Атмосферные вихри Юпитера создали неравномерное распределение воды

Юпитер — первая планета, сформировавшаяся в Солнечной системе. Его гигантская гравитация значительно повлияла на орбиты Земли и других планет.

Понимание того, сколько на Юпитере воды и где ее искать, дает ключ к разгадке происхождения воды на нашей планете — до сих пор открытому вопросу в планетологии. Предыдущие миссии, такие как Galileo в 90-х годах, обнаружили воду в районе экватора Юпитера, но оставалось неясным, можно ли считать эти данные показательными для всей планеты.

Внешний вид Юпитера с его закрученными полосами и гигантскими вихрями — результат сложной динамики атмосферы. Эта красота создает серьезные трудности для измерения химического состава на глубине. Космический аппарат NASA Juno, который сейчас работает на орбите газового гиганта, призван в том числе определить общее количество воды. Новая научная работа помогает понять, в каких именно областях следует проводить измерения, чтобы получить наиболее точные результаты. Подобные сложности могут возникнуть и при изучении ледяных гигантов, Урана и Нептуна, где конденсируются другие вещества, например метан.

Чтобы разобраться в процессах распределения воды, специалисты из Калифорнийского технологического института (США) создали новую модель гидрологического цикла Юпитера. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые использовали компьютерную симуляцию высокого разрешения, которая воспроизводила условия в средних широтах газового гиганта. Модель охватывала область атмосферы размером 45 000 километров в ширину и 60 000 километров в длину, простираясь от глубин с давлением 87 бар до верхних слоев с давлением 0,002 бара.

Учитывала модель и ключевые особенности Юпитера. Во-первых, его быстрое вращение — сутки на этой планете длятся всего 10 земных часов. Во-вторых, сам гидрологический цикл: как водяной пар конденсируется, образуя облака, выпадает в виде осадков и затем снова испаряется на глубине. Исходно в настройках задали, что глубоко в атмосфере вода распределена равномерно и ее количество в три раза превышает солнечное содержание кислорода.

Симуляция показала, что турбулентные потоки и дожди создают сложную трехмерную структуру распределения влаги. Выпадающие осадки уносят воду глубоко под видимый слой облаков, осушая верхние слои и делая нижнюю атмосферу более влажной на глубине десятков километров. Этот процесс сам по себе создает вертикальную неоднородность. Затем в дело вступают крупномасштабные вихри и волны, которые перемешивают воздушные массы в горизонтальном направлении, но не случайным образом.

На движение воздушных потоков сильно влияет вращение планеты. Динамику этих процессов описывает физическая величина, известная как потенциальная завихренность. Модель показала, что именно она управляет перемешиванием воды по широтам. В результате на уровне давления в семь бар содержание воды может различаться более чем в 10 раз. В одних областях ее концентрация оказывается ниже солнечной, а в других — заметно выше. Этот механизм объясняет, почему локальные измерения не могут дать представление о запасах воды на всей планете.

Исследование прояснило, почему вода на Юпитере распределена столь неоднородно. Это результат сложного взаимодействия между осадками, создающими вертикальное разделение, и мощными атмосферными вихрями, которые перемешивают влагу по широте. 

Модель предполагает, что для точного измерения общего количества воды зондам необходимо опускаться на глубину, где испаряются все выпадающие осадки. Эти выводы помогут в интерпретации данных миссии Juno и планировании будущих аппаратов для изучения других газовых гигантов Солнечной системы.

Илья Гриднев

102 статей

Автор материалов на стыке разных областей знания — от археологии и палеонтологии до физики и технологий. Интересуется тем, как работает мир, и рассказывает об этом понятно и увлекательно.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram