Под кожей Юпитера

Аппарат «Юнона» позволил ученым впервые «заглянуть» в недра Юпитера на глубину 3 тысячи километров. Это почти половина радиуса Земли, но лишь половина десятой доли радиуса Юпитера. С помощью точных измерений гравитационного поля ученые узнали, насколько глубоко простираются струйные атмосферные течения, которые мы видим в телескопы, и на какой глубине начинается та часть планеты, которая вращается как единое твердое тело. Кроме того, ученые смогли разобраться в особенностях поведения циклонов в приполярных зонах планеты — оказалось, что они значительно отличаются от приполярных циклонов Сатурна.

Уже больше года автоматическая межпланетная станция «Юнона» (Juno) находится на орбите Юпитера, исследуя тайны самой крупной планеты в Солнечной системе. Вчера в журнале Nature были опубликованы несколько (1,2,3,4) статей, посвященные внутреннему строению газового гиганта и особенностям процессов в его атмосфере. Мы решили разобраться, какие секреты «короля планет» раскрыла астрономам «Юнона».

Задач в научной программе «Юноны» много — станция должна помочь понять, как возник Юпитер, разобраться в структуре его магнитосферы (крупнейшей среди планет Солнечной системы) и ее происхождении, прояснить динамику атмосферных процессов и структуру самой атмосферы и изучить механизмы генерации полярных сияний. Каждый из этих вопросов можно представить себе в виде несобранной мозаики и «Юнона» помогла астрономам найти многие детали для создания полной картины. Мы услышали «песню» головной ударной волны Юпитера и рассмотрели в подробностях его облака и шторма, в том числе знаменитый антициклон Большое Красное Пятно и полюса планеты, смогли оценить индукцию магнитного поля планеты и увидели и услышали мощные юпитерианские полярные сияния.

Сейчас аппарат находится на вытянутой орбите и совершает один оборот вокруг планеты за 53 дня. По изначальному плану миссии еще в сентябре 2016 года станция должна была изменить орбиту и сократить период обращения до двух недель. Из-за поломки этот переход несколько раз откладывался, а в феврале прошлого года и вовсе был отменен, но на научную программу это не повлияло. Предполагается, что аппарат сможет проработать до июля этого года, а затем будет сведен с орбиты и сгорит в атмосфере газового гиганта. Столь небольшой срок работы объясняется сильной радиационной нагрузкой на электронику станции, работающую в условиях радиационных поясов Юпитера, но не исключается возможность продления миссии, если у ученых будет уверенность, что аппарат выдержит дальнейшую работу. 

Глубока ли атмосфера?

Три из четырех вышедших статей посвящены результатам гравитационного эксперимента GSE (Gravity Science Experiment), целью которого является изучение внутреннего строения газового гиганта. В эксперименте аппарат играет роль пробной частицы, движущейся в гравитационное поле планеты. Попадая в области с разным гравитационным притяжением (из-за неоднородного распределения масс), аппарат испытывает ускорение. Оно будет приводить к доплеровским смещениям в сигналах, передаваемых «Юноной» на Землю, которые и отслеживали ученые.

Практически все планеты Солнечной системы имеют форму, близкую к сферической, поэтому их гравитационный потенциал в первом приближении можно рассчитывать как гравитационный потенциал шара. Для более точных расчетов нужно учесть, что форма вращающихся (и поэтому несколько «сплюснутых») планет лучше описывается эллипсоидом вращения, а на следующем шаге — принимать во внимание распределение масс внутри планеты. В итоге внешний гармонический гравитационный потенциал планеты описывается с помощью ряда сферических гармонических функций (или гармоник), каждая из которых описывает все более тонкие отклонения формы планеты от шара. При помощи определенного количества гармоник можно построить достаточно точно приближенную к действительной модель планеты и ее гравитационного поля.

В случае Юпитера необходимо учитывать дифференциальный характер его вращения (различные слои движутся с разными скоростями) и влияние глубинных атмосферных потоков. Тогда модель гравитационного поля газового гиганта можно представить как состоящую из двух частей — статической, которая будет определяться радиальным распределением плотности во вращающемся твердом теле и представляться коэффициентами при четных зональных (зависящих от широты) гармониках разложения потенциала в ряд, и динамической, за которую отвечают процессы, идущие в атмосфере и более глубоких слоях Юпитера. Они могут создавать локальные возмущения плотности, которые приводят к более сложному описанию гравитационного поля планеты с участием нечетных зональных и тессеральных (зависящих от широты и долготы) гармоник, а также поправок к четным зональным гармоникам.

Анализ данных, накопленных «Юноной» в ходе проведения эксперимента GSE, показал, что существует асимметрия гравитационного поля планеты в направлении север-юг, которая проявляется в различиях значений ускорения свободного падения (g). На газовом гиганте такая асимметрия может возникать только из-за асимметрии газовых потоков, проникающих глубоко в недра планеты. В случае Юпитера атмосферные течения на севере и на юге могут переносить разную массу вещества, чем больше различия в переносимой массе, тем больше будут различия гравитационного поля.

Измерения показали, что атмосферные потоки, «полосы» на диске Юпитера, которые наблюдал еще Галилей, простираются на глубину до трех тысяч километров (это примерно половина радиуса Земли и 0,05 радиуса Юпитера). Ниже этой глубины, согласно проведенным расчетам, электрическая проводимость становится достаточно большой, чтобы дифференциальный характер вращения этих слоев был сведен к минимуму. Иначе говоря, гравитация соответствует твердому телу. Учитывая, что электропроводность зависит от давления, а та, в свою очередь, от массы планеты, ожидается, что значение глубины, до которой сохраняется дифференциация вращения внутренних слоев, будет, по крайней мере, в три раза больше для Сатурна, и меньше для крупных газовых экзопланет и  ​​коричневых карликов. Для Юпитера удалось дать оценку массы области, где сохраняется дифференциальный характер вращения (именно в ней сосредоточена вся та красота облачных узоров, которые мы видим на снимках) — около 1% массы газового гиганта (около 3 масс Земли).

«Это действительно потрясающий результат, и дальнейшие наблюдения «Юноны» помогут нам понять, как выглядит переход между динамическим и твердым слоями в глубинах Юпитера», — говорит Тристан Гилло (Tristan Guillot), ведущий автор одной из статей.

Конструктор из вихрей

Последняя статья посвящена загадке полярных областей Юпитера. С Земли они не видны, но благодаря «Юноне» и ее инструментам JunoCam и JIRAM, работающим в оптическом и инфракрасном диапазонах, мы смогли их изучить и рассмотреть в подробностях. Гипотетическому наблюдателю, который находился бы на месте аппарата, предстала бы картина перехода системы широтных поясов и зон (разноцветные «ленты») в хаотическое нагромождение вихрей, штормов и турбулентных потоков. В полярных областях Юпитера наблюдается циклоническая активность из-за влияния β-эффекта Кориолиса (изменение параметра Кориолиса вдоль меридиана) и преобладают турбулентные процессы, предсказанные в моделях. В северной полярной области восемь циркумполярных циклонов наблюдаются возле одного полярного циклона, диаметром около 4000 км, образуя фигуру октагон; на южном полюсе один полярный циклон окружен пятью циркумполярными циклонами, образующих пентагон. Неожиданным была их внешняя стабильность (сохранение форм в течение семи месяцев наблюдений) и близкое расположение друг к другу, образующее симметричную картину у каждого полюса планеты. Размеры циркумполярных циклонов на полюсах не сильно различаются — от 4000 до 4600 километров в диаметре на северном полюсе и от 5600 до 7000 километров на южном, все они очень медленно дрейфуют вокруг полюсов.

При анализе этих данных появляются два важных вопроса. Во-первых, почему эти структуры из вихрей так медленно движутся? Во-вторых, почему вихри не сливаются, хотя расположены достаточно близко друг от друга? На каждом из полюсов Сатурна есть по одному крупному циклоническому вихрю. Анализируя условия образования вихрей на Сатурне и сравнивая их с условиями на Юпитере, было предсказано, что циркуляционные процессы в полярных областях Юпитера и Сатурна будут отличаться. Другие работы, посвященные слиянию юпитерианских «белых овалов» (антициклонов) в 1998-2000 годах, показали, что подобные вихри сливаются достаточно быстро (в течение четырех месяцев), если они не разделены «вихревой дорожкой» (vortex street). Слияния полярных циклонов возможны, но они не наблюдались в течение семи месяцев, и нет никаких свидетельств появления новых структур внутри циклонных образований.

«Каждый из северных полярных циклонов имеет диаметр почти такой же, как расстояние между Неаполем и Нью-Йорком, а южные циклоны еще больше по размерам. В них бушуют очень сильные ветра, достигающие скоростей до 350 километров в час. Наконец, и, возможно, самое замечательное, они очень близко расположены друг к другу и при этом не распадаются. В Солнечной системе ранее мы не видели ничего подобного», — рассказывает Альберто Адриани (Alberto Adriani), ведущий автор статьи о полярных областях Юпитера.

Юпитер остается «крепким орешком» для исследователей и каждое новое открытие порождает новые вопросы. Теперь ученые хотят собрать воедино данные, получаемые различными методами, чтобы получить более полное представление о процессах, определяющих динамику атмосферы и более глубоких слоев планеты и внутреннем строении газового гиганта.

Александр Войтюк