Облачная система в северном полушарии Юпитера, снятая космическим кораблем Юнона. Кредит: НАСА
Новое исследование, проведенное Лией Сигельман, физическим океанографом из Океанографического института Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего, показывает, что бурные штормы в полярных регионах планеты Юпитер вызваны процессами, известными физикам, изучающим океаны и атмосферу Земли. Геофизические сходства, охватывающие расстояние в 452 миллиона миль между двумя планетами, могут даже помочь улучшить понимание этих процессов на Земле.
Сигельман впервые установила связь между нашей планетой и газовым гигантом в 2018 году, когда заметила поразительное сходство между изображениями огромных циклонов Юпитера и турбулентностью океана, которую она изучала. Для физика и воздух, и вода считаются жидкостями, поэтому применение физики океана к Юпитеру не так уж надумано, как кажется, говорит Сигельман. «Юпитер — это, по сути, океан газа».
Это первоначальное наблюдение побудило Сигельмана стать соавтором исследования 2022 года, опубликованного в журнале Nature Physics, в котором анализировались инфракрасные изображения циклонов Юпитера с высоким разрешением, полученные космическим кораблем НАСА «Юнона». Анализ показал, что тип конвекции, подобный тому, что наблюдается на Земле, помогает поддерживать штормы на Юпитере, которые могут иметь ширину в тысячи миль и длиться годами.
Исследование 2022 года было сосредоточено непосредственно на циклонах Юпитера, но Сигельман также видел тонкие усики, известные исследователям как нити, в пространствах между газовыми вихрями. У этих нитей также были земные аналоги, и Сигельман использовал подробные изображения Юноны, чтобы изучить, является ли это сходство с океаническими и атмосферными процессами нашей планеты лишь поверхностным.
Опубликованное 6 июня в журнале Nature Physics, последующее исследование Сигельмана обнаруживает дополнительные сходства между процессами, питающими циклоны Юпитера, и процессами, действующими на Земле. Исследование показывает, что нити между циклонами Юпитера действуют совместно с конвекцией, вызывая и поддерживая гигантские штормы на планете. В частности, волокна Юпитера действуют по принципу, напоминающему то, что океанографы и метеорологи называют фронтами на Земле.
Фронты часто обсуждаются в прогнозах погоды — например, холодные фронты или штормовые фронты — но они применимы как к газам, так и к жидкостям. Фронт — это граница между массами газа или жидкости с разной плотностью из-за различий в свойствах, таких как температура. В океане фронты также могут возникать из-за разницы в солености, которая влияет на плотность морской воды наряду с температурой. Ключевой особенностью фронтов является то, что их передние края имеют сильные вертикальные скорости, которые могут создавать ветры или течения.
Чтобы попытаться понять роль волокон, которые она могла ясно видеть между циклонами на Юпитере на изображениях Юноны, Сигельман посмотрела серию инфракрасных изображений Юноны. Пакет изображений представлял собой северную полярную область Юпитера и был сделан с интервалом в 30 секунд.
Тот факт, что изображения были в инфракрасном диапазоне, позволил Сигельман и ее соавтору Патрису Кляйну из Лаборатории реактивного движения НАСА, Калифорнийского технологического института и Ecole Normale Superieure рассчитать температуру: яркие области были теплее, а темные — холоднее. На Юпитере более горячие части атмосферы соответствуют тонким облакам, а более холодные части представляют собой толстый облачный покров, блокирующий большую часть тепла, исходящего от перегретого ядра Юпитера. Затем исследователи отслеживали движение облаков и нитей через 30-секундные интервалы, разделяющие фотографии, чтобы рассчитать горизонтальную скорость ветра.
Эти две части информации позволили Сигельману и Кляйну применить к Юпитеру методы науки об океане и атмосфере, что позволило им рассчитать вертикальные скорости ветра, которые будут соответствовать температурам и горизонтальным скоростям ветра, которые исследователи получили на основе изображений. Как только команда рассчитала вертикальную скорость ветра, они смогли увидеть, что волокна Юпитера действительно ведут себя как фронты на Земле.
Эти вертикальные скорости ветра по краям фронтов на Юпитере также означали, что фронты участвовали в транспортировке энергии в виде тепла из горячих недр планеты в ее верхние слои атмосферы, питая гигантские циклоны. Хотя основной движущей силой является конвекция, на фронты приходится четверть всей кинетической энергии, питающей циклоны Юпитера, и сорок процентов вертикального переноса тепла.
«Эти циклоны на полюсах Юпитера существуют с тех пор, как их впервые наблюдали в 2016 году», — сказал Сигельман. «Эти нити между большими вихрями относительно малы, но они являются важным механизмом поддержания циклонов. Удивительно, что фронты и конвекция присутствуют и оказывают влияние на Землю и Юпитер — это предполагает, что эти процессы могут также присутствовать и в других турбулентных жидкостях. тела во Вселенной».
Сигельман также сказал, что огромные масштабы Юпитера и изображения Юноны с высоким разрешением могут позволить более четко визуализировать способы, которыми явления меньшего масштаба, такие как фронты, соединяются с более крупными явлениями, такими как циклоны и атмосфера в целом — связи, которые часто трудно наблюдать на наблюдениях. Земля, где они гораздо меньше и эфемернее. Однако, добавила она, долгожданный новый спутник, известный исследователям как SWOT, призван значительно облегчить наблюдение подобных океанских явлений.
«Есть какая-то космическая красота в том, что эти физические механизмы на Земле существуют и на других далеких планетах», — сказал Сигельман.
Информация от: Калифорнийским университетом в Сан-Диего.
