Когда мы думаем о грозах, перед глазами встают темные тучи, вспышки молний и раскаты грома на Земле. Но Земля — не единственное место в Солнечной системе, где бушуют бури. На Сатурне, в его водородно-гелиевой атмосфере, происходят электрические разряды, по сравнению с которыми земные молнии — просто крошечные искры.
Эти гигантские разряды в тысячи раз мощнее земных. Они длятся дольше, бьют на большие расстояния и связаны с одними из самых разрушительных штормов, когда-либо наблюдавшихся в Солнечной системе. Их открытие стало одной из главных сенсаций миссии «Кассини».
1. Как обнаружили молнии на Сатурне
Впервые о существовании молний на Сатурне заговорили в 1980-1981 годах, когда мимо планеты пролетели «Вояджеры». Их радиоприемники зафиксировали странные короткие всплески в радио-диапазоне — так называемые «электростатические разряды Сатурна». Они напоминали помехи от грозы на Земле, но были гораздо мощнее и имели другой спектр.
Ученые предположили, что эти сигналы генерируются молниями в атмосфере Сатурна, но прямых визуальных подтверждений не было — камеры «Вояджеров» не смогли заснять сами вспышки.
Настоящий прорыв случился с прилетом «Кассини» в 2004 году. Этот аппарат нес не только радиоприемник, но и камеру, способную разглядеть молнии на расстоянии более миллиарда километров. В 2009-2010 годах «Кассини» заснял несколько ярких вспышек в атмосфере Сатурна — первых в истории прямых изображений инопланетных молний.
А знаете ли вы? Радиосигналы от молний на Сатурне настолько мощные, что их можно принимать радиотелескопами на Земле, несмотря на расстояние в 1,3 миллиарда километров.
2. Почему молнии на Сатурне мощнее земных
Земные молнии возникают в грозовых облаках — кучево-дождевых тучах, которые поднимаются на высоту до 15 км. Разность потенциалов накапливается между разными частями облака (или между облаком и землей), и в момент пробоя возникает электрический разряд. Энергия средней земной молнии — около 1 миллиарда джоулей.
На Сатурне процессы масштабнее:
Глубина атмосферы. Атмосфера Сатурна в десятки раз толще земной. Грозовые облака там поднимаются на высоты в сотни километров, и чем больше высота — тем больше путь для разряда.
Плотность облаков. Водяные облака на Сатурне расположены глубоко, на уровне давления 10-20 бар (в 10-20 раз выше земного). Они содержат огромное количество капель воды и кристаллов льда — идеальная среда для электризации.
Отсутствие поверхности. На Земле молнии часто бьют в землю (или в воду), что ограничивает их энергию. На Сатурне твердой поверхности нет — молнии бьют внутри облаков или между облаками на разных высотах.
Оценки энергии сатурнианской молнии варьируются, но в среднем она в 1000-10 000 раз мощнее земной. Длительность одной вспышки может достигать нескольких секунд (земная молния длится тысячные доли секунды).
А знаете ли вы? Если бы такая молния ударила на Земле, она вызвала бы локальное вымирание всего живого в радиусе нескольких километров и создала бы ударную волну, слышимую за сотни километров.
3. Связь со штормами — Большие белые пятна
Молнии на Сатурне не случаются поодиночке: они сопровождают гигантские штормы, которые возникают примерно раз в 30 лет (примерно один сатурнианский год).
Эти штормы называют «Большими белыми пятнами» — они выглядят как яркие белые облака, которые опоясывают всю планету и видны даже в любительские телескопы с Земли.
Последний такой шторм наблюдался в 2010-2011 годах. Он начался как небольшое яркое пятно в северном полушарии, а затем за несколько недель разрослось в гигантскую турбулентную зону, охватившую всю планету. Хвост шторма растянулся на десятки тысяч километров и был виден несколько месяцев.
В пик шторма «Кассини» регистрировал по 10-20 молний в секунду. Это в тысячи раз больше фоновой активности. Мощность радиоизлучения от этих разрядов была настолько высокой, что перегружала приемник аппарата.
А знаете ли вы? Шторм 2010-2011 годов на Сатурне был самым большим из когда-либо зарегистрированных.
4. Как рождаются молнии на Сатурне
Физика молний на Сатурне в целом такая же, как и на Земле: трение льдинок и капель воды приводит к разделению зарядов. Положительные заряды скапливаются в верхней части облака, отрицательные — в нижней. Когда разность потенциалов превышает диэлектрическую прочность атмосферы, происходит пробой — молния.
Но есть два отличия:
Водяные облака глубже. На Сатурне водяные облака находятся глубоко (на уровне 10-20 бар), потому что выше пояса водяного льда — слишком холодно. Молнии бьют на этих глубинах, и их свет не всегда пробивается сквозь вышележащие слои аммиачных и аммоний-гидросульфидных облаков. Поэтому оптические вспышки видны реже, чем регистрируются радиосигналы.
Энергия выделяется быстрее. Из-за большей плотности атмосферы плазма в канале молнии расширяется быстрее и создает более сильную ударную волну (гром), но в разреженной атмосфере Сатурна выше облаков звук не распространяется.
А знаете ли вы? «Кассини» регистрировал молнии на Сатурне не только в радиодиапазоне, но и в видимом свете — но только когда шторм выводил яркие вспышки на дневную сторону. На ночной стороне вспышки были видны ярче, но их все равно было мало.
5. Как «Кассини» изучал молнии
«Кассини» был идеальной обсерваторией для изучения сатурнианских гроз. Он имел:
- Радиоприемник RPWS, который слушал радиоизлучение от молний в диапазоне от десятков килогерц до мегагерц. По характеру сигнала можно было определить расстояние до шторма и его интенсивность.
- Камеру ISS, которая делала снимки Сатурна в видимом свете. В 2009-2010 годах она засняла первые прямые изображения молний — яркие белые точки на фоне облаков.
- Спектрометр CIRS, который измерял температуру в верхней атмосфере и находил горячие пятна, связанные с конвекцией.
Совместный анализ радиоданных и снимков позволил ученым сопоставить радиовсплески с конкретными штормами и измерить высоту, на которой происходят разряды. Оказалось, что молнии бьют на глубине 100-200 км от верхней границы облаков — в тех самых водяных облаках.
А знаете ли вы? В 2012 году, когда шторм 2010-2011 годов уже закончился, «Кассини» зарегистрировал серию молний в другом месте — в экваториальной зоне. Это были первые молнии вне Большого белого пятна: оказалось, что на Сатурне есть и обычные, менее мощные грозы, но они редки.
6. Зачем изучать молнии на других планетах
Молнии — это индикатор глубинных процессов. Если на планете есть молнии, значит:
- В атмосфере есть водяные облака (или облака другого вещества, способного электризоваться);
- Есть мощная конвекция (тепло поднимается из недр, чтобы создать грозовые ячейки);
- Есть некоторая сложность химического состава (для разделения зарядов).
Изучая молнии на Сатурне, ученые понимают, как работает атмосферная циркуляция на газовых гигантах, как глубоко залегают водяные облака и как тепло из недр выходит наружу.
Кроме того, молнии могут быть опасны для космических аппаратов. Хотя «Кассини» никогда не пролетал сквозь грозу на Сатурне (он находился на орбите и наблюдал сверху), теоретически разряд может повредить электронику. Поэтому планировщики миссий учитывают вероятность гроз, когда рассчитывают траекторию.
А знаете ли вы? Космический аппарат Juno, изучающий Юпитер, обнаружил молнии и на ночной стороне планеты — они выглядели как яркие вспышки на фоне черного диска. Также были впервые засняты сферические разряды (эльфы) в атмосфере Юпитера — еще одно явление, известное на Земле.
Когда в следующий раз вы увидите грозу на Земле, вспомните: где-то в 1,3 миллиарда километров от нас, в атмосфере Сатурна, бушуют бури, по сравнению с которыми земные ураганы — легкий ветерок, а молнии — слабые искры.
Подпишись, если понравилась статья!
Ниже другие статьи: