П'ятикутник вихорів. Мозаїка інфрачервоних зображень південного полюса Юпітера. Авторство: NASA/SWRI/JPL/ASI/INAF/IAPS
Вчені Інституту Вейцмана розкривають, як гігантські циклони залишаються стабільними в обох Юпітерполюсів.
Донедавна, раніше НАСАКосмічний зонд Juno вийшов на свою орбіту навколо планети Юпітер, ніхто не знав, що потужні циклони, розміром приблизно з Австралію, лютують над її полярними регіонами. Бурі на Юпітері, на відміну від їх земної різновиди, не розсіюються, майже не змінюються і явно не асоціюються з літаючими дахами та вологими репортерами погоди. У статті, опублікованій нещодавно в Nature Geoscience, дослідники з Наукового інституту Вейцмана розкривають таємниці циклонів Юпітера: які сили діють, закріплюючи ці гігантські шторми на їхніх полярних місцях, і чому їх кількість і розташування залишаються більш-менш постійними з часом.
«Ми можемо розглядати Юпітер як ідеальну кліматичну лабораторію», — каже професор Йохай Каспі з відділу наук про Землю та планети Вейцмана. Земля — це складна й багатоваріантна система: на ній є океани й атмосфера, континенти, біологія — і, звісно, діяльність людини. З іншого боку, Юпітер, найбільша планета в нашій Сонячній системі, складається з газу, тому його набагато легше вивчати, для якого ми можемо створювати прогнози та перевіряти гіпотези. Дані, необхідні для цих прогнозів і гіпотез, збирає Juno – дослідницький зонд, який був запущений NASA в 2011 році і вийшов на орбіту Юпітера в середині 2016 року. Каспі, один із дослідників NASA у місії Juno, став свідком одного з найбільш захоплюючих знахідок: циклони, що обертаються навколо полюсів планети.
Шість циклонів на південному полюсі Юпітера, зафіксованих інфрачервоним об’єктивом Юнони в лютому 2017 року. Напрочуд організовані та схожі на круглу тацю з булочками з корицею. Авторство: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM
«Якщо ми подивимося на старі зображення Юпітера, зроблені до 2016 року, — каже Каспі, — ми побачимо, що полюси зазвичай представляли як великі сірі зони, тому що тоді ніхто не знав, як вони насправді виглядають». Причина цього полягає в тому, що Сонячна система організована на одній площині, яка дуже близька до площини екватора Юпітера. Таким чином, минулі спостереження планети, які проводилися з Землі або з попередніх космічних місій, могли здебільшого охопити лише нижчі широти Юпітера. Таким чином, однією з визначних інновацій місії «Юнона» є її полярна орбіта, яка дозволила дослідникам вперше детально спостерігати бурхливі полюси Юпітера. Саме так були відкриті циклони, напрочуд організовані та схожі на круглу тацю з булочками кориці, на широті 84°N та S. Крім того, дані, зібрані за численними орбітами Юнони навколо Юпітера, показують, що кількість циклонів залишається фіксованою – вісім активних навколо північного полюса і п'ять навколо південного. «Тоді це відкриття було дуже дивним, — каже Каспі, — оскільки ми очікували, що полюси будуть більш-менш симетричними». В Попереднє дослідження, Каспі використовував відсутність симетрії в гравітаційному полі Юпітера, щоб визначити глибину сильних східно-західних поясів вітру, характерних для атмосфери планети.
Каспі: «Полюси Юпітера та інших газоподібних планет є, мабуть, останніми точками Сонячної системи, які ще залишилося дослідити»
На Землі тропічні циклонічні шторми утворюються в районах, де температура води перевищує 26 градусів Цельсія – як правило, в центрі Атлантичного та Тихого океанів – і вони дрейфують у круговому русі до полюсів завдяки тягненню, яке є результатом обертання планети. З іншого боку, на Юпітері сильні струменеві потоки запобігають утворенню цих штормів нижче широти 60º – лише над нею течії досить слабкі, щоб циклони могли лютувати. Що змушує ці конкретні шторми на Юпітері осідати на широті 84º? Згідно з новим дослідженням, циклони Юпітера дійсно притягуються до полюсів, але полярний шторм, розташований у центрі кільця циклонів, відштовхує їх, не даючи їм досягти самого полюса.
«Поки циклони залишаються на відстані від полюса – вони притягуються до нього. Але чим ближче вони наважуються – тим сильніше їх відштовхують», – каже докторант Німрод Гавріель з дослідницької групи Каспі, дисертація якого зосереджена на з’ясуванні цього явища. «Питання в тому, чи достатньо сильний ефект відштовхування, щоб протистояти тяжінню полюса. На широті 84º ці сили вирівнюються». Гавріель і Каспі пропонують математичну модель, яка враховує діаметр полярного циклону (який на південному полюсі більший, ніж на північному), можливу мінімальну відстань між кожним циклоном, площу поверхні навколо широти 84º і розмір циклонів і їх обертання, і це точно передбачає наявність восьми циклонів на північному полюсі. Що стосується південного полюса, то, виходячи з їх розрахунків, кількість циклонів має бути 5.62. Це число узгоджується з даними, зібраними Juno: насправді такого числа не може існувати, але п’ять південних штормів часто поділяються на шість штормів, як це спостерігалося під час вісімнадцятого та тридцять четвертого обертів зонда навколо Юпітера. Запропонована модель також пояснює, чому цього явища немає на найближчій до Юпітера планеті-сусіді – Сатурн.
Юнона ширяє над південним полюсом Юпітера. На орбіті навколо найбільшої планети Сонячної системи з 2016 року. Авторство зображення: NASA
«Ми намагаємося зрозуміти динаміку атмосфери у великому масштабі, і надання успішного пояснення феномену полярних циклонів Юпітера дає нам впевненість, що ми справді знаємо, що там відбувається», — каже Каспі. Ця впевненість може бути найважливішою для нас тут, на Землі, оскільки глибше розуміння циклонів може допомогти метеорологам передбачити, наприклад, як нагрівання нашої планети вплине на рух штормів по ній – виклик, з яким, швидше за все, зіткнеться людство в недалекому майбутньому. Але захоплення Каспі дослідженням Юпітера більш прямолінійне: «Немає нових островів для відкриття в Тихому океані, і більшість планет у Сонячній системі вже нанесено на карту. Полюси Юпітера та інших газоподібних планет є, мабуть, останніми точками в Сонячній системі, які ще залишилося досліджувати».
Діаметр кожного з циклонів Юпітера становить близько 4,000-5,000 кілометрів, і вони обертаються зі швидкістю до 360 кілометрів на годину.
«Ми очікуємо, що протягом наступних кількох років з Juno надходитимуть більш цінні дані», — додає Каспі після нещодавнього продовження місії Juno до 2025 року. «Завдяки поступовим змінам полярної орбіти космічного корабля він наближається до нього. і ближче до північного полюса Юпітера, що дозволяє нам отримувати інформацію про цей полярний регіон за допомогою кількох спеціалізованих інструментів», – підсумовує він.
Довідка: «Кількість і розташування циркумполярних циклонів Юпітера, пояснені динамікою завихреності», Німрод Гавріель і Йохай Каспі, 19 липня 2021 р., Nature Geoscience.
DOI: 10.1038/s41561-021-00781-6
