Где, по-вашему, находится самая мощная гроза Солнечной системы? Часто можно услышать — в тропиках, в Венесуэле, в месте, где река Кататумбо впадает в озеро Маракайбо. Да, там сверкает красиво, до 200 вспышек на квадратный километр в год. Но если сравнить это с тем, что творится в облаках Юпитера, наша земная гроза — это жалкий треск искры из пьезозажигалки. На Юпитере молнии полыхают с энергией, превышающей наши самые дикие суперболты (это экстремально мощный разряд молнии) в сотни, а может, и в тысячи раз. И самое забавное — мы почти не видим их света. Мы их подслушиваем.
Когда облака скрывают свет
Земная молния — это, по сути, гигантская искра. В грозовом облаке, полном льдинок и водяных капель, турбулентность разделяет заряды: мелочь уносится вверх, крупные частицы оседают вниз. Возникает разность потенциалов, пробой — и канал разогревается до 30 000 градусов. Воздух взрывается ударной волной, и мы слышим гром. Всё логично, и мы привыкли, что молнию сначала видно, потом слышно.
На Юпитере же атмосфера принципиально другая. Над его условной «поверхностью» нависают многокилометровые слои плотных облаков из аммиака, гидросульфида аммония и водяного пара. Если там полыхнёт разряд, оптическая вспышка почти наверняка утонет в этой толще. Ранние пролёты «Вояджеров» в 1979 году фиксировали только самые чудовищные всплески на ночной стороне, и учёные думали: ну, молнии как молнии, просто планетарного масштаба. Но когда в 2016 году на орбиту Юпитера вышла «Юнона», всё перевернулось. У неё на борту был не только чувствительный оптический датчик системы ориентации, который случайно ловил слабые вспышки, но и микроволновый радиометр. Радиоволны не боятся облаков. Они прошивают атмосферу насквозь, как рентген. И вот тут-то мы и поняли, что Юпитер буквально трещит как счетчик гейгера от электричества.
Химия небесного огня
На Земле всё держится на воде. Влажный воздух легче сухого, он легко всплывает, формируя тучи. На Юпитере доминируют водород и гелий, и водяной пар в такой среде оказывается тяжелее окружающего газа. Ему чудовищно трудно подняться. Чтобы запустить конвекцию, нужно накопить колоссальный запас тепла, и когда этот барьер прорывается, высвобождается воистину юпитерианская энергия. Штормовые башни на Юпитере могут достигать 100 километров в высоту — в десять раз выше наших земных гроз. Разность потенциалов там накапливается такая, что никакие наши лаборатории высоких напряжений и рядом не стояли.
Данные «Юноны» показали, что механизмы молний на Юпитере делятся на два типа. Первый — «глубокие» молнии. Они похожи на наши: возникают в нижних слоях, в облаках из водяного льда и капель, примерно в 50-80 км ниже видимого края. А второй тип — «мелководные» молнии — нашли гораздо выше, где по всем земным законам жидкой воды быть не может. Там слишком холодно. Но тут в игру вступает аммиак. Он действует как природный антифриз: смешиваясь с водой, резко понижает температуру замерзания. Образуются капли водно-аммиачного раствора, которые сталкиваются с кристаллами водно-аммиачного льда — и вот вам разделение зарядов.
Более того, учёные выдвинули гипотезу о «машаллах» — это слово можно перевести как «снежно-ледяные фрикадельки». ОКей, как в мультфильме Облачно, возможны осадки в виде фрикаделек... Представьте себе градины, состоящие из смеси водяного льда и замёрзшего аммиачного раствора. Они падают сквозь верхние слои, по пути захватывая аммиак, и в этом процессе рождается электрическое поле. А когда они тают или разрушаются, может происходить пробой. Крайне остроумная идея, и, что характерно, она объясняет, почему на Юпитере молнии гораздо чаще бьют к полюсам, а не на экваторе. Экваториальные области слишком тёплые для таких фазовых переходов, а вот ближе к полюсам — самое оно. Кстати, в северном полушарии их почему-то больше, чем в южном. Это пока загадка. Ждем версии от планетологов.
Стелс-суперштормы и энергия в миллион молний
Возвращаюсь к мощности. В 2021–2022 годах планетологу Майклу Вонгу и его коллегам невероятно повезло. На Юпитере наступило относительное затишье в северном экваториальном поясе, и на фоне этого спокойного фона можно было выделить отдельные компактные штормы. Их назвали «стелс-суперштормами»: они активны месяцами, но их облачные башни не дотягивают до высоты классических гигантских вихрей, поэтому их трудно заметить визуально. Зато радиометр «Юноны» слышал их отлично. За несколько пролётов набрали статистику по 613 разрядам, и частота достигала трёх вспышек в секунду. А по энергии? Одна земная молния в среднем выделяет около одного гигаджоуля. Оценки для этих юпитерианских разрядов показали разброс от сравнительно скромных земных значений до величин, превышающих их в сто, а возможно, и в тысячу раз. Некоторые исследователи аккуратно говорят, что при учёте неопределённости пиковые молнии могут оказаться в миллион раз мощнее земных. Миллион! Это не просто гром среди ясного неба, это в чистом виде атмосферный апокалипсис, упакованный в один разряд.
Сама методология изящна. На Земле мы сравниваем радиоизлучение молний на разных длинах волн и калибруем их по прямым измерениям тока. Для Юпитера у нас нет прямых замеров, только радиоспектры. Если предположить, что физика пробоя там схожа, то, масштабируя частоты, мы получаем эти дикие числа. И тут возникает вопрос: в чём же секрет титанической силы? Вариантов несколько: либо водородно-гелиевая среда как-то особенно эффективно накапливает заряд, либо гигантская высота штормов (100 км против 10 км земных) даёт гораздо больший путь для набора разности потенциалов, либо вся эта кухня с аммиаком и машаллами высвобождает скрытое тепло, раскручивая конвекцию до немыслимых скоростей. А может, все эти факторы работают сразу.
Эльфы над аммиачным морем
Ну и напоследок. «Юнона» на высоте около 300 километров над облаками засекла короткие яркие вспышки в ультрафиолете. Никаких облаков там уже нет — практически открытый космос. Это напоминает наши высотные разряды: спрайты, эльфы, синие джеты. На Земле они бьют из грозовых облаков вверх, на десятки километров в ионосферу, и длятся миллисекунды. На Юпитере, по всей видимости, то же самое, только масштабированное в соответствии с размерами Юпитера. Поймать прямую связь между конкретной молнией в глубине и такой высотной вспышкой пока не удаётся — инструменты срабатывают с крошечной задержкой, и синхронизация хромает. Но сам факт их существования говорит о том, что электрическая машина царя планет гораздо сложнее, чем мы думали ещё десять лет назад.
Изучая его молнии, мы лучше понимаем не только то, как устроены бури на далёких газовых гигантах и горячих юпитерах у других звёзд, но и земную погоду. В конце концов, физика одна и та же. Просто на Юпитере она проходит гораздо ярче. И когда в следующий раз летней ночью вы увидите, как далеко за горизонтом беззвучно полыхнула зарница, вспомните: прямо сейчас где-то над аммиачными тучами, в полярных широтах царя планет, рождается молния, способная испарить небольшое озеро.