их энергия ещё выше.
Эти выводы основаны на анализе данных, полученных межпланетной станцией "Юнона" (Juno), которая с 2016 года как раз находится на орбите Юпитера. Аппарат сканирует атмосферу планеты с помощью микроволнового радиометра, особого прибора, способного регистрировать радиоизлучение от грозовых разрядов. Это излучение аналогично радиопомехам, которые создают земные молнии.
Изучение штормовой активности на других планетах помогает лучше понять механизмы формирования гроз на Земле, которые до сих пор не изучены до конца. Об этом заявляет ведущий автор исследования Майкл Вонг (Michael Wong), планетолог из Лаборатории космических наук Калифорнийского университета. Результаты его работы были опубликованы 20 марта в научном журнале AGU Advances.
"Мы ещё многого не знаем о земных молниях", - отмечает Вонг, подчёркивая, что за последнее десятилетие учёные открыли сразу несколько новых типов кратковременных световых явлений (Transient Luminous Events, TLE), связанных с грозовой активностью на Земле. Эти миллисекундные электрические разряды в тропосфере над крупными штормами включают в себя спрайты, джеты, гало и так называемые эльфы (ELVES). На Юпитере молнии служат индикатором конвекции, то есть процесса, посредством которого атмосферные массы перемешиваются и переносят тепло из глубоких слоёв наружу. "Конвекция на Земле и на Юпитере протекает по-разному, поскольку атмосфера Юпитера состоит преимущественно из легчайшего водорода. Из-за этого влажный газ оказывается тяжелее окружающей среды, и его труднее вытолкнуть наверх", - поясняет исследователь.
Атмосфера Земли состоит преимущественно из азота, молекулярная масса которого больше, чем у воды. Поэтому добавление влаги делает земной воздух менее плотным. На Юпитере ситуация обратная. Тяжёлый влажный газ в водородной среде требует значительно больше энергии для восхождения штормового облака. Однако, когда этот объём всё же достигает верхних слоёв атмосферы, он высвобождает колоссальное количество накопленной энергии, что приводит к ураганным ветрам и интенсивным разрядам молний между облаками.
По словам Вонга, почти каждый космический аппарат, пролетавший мимо Юпитера, фиксировал вспышки молний, в первую очередь потому, что они отчётливо выделяются на ночной стороне планеты. Опираясь на данные предыдущих миссий, технические возможности которых позволяли регистрировать лишь самые мощные вспышки на тёмной стороне, учёные пришли к выводу, что юпитерианские молнии безоговорочно превосходят земные по мощности. Эта гипотеза доминировала до тех пор, пока высокочувствительная звёздная камера на борту "Юноны" не поставила её под сомнение, зафиксировав множество более слабых разрядов, сопоставимых с земными. Проблема оптических наблюдений ночной стороны заключается в том, что плотные слои облаков блокируют свет от вспышек, из-за чего их истинную оптическую мощность сложно определить достоверно.
Главный научный инструмент "Юноны" микроволновый радиометр предоставил исследователям более точный метод измерения мощности молний, на который не влияет плотная облачность юпитерианской атмосферы. И хотя изначально этот прибор не был предназначен для изучения электрических разрядов, его направленные вниз антенны улавливают микроволновое излучение от близлежащих штормов.
Сложность заключается в том, что штормы на Юпитере часто происходят одновременно в пределах обширных поясов, опоясывающих планету. Это затрудняет идентификацию конкретного вихря, сгенерировавшего разряд. Без точной локализации источника невозможно определить мощность молнии, опираясь исключительно на микроволновые данные. Вонг сравнивает эту ситуацию с прослушиванием хлопков во время празднования китайского Нового года: невозможно понять, лопается ли попкорн в метре от вас, или же это взрываются петарды в соседнем квартале.
Скрытые суперштормы
К счастью, в 2021 и 2022 годах в Северном экваториальном поясе Юпитера наступило затишье. Это позволило Вонгу сфокусироваться на одном крупном шторме, точно определив его координаты с помощью космического телескопа "Хаббл", камеры "Юноны" и снимков астрономов-любителей. Исследователь назвал подобные явления скрытыми суперштормами. Как и истинные суперштормы, они сохраняли свою активность на протяжении месяцев и глобально изменяли структуру окружающих облаков. Однако вершины их облачных башен достигали лишь скромных высот, характерных для небольших атмосферных вихрей.
В этот период станция "Юнона" совершила 12 пролётов над изолированными штормами, и в четырёх случаях оказалась достаточно близко, чтобы зафиксировать микроволновые радиопомехи от молний. Частота вспышек составляла в среднем три разряда в секунду, за один пролёт аппарат зарегистрировал 206 импульсов. Проанализировав 613 импульсов, Вонг подсчитал, что их мощность варьировалась от эквивалента земной молнии до значений, в 100 и более раз её превосходящих. Учёный делает оговорку, поскольку сравнивалось радиоизлучение земных молний на одной длине волны с излучением юпитерианских на другой, в расчётах присутствует определённая доля погрешности. Опираясь на данные одного из исследований радиоизлучения земных гроз, можно допустить, что разряды на Юпитере в миллион раз превосходили земные аналоги.
Перевод микроволновой мощности электрического разряда в общую выделяемую энергию является задачей нетривиальной, подчёркивает соавтор исследования Ивана Колмашова (Ivana Kolmašová), физик из Карлова университета в Праге и член Академии наук Чехии. Молния генерирует не только радиоволны и видимый свет, но также выделяет тепловую, акустическую и химическую энергию. Оценивается, что на Земле одиночный разряд высвобождает около 1 гигаджоуля (миллиарда джоулей) суммарной энергии, этого достаточно, чтобы обеспечивать электричеством 200 домохозяйств в течение часа. По расчётам Вонга, энергия юпитерианской молнии превосходит земную в 500, а возможно, и в 10000 раз.
Механизм генерации разрядов, по-видимому, схож с земным. Поднимающийся водяной пар конденсируется в капли жидкости и кристаллы льда, которые приобретают электрический заряд, создавая колоссальную разность потенциалов между облаками. Именно поэтому земные грозы часто сопровождаются градом. На Юпитере водяной пар также питает восхождение штормовых облаков в верхние слои атмосферы, однако там заряженные ледяные кристаллы состоят из смеси воды и аммиака. Согласно одной из гипотез, вода и аммиак образуют сферические структуры, выпадающие в виде полужидкого града.
Хотя более мощные молнии неизбежно подразумевают более высокие напряжения, фундаментальные детали их генерации на Юпитере в сравнении с Землёй остаются предметом дискуссий.
"Именно здесь начинаются захватывающие научные подробности, - рассуждает Вонг. - Кроется ли ключевое различие в химическом составе водородной и азотной атмосфер? Или дело в том, что штормы на Юпитере значительно выше, а значит, в процесс вовлечены бОльшие расстояния?".
Вертикальная протяжённость грозовых образований на Юпитере превышает 100 километров, тогда как на Земле этот показатель составляет около 10 километров.
"А возможно, выделяется бОльшая энергия, потому что при влажной конвекции на Юпитере требуется более масштабное накопление тепла для формирования шторма, способного генерировать молнии? - резюмирует Вонг. - Это активная область современных исследований".