Большое красное пятно Юпитера: размеры, облака и ветры

Большое красное пятно Юпитера: размеры, облака и ветры

Большое красное пятно Юпитера представляет собой бурю шире Земли в облаках планеты, у которой нет твёрдой поверхности. Всё на фотографиях Юпитера состоит из облаков: кремовые, светло-коричневые и бурые полосы, белые овалы, красный вихрь. Здесь вы начинаете на высоте 30 000 km над ним, рядом с Землёй в том же масштабе. Можно опуститься к облакам, прокатиться на самом быстром ветре, увидеть ночные молнии и циклоны вокруг северного полюса, а затем повторить спуск зонда Galileo 1995 года до глубины, где его радио замолчало.

Высоты отсчитываются от «уровня 1 bar», где давление равно среднему давлению у земного моря. Планетологи используют его вместо уровня моря, поскольку поверхности для отсчёта нет. Видимые вершины облаков немного выше, в этой модели примерно на 10 km. Отрицательная высота означает глубину ниже этого уровня, внутри облаков.

Шесть областей показывают главное: Большое красное пятно, струйное течение на 24° N, северный полюс, грозовой пояс на 47° N, место входа Galileo и вечернее небо над экватором. Вблизи облаков на воображаемой площадке появляется человек ростом 1,7 m, чтобы сравнивать размеры с собственными. Линейка в углу переводит видимое расстояние в число людей, лежащих цепочкой. Здесь 23 скрытые находки, 14 карточек «На самом деле…» и 13 заданий. Числа на табло, карточках и этой странице взяты из материалов NASA, её лабораторий и научных публикаций, перечисленных в конце.

Насколько велико Большое красное пятно?

Большое красное пятно представляет собой антициклон, вихрь высокого давления, примерно в 22° к югу от экватора. Он делает оборот против часовой стрелки за несколько дней. Более чем вековые измерения показывают отчётливую перемену.

Диаметр Земли равен 12 742 km. В конце 1800-х вдоль бури свободно поместились бы три Земли. Сейчас одна почти закрывает её. Ползунок года меняет размер вихря по измерениям от конца 1800-х до 2024 года. Панель «Размеры» сопоставляет ту же таблицу с одной, двумя и тремя земными ширинами.

Ширина с севера на юг тоже уменьшилась, но медленнее. Исследование 2018 года по измерениям за более чем 150 лет показало сокращение длинной оси примерно на 0,194 градуса долготы в год, а ширины на 0,048 градуса широты. Для лет без измерения ширины модель использует это соотношение, о чём сообщает карточка. В восьми наблюдениях Hubble с декабря 2023 по март 2024 красный овал в среднем имел размеры около 13 600 на 9900 km.

Буря, которая уменьшается

NASA широко рассказала об уменьшении в 2014 году: снимки Hubble показали примерно 16 500 km, наименьший размер за всю историю измерений на тот момент. Ещё в 2012 году любители заметили ускорение сокращения примерно до 930 km в год и превращение овала в более округлую фигуру.

Причина остаётся открытым вопросом. Возможно, мелкие втекающие вихри меняют поступление энергии и импульса. Возможно, окружающие струйные течения постепенно сжимают бурю. Ни одна версия не доказана, и модель не выдаёт её за установленный факт.

Последние наблюдения Hubble добавили новую деталь. За 90 дней, с декабря 2023 по март 2024, пятно регулярно меняло форму и размер, колеблясь подобно желе в миске. Его движение по долготе ускорялось и замедлялось с тем же 90-дневным периодом. Колебания дрейфа были известны давно, а изменение размера обнаружили впервые. Авторы ожидают, что буря будет уменьшаться, пока плотнее не впишется между соседними струями, а затем, возможно, станет более круглой и устойчивой.

При этом ветер усиливался. Карты Hubble с 2009 по 2020 показывают ускорение быстрого кольца у внутренней стороны края до 8 процентов, при средней скорости свыше 640 km/h (400 mph). Центр вращается гораздо медленнее. Полёт низко над серединой позволяет найти это спокойное ядро, одну из скрытых находок.

Это та буря, которую видел Cassini?

Многие книги пишут, что за пятном следят с 1600-х годов. В 1665 году Giovanni Domenico Cassini заметил тёмный овал примерно на той же широте. Позднее его назвали «Постоянным пятном» и наблюдали до 1713 года. Затем записи прервались более чем на столетие.

Исследование 2024 года заново сопоставило старые рисунки и измерения. По размеру и дрейфу авторы заключили, что Постоянное пятно, вероятно, исчезло, а нынешнее Большое красное пятно впервые увидели в 1831 году. Компьютерные расчёты лучше согласовались с длинной, неглубокой, медленной циркуляцией между противоположными струями с севера и юга, чем со слиянием мелких бурь. Если это верно, молодой вихрь вращался медленно и ускорялся при сжатии. Карточка объясняет: буря старая, но, вероятно, не настолько, как пишут учебники.

Широкая, но неглубокая

Пятно шире Земли, но насколько глубоко оно уходит? Два эксперимента Juno, опубликованные вместе в 2021 году, подошли к вопросу с разных сторон.

Микроволновый радиометр видит сквозь облака на разную глубину в зависимости от частоты. Корни бури оказались ниже уровней ожидаемой конденсации воды и аммиака. Значит, она связана с глубокой атмосферой, а не только с рисунком верхнего слоя. Гравитационный эксперимент измерил крошечное притяжение лишней массы бури при двух пролётах прямо над ней. Оно ограничивает глубину: пятно целиком находится в верхних 500 km атмосферы.

При ширине 13 600 km и глубине не более 500 km оно примерно в 27 раз шире, чем глубже. Такие же пропорции у пиццы диаметром 27 cm и толщиной 1 cm. Радиус Юпитера составляет 71 492 km, поэтому даже самая глубокая буря занимает менее 1 процента пути к центру.

Почему пятно красное?

Точно никто не знает. Цвет находится высоко, в дымке над основными облаками, где сильнее солнечный свет. В лаборатории облучали ультрафиолетом смесь аммиака с ацетиленом, двух газов верхней атмосферы, и получили красноватые соединения похожего цвета. Это убедительный кандидат, но не окончательный ответ. От года к году цвет меняется от бледно-лососевого до тёмного кирпичного. С 2014 года Hubble измеряет потемнение в синем и рост яркости в ближнем инфракрасном свете, что указывает на перемены высокой дымки. В модели цвет условный, а карточка перечисляет исследования.

Меньшие бури, которые можно найти

Большое красное пятно лишь крупнейшая из многих бурь. Смена года меняет и окружение, поскольку у соседних вихрей есть собственная история.

Oval BA находится южнее, примерно на 33° S. Три белых овала десятилетиями обходили планету, а с 1998 по 2000 слились в один. К 2006 он покраснел. Впервые удалось наблюдать образование красного пятна. Hubble снял перемену; вихрь прозвали «Red Spot Jr.», и он примерно вдвое уже большого соседа. Позднее он побелел, а затем снова потемнел. До 2000 года видны три белых овала, после 2005 красный.

Дальше к югу, на 40° S, вокруг планеты тянется «Жемчужная нить» белых антициклонов. Juno сфотографировала восемь в 2017 году. Севернее экватора, сразу над тёмным Северным экваториальным поясом, находится долговечный White Spot Z. Его сняли во время 21-го близкого пролёта Juno в 2019 году.

Некоторые бури совсем новые. 31 мая 2020 года любитель Clyde Foster из Южной Африки увидел яркий выброс в Южном умеренном поясе, которого не было несколькими часами раньше. Через два дня Juno сфотографировала его. «Clyde's Spot» появляется с 2020 года. Яркие выбросы каждые несколько лет возникают и возле струи на 24° N; один можно найти в области струйного течения.

Следы кометы 1994 года

В июле 1994 года более двадцати обломков кометы Shoemaker-Levy 9 последовательно ударили в южное полушарие. Тёмно-коричневые следы в облаках несколько месяцев были видны с Земли в небольшие телескопы. У фрагмента G тёмный центр диаметром 2500 km окружало тонкое кольцо диаметром 7500 km: больше многих стран, но меньше Земли. Выберите 1994 год и посмотрите южнее пятна. Положения следов условны, а размеры взяты со снимка NASA фрагмента G.

Пояса, зоны и струйные течения

Издалека Юпитер полосатый. Светлые полосы называют зонами, тёмные поясами. Зоны обычно состоят из более высоких и холодных облаков аммиачного льда, а в поясах видны более глубокие бурые слои. Между ними проходят узкие струйные течения на восток или запад, десятилетиями сохраняющие широту. Cassini, Voyager и Hubble измеряли их по перемещению деталей облаков между снимками.

Самая сильная восточная струя у облачных вершин проходит около 24° N. Измерения Hubble с 2008 по 2016 дают максимумы 144–160 m/s, примерно 520–580 km/h. После ярких выбросов рядом с ней раз в несколько лет она замедляется: после октября 2016 скорость упала примерно со 160 до 144 m/s. На Земле ураган категории 5 начинается с 70 m/s (157 mph). Обычная струя Юпитера более чем вдвое быстрее и не прекращается.

На экваторе у видимых облаков ветер около 250 km/h. В 2023 году James Webb Space Telescope нашёл узкую струю на 25–50 km выше, в нижней стратосфере. Её скорость около 515 km/h, вдвое больше, чем у облаков внизу.

«Линии ветра» рисуют движущиеся полоски: оранжевые на восток, синие на запад. Маленький график показывает ветер по широтам, красная точка обозначает ваше место. Профиль представляет собой сглаженную модель через основные максимумы Hubble, что отмечено на табло.

Как глубоко проникают ветры?

Во время спуска Galileo в 1995 году небольшие изменения радиочастоты показали боковую скорость ветра. Под облаками она выросла примерно до 170 m/s при 4 bar и оставалась такой вплоть до примерно 21 bar, где зонд прекратил работу. Погода не ограничивалась тонкой оболочкой.

Позднее Juno измерила, насколько струи искажают гравитационное поле. Опубликованный в 2018 году результат даёт глубину около 3000 km. Там водород начинает проводить электричество, и течение тормозится, переходя к совместному вращению с планетой. Это в шесть раз глубже 500 km пятна. Об этом рассказывают две карточки.

Поездка со струёй

Над струёй на 24° N включите «С ветром», и облака понесут вас на восток. При 150 m/s за час получается 540 km, значит, на 1000 km нужно чуть меньше двух часов. Ускорение времени увеличивает движение облаков и ваш дрейф от 1 до 30 000 раз. Одно задание предлагает пройти 1000 km.

Большинство деталей дрейфует со струёй своей широты, поэтому карта показывает отдельный момент. Положения Oval BA, белых овалов и грозовых башен модельные; карточки сообщают широты и даты реальных наблюдений.

Бури у полюсов

До прибытия Juno в июле 2016 года ни одна станция не смотрела прямо на полюса. На севере обнаружился центральный циклон с восемью вокруг, диаметром 4000–4600 km каждый. Они упакованы так плотно, что спиральные рукава соприкасаются. На юге центральный вихрь окружён пятью диаметром 5600–7000 km. Каждый закрыл бы большую страну, а ветер достигает примерно 350 km/h.

Рисунок сохраняется годами, хотя учёные ожидали перемещений, слияний и распада. В ноябре 2019 Juno увидела, как в южное кольцо вошёл шестой, меньший циклон размером примерно с Texas. Пятиугольник стал шестиугольником, позднее снова осталось пять. В 2019 или 2020 году шестой циклон доступен как находка.

Полярная область показана в инфракрасном свете примерно 5 микрон, как её видит JIRAM. Толстые облака тёмные, тонкие светятся из-за выходящего глубокого тепла. Яркостная температура меняется от примерно 190 K (−83 °C) в высоких холодных облаках до 260 K (−13 °C) там, где обзор глубже. «Инфракрасный вид (5 µm)» доступен в любой точке.

Молнии, неглубокие разряды и «мягкий град»

Voyager 1 увидел молнии на ночной стороне в 1979 году. Долгое время их радиосигналы казались необычными, пока Juno не зарегистрировала разряды на 600 MHz, подобные земному радиотреску молний. За первые восемь витков было 377 вспышек, преимущественно у полюсов, чаще на севере и ни одной около экватора. На Земле наоборот: больше молний в тропиках, где солнце греет почву. Бури Юпитера питаются внутренним теплом, которое, по-видимому, легче выходит возле полюсов.

Есть и другой тип: маленькие вспышки высоко, примерно на 25 km над водяными облаками, при температуре ниже −88 °C. Жидкая вода там существовать не должна. Но аммиак действует как антифриз и превращает поднятые бурей льдинки в водно-аммиачные капли. Столкновения капель и льда разделяют заряды, создавая неглубокие разряды в облаках, которых на Земле нет.

Те же бури, вероятно, создают необычный град. Водно-аммиачные полузамёрзшие шары с ледяной коркой растут, двигаясь вверх и вниз, затем падают глубоко и уносят аммиак. Так можно объяснить его неожиданно малое количество вверху по данным радиометра. В модели град падает зёрнами под башнями; спуститесь под одну в грозовой области, чтобы найти его.

Намного выше ультрафиолетовый спектрограф Juno поймал 11 ярких вспышек длиной несколько тысячных секунды, около 260 km над уровнем 1 bar. Они похожи на спрайты и эльфы, возникающие на Земле от сильных молний далеко внизу. В азотном земном воздухе спрайты красные, а в водороде Юпитера, вероятно, синие или розовые. Ночью они иногда появляются над грозовой областью.

Сама область модельная: высокие башни на 47° N вспыхивают ночью и в сумерках. Реальные грозы могут быть шириной в тысячи километров, а облака поднимаются над основным слоем. Здесь размеры выбраны для видимости, а не по измерениям.

Спуск: что измерил Galileo

7 декабря 1995 года зонд, отделённый от Galileo пятью месяцами раньше, вошёл в атмосферу на 6,5° N и 4,4° W со скоростью 47,6 km/s. Ударная волна светилась ярче поверхности Солнца. Примерно через две минуты после торможения теплозащитой раскрылся парашют. NASA указывает 58 минут полезных данных до обрыва связи; диаметр зонда 1,27 m, масса при запуске 339 kg.

Прибор Atmospheric Structure Instrument измерял давление и температуру весь спуск. Ниже примерно 160 km над уровнем 1 bar табло берёт значения из его данных в NASA Planetary Data System, а не из модели. Несколько значений:

Холоднее всего вверху, около 0,2 bar: примерно 110 K (−163 °C). Ниже воздух теплеет примерно на 2 °C за километр, почти как газ при сжатии без теплообмена. При 5 bar, на 54 km ниже отсчёта, температура проходит точку замерзания. Последние данные: 22 bar, 428 K, то есть 155 °C, на глубине 132 km. Кнопка спуска с Galileo в панели «Внутри» повторяет его в шестьдесят раз быстрее, по минуте за секунду; рядом висит зонд под парашютом.

Три слоя облаков и пропущенный зондом слой

Стандартная модель по температурам конденсации предсказывает три главных слоя. Верхний, около 0,5–0,7 bar, состоит из аммиачного льда, белых облаков, видимых с Земли. Средний, около 1,5–2,2 bar, содержит гидросульфид аммония, соединение аммиака и сероводорода, светло-коричневого и бурого цвета. Самый глубокий, около 5–7 bar, водяной: лёд вверху, капли ниже, источник сильных гроз. По данным зонда о высоте и давлении он должен лежать на 54–69 km ниже 1 bar.

При спуске в области «Под облаками» вокруг появляются три модельных слоя. Каждый ненадолго закрывает обзор белой пеленой. Табло называет текущий слой.

Зонд не увидел такой аккуратной стопки. Нефелометр обнаружил лишь тонкую нижнюю кромку аммиачных облаков при 0,46–0,55 bar, умеренный слой при 0,76–1,34 bar, подходящий для гидросульфида аммония, и никаких толстых водяных облаков. Масс-спектрометр тоже нашёл гораздо меньше воды. Земные наблюдения показали причину: вход пришёлся на 5-микронное горячее пятно у края Северного экваториального пояса, примерно на 900 km внутри его южной границы. Это одни из самых ясных и сухих мест Юпитера. Результат хорошо описывает такие пятна, но хуже всю планету; карточка объясняет этот сухой участок.

Как Juno видит под облаками

Камеры видят только вершины. Микроволновый радиометр использует то, что длинные волны приходят глубже: шесть каналов исследуют атмосферу от облаков до сотен километров вниз. Первые пролёты, опубликованные в 2017 году, показали неравномерность аммиака: богатый им восходящий поток на экваторе и более сухой воздух во многих местах, далеко ниже облаков. Поиск недостающего аммиака привёл к идеям мягкого града и неглубоких молний.

Гравитационный эксперимент по радиосвязи с Землёй отслеживает крошечные изменения скорости аппарата. Так определили глубину струй, неглубокое основание пятна и размытое ядро. Магнитометр нашёл возле экватора сильную изолированную область поля, названную Большим синим пятном. Глубокие ветры медленно тянут её на восток и запад. На облачных снимках её не видно, здесь она представлена только карточкой.

Твёрдой поверхности нет

Спуск останавливается на 132 km ниже 1 bar, где заканчиваются данные Galileo. Это лишь около 0,2 процента пути к центру. Твёрдый грунт ниже не ждёт: газ горячее и плотнее, а через тысячи километров водород сжат настолько, что проводит ток как металл. Гравитационные измерения лучше всего согласуются с «размытым» ядром, где тяжёлые элементы распределены по большой части внутренности, а не собраны в маленький каменный шар. Глубины слоёв модельные, не измеренные напрямую; панель «Внутри» показывает их вдоль радиуса с этим предупреждением.

Планета, на которую нельзя сесть, потому что негде встать, часто становится первой найденной карточкой «На самом деле…».

Из чего состоит воздух

Galileo непосредственно отбирал газ. Гелиевый эксперимент дал 13,6 процента частиц гелия; почти всё остальное водород. Масс-спектрометр измерил метан, аммиак, сероводород и воду, а некоторые благородные газы оказались обогащены сильнее ожидаемого. Цветные облака создаёт малая примесь: аммиак, гидросульфид аммония и вода вместе дают намного меньше одного процента газа.

Юпитер выделяет собственное тепло

Юпитер в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, и получает примерно 50 W на квадратный метр против 1361 у Земли. Тем не менее он теплее, чем можно объяснить только солнцем. Опубликованные в 2018 году измерения Cassini показали отражение примерно половины солнечного света и около 7,5 W внутреннего тепла на квадратный метр. Всего планета излучает примерно в 2,2 раза больше энергии, чем поглощает от Солнца. Остаточное тепло формирования и медленного сжатия питает бури и отчасти объясняет высокоширотные молнии. Инфракрасный вид показывает выход тепла.

Сияние и след Io

У Юпитера самое яркое полярное сияние в Солнечной системе. Как на Земле, заряженные частицы идут по магнитному полю в верхнюю атмосферу у магнитных полюсов. Снимки Hubble в ультрафиолете показывают более чем тысячекратную земную яркость. Основной свет в невидимом ультрафиолете и инфракрасном диапазоне, поэтому занавеси здесь условно окрашены. Juno картировала основные овалы и следы Io, Europa и Ganymede: яркие точки, где связывающий спутник с планетой ток достигает атмосферы. Хвост следа Io сохраняется около трёх часов после перемещения магнитной связи.

Сияние расположено на модельной высоте в несколько сотен километров над облаками, в нескольких градусах от полюса. Включите его ночью над северным полюсом, чтобы найти след Io.

Небо с вершин облаков

Четыре больших спутника в вечернем небе над экватором показаны в верном масштабе. Io диаметром 3643 km, в 421 800 km от центра, виден под углом 0,60°, немного больше земной Луны с её 0,52°. Ganymede, крупнейший спутник системы, имеет диаметр 5262 km, но удалён на 1 070 400 km и кажется не больше Europa: оба около 0,30°. Внешний Callisto занимает 0,15°. Поэтому у задания о самом большом на небе такой ответ.

Есть и малые спутники. Красноватая картофелина Amalthea длиной около 250 km летает всего в 181 400 km от центра и видна красной точкой. Главное тусклое кольцо лежит на 123 000–128 940 km, внутри слабее светится гало, снаружи идут тонкие кольца. Над экватором плоскость колец проходит через зенит, рисуя бледную линию над головой.

Солнце маленькое и тусклое: около 0,10°, пятая часть земного размера, с освещением примерно 1/27 земного. День длится 9 часов 55 минут. «Ход времени» прокручивает сутки за минуту. Земля видна сине-белой точкой. Из-за меньшей орбиты она не отходит от Солнца более чем на 11°, поэтому видна лишь сразу после заката или перед рассветом.

Когда Io проходит между Солнцем и Юпитером, по облакам движется чёрная тень примерно его ширины. Внутри наблюдалось бы полное солнечное затмение: Io примерно в шесть раз шире Солнца. Последний шаг экскурсии показывает тень с высоты 60 000 km.

Вы на Юпитере

Масса Юпитера в 318 раз больше земной, но вес не вырос бы в 318 раз. На облаках расстояние до центра тоже в 11 раз больше, а притяжение слабеет с квадратом расстояния. NASA даёт для уровня 1 bar ускорение 23,12 m/s² на экваторе, где вращение немного отбрасывает наружу, и 27,01 m/s² на полюсах против 9,82 m/s² на Земле. Весы с земными 60 kg показали бы примерно 141 kg на экваторе и 165 kg на полюсах.

Панель «Вы» считает для вашего веса, роста и текущей широты. Дата рождения позволяет узнать возраст в юпитерианских годах, прожитые местные дни и следующий день рождения: год равен 11,86 земного. Длина пятна выбранного года также измеряется людьми вашего роста, лежащими цепочкой. Ничего из введённого не покидает браузер.

Juno

Станция NASA Juno прибыла 4 июля 2016 года и с тех пор летает по длинным петлям через полюса. Ближе всего она проходит примерно в 4200 km над облаками на большой скорости, затем вновь удаляется. Три солнечные панели вытянуты примерно на 20 m от корпуса. Радиометр, гравитационный эксперимент, JIRAM, ультрафиолетовый спектрограф и JunoCam дали значительную часть материалов выставки. Здесь станция каждые две минуты пересекает область струи примерно на 4200 km; поднимитесь и найдите движущийся отблеск.

Как устроена модель и чем она отличается от Юпитера

Планета рисуется вокруг вас. Сетка с кривизной Юпитера, подробная вблизи и грубая у горизонта, следует за точкой под вами. Планета поворачивается внизу, оставляя вас в центре сцены. Так одна сцена показывает и весь диск со 150 000 km, и облачные валы в нескольких километрах. Цвета даёт карта, нарисованная видеокартой: полосы, струи, пятно нужного года, белые овалы, горячие пятна, полярные циклоны. Вблизи добавляются детали с освещением по местному времени.

Упрощения и условные элементы отмечены на табло или карточках.

• Профиль ветра сглаженно соединяет измеренные максимумы, а не представляет измерения каждой широты.
• Цвета, высоты облаков и отдельные формы модельные. Нижние слои следуют стандартной модели конденсации, давление и температура данным Galileo.
• Положения дрейфующих Oval BA, Жемчужной нити, White Spot Z, Clyde's Spot, горячих пятен и грозовых башен условны. Широты и даты наблюдений реальны.
• Юпитер нарисован сферой радиуса 71 492 km. Настоящий сплюснут, его полярный радиус 66 854 km.
• Сияние имеет условную окраску и модельную высоту.
• Небо с облаков никогда не фотографировали; синий верх и бежевая дымка горизонта оценочные.
• Человек и площадка нужны только для масштаба. Мало кислорода, сильная радиация, холод вверху и жара внизу делают всю атмосферу смертельной.