Космический телескоп «Хаббл» и наземная обсерватория Джемини на Гавайях объединили свои силы с космическим аппаратом «Юнона», чтобы исследовать самые мощные ураганы Солнечной системы. А возникают они на расстоянии более чем 800 миллионов километров на газовом гиганте Юпитере.
Команда исследователей во главе с Майклом Вонгом из Калифорнийского университета в Беркли, и включающая в себя Эми Саймон из Центра космических полетов имени Годдарда и Имке де Патер также из Калифорнийского университета, объединила наблюдения «Хаббла» и Джемини в многоволновом диапазоне с данными, полученными крупным планом с орбиты Юпитера с помощью «Юноны». В результате этого было получено новое понимание бурной погоды на этой далёкой планете.
«Мы хотим знать то, как ведёт себя атмосфера Юпитера. Это именно та работа, где совместные усилия космических аппаратов «Юнона» и «Хаббл» и наземной обсерватории Джемини играют важную роль».
И, на самом деле, у Юпитера есть что исследовать. Мощные радиовыбросы, постоянные гигантские ураганы, достигающие более 65 километров от подножия к вершине (это в пять раз больше типичных ураганов на Земле). Сюда же можно отнести и мощные молнии, энергия которых в три раза больше, чем самые мощные молнии, которые когда-либо возникали на Земле.
Эта диаграмма показывает интерпретацию наблюдения структур облаков Юпитера по данным от космического телескопа «Хаббл», межпланетной станции «Юнона» и наземной обсерватории Джемини. Объединив всю информацию, учёные в состоянии видеть, что вспышки молний сгруппированы в активных регионах, в которых присутствуют глубокие облака и где влажный воздух поднимается вверх, чтобы сформировать высокие конвективные башни, подобные дождевым облакам на Земле. Внизу показаны иллюстрации молний, конвективных башен, глубоких облаков и просветов в разрезе по данным трёх обсерваторий. Комбинация этих наблюдений может использоваться для того, чтобы нанести на карту структуру облаков в трёх измерениях и вывести детали циркуляции атмосферных потоков. Плотные, высокие облака формируются в областях с влажным воздухом (активная конвекция). Просветы образуются в местах, где более сухой воздух опускается в низкие слои атмосферы. Источник: NASA, ESA, M.H. Wong (UC Berkeley), A. James and M.W. Carruthers (STScI), and S. Brown (JPL)
Точно также как и всполохи молний на Земле, удары молний на Юпитере действуют в качестве радиопередатчиков, испуская радиоволны, а также видимый свет, когда они вспыхивают в небе.
Каждые 53 дня «Юнона» проходит на низкой орбите над юпитерианскими ураганами и ищет особые системы, которые называются атмосфериками и свистовыми волнами. Они могут использоваться для того, чтобы нанести на карту молнии даже на дневной стороне планеты или в глубоких облаках, где вспышки не будут видны.
Подстраиваясь под каждый проход «Юноны» по орбите, «Хаббл» и Джемини также изучают Юпитер, но уже издалека, предоставляя о планете глобальный вид высокого разрешения, который является ключевым для интерпретации наблюдений «Юноны» крупным планом.
«Прибор «Юноны», фиксирующий микроволновые волны, способен исследовать глубокую атмосферу планеты, выявляя высокочастотные радиоволны, которые могут проникнуть сквозь слои плотных облаков. Данные от «Хаббла» и обсерватории Джемини могут сказать нам, насколько толстый слой облаков находится под межпланетной станцией и как глубоко мы видим внутрь них».
Нанося на оптические изображения от «Хаббла» и инфракрасные тепловые изображения от Джемини карту вспышек молний, обнаруженных «Юноной», исследовательская группа была в состоянии показать, что эти вспышки связаны с тремя комбинациями структур облаков. К ним относят глубокие облака, составленные из воды, большие конвективные башни, созданные быстро поднимающимся влажным воздухом, и ясные регионы, по-видимому, образованные оседанием более сухого воздуха возле конвективных башен.
Данные «Хаббла» позволяют оценить высоту плотных облаков в конвективных башнях, а также глубину невидимых частей облаков. Данные обсерватории Джемини точно указывают на просветы в высотных облаках, благодаря чему появляется возможность получить представление о более низких слоях облаков.
Майкл Вонг предполагает, что молнии чаще всего возникают в особых областях, которые учёные называют как «скрученные нитевидные области». Это предполагает, что влажная конвекция происходит именно в них.
“Эти циклонические вихри могли быть основными генераторами внутренней энергии, помогая ей высвобождаться посредством конвекции. Конечно, этого не происходит везде, но что-то в этих циклонах облегчает конвекцию”.
Открывшаяся возможность выявлять корреляцию между молниями и облаками в недрах Юпитера также даёт исследователям новый инструмент для оценки количества воды в атмосфере Юпитера. Эта оценка важна для понимания того, как Юпитер и другие планеты-гиганты создавались из газа и льда, а это, в свою очередь, позволяет в целом оценить то, как формировалась сама Солнечная система.
Ясно, что по результатам предыдущих космических миссии уже собрано множество данных о Юпитере, но есть и такие, которые до сих пор остаются тайной. К ним можно отнести оценку количества воды в глубокой атмосфере, определение движения тепловых потоков, а также понимание процессов, которые формируют определённые цвета и узоры в облаках. Объединенный итоговый результат будет обеспечивать понимание динамики и пространственной структуры атмосферы.
Наблюдения за Большим Красным Пятном
Благодаря работе телескопа «Хаббл» и обсерватории Джемини, наблюдения Юпитера с помощью «Юноны» также позволили учёным изучить краткосрочные изменения и короткопериодические особенности в Большом Красном Пятне.
Данные, полученные по изображениям от «Юноны», а также от предыдущих миссий к Юпитеру показали странные тёмные особенности в Большом Красном Пятне, которые со временем появляются, исчезают и изменяют форму. По отдельным изображениям было совершенно неясно, вызваны ли они присутствием некоего неизвестного тёмного вещества в высоких слоях облачного покрова, или это просто какие-то отверстия – окна в более глубокий, более тёмный слой облаков.
Теперь же, благодаря появившейся возможности сравнения изображений в видимом свете от «Хаббла» с тепловыми инфракрасными данными от обсерватории Джемини у учёных появилась возможность ответить на этот вопрос. Наблюдения этих обсерваторий за Юпитером проводились с разницей всего в несколько часов между собой. Оказалось, что области, которые выглядят тёмными в видимом свете, очень ярки в инфракрасном. Это указывается на то, что они на самом деле являются отверстиями в исследуемом слое облаков. Эту версию подтверждает тот факт, что области Юпитера без верхнего слоя облаков, испуская инфракрасное излучение в виде тепловой энергии, по данными Джемини также очень сильно светятся. Этого не происходит в областях с облаками, так как они просто не пропускают инфракрасное излучение.
«Это можно сравнить с нашими поделками из тыквы и фонаря. Мы видим, что яркий инфракрасный свет исходит из областей без облаков, но там, где есть облака, эти области свободны от инфракрасного излучения».
«Хаббл» и Джемини как синоптики юпитерианской погоды
Регулярная работа обсерваторий «Хаббл» и Джемини в поддержку миссии «Юноны» оказывается ценной в исследованиях многих других погодных явлений. К таким исследованиям можно отнести оценку изменений в циркуляции ветра, особенностей атмосферных волн и движения различных газов в атмосфере.
Представленные здесь изображения Большого Красного Пятна Юпитера были созданы по данным от космического телескопа «Хаббл» и наземной обсерватории Джемини 1 апреля 2018. Объединяя результаты, астрономы смогли понять, что тёмные особенности в БКП являются отверстиями в облаках, а не вкраплениями тёмного вещества. В верхнем левом углу (общий вид) и в нижнем левом углу (приближение) показано: данные от «Хаббла» в видимом свете об облаках в атмосфере Юпитера. Показаны тёмные особенности в БКП. Верхний правый угол: тепловое инфракрасное изображение этой же области от обсерватории Джемини. Показано тепло, выделяемое в качестве инфракрасной энергии. Более холодные облака показаны как тёмные области. Ниже в середине показано ультрафиолетовое изображение «Хаббла», солнечный свет рассеивается от газов в БКП. Само это пятно в видимом диапазоне выглядит красным, потому что его газы поглощают синие волны. Данные «Хаббла» показывают, что эта газовая дымка продолжает поглощение света даже на более коротких ультрафиолетовых волнах. В нижнем правом углу показано объединение данных «Хаббла» и Джемини в видимом диапазоне (синий цвет) и инфракрасном. Эти наблюдения показывают, что области, яркие в инфракрасном спектре, являются просветами в облаках, то есть местами, в которых хуже блокируется тепловое излучение. Источник: NASA, ESA, and M.H. Wong (UC Berkeley) and team
Эти две обсерватории могут контролировать планету сразу целиком, создавая карты различных данных в нескольких спектрах практически в реальном времени в нескольких длинах волн. Точно таким же образом действуют и метеорологические спутники на орбите Земли, предоставляя общую информацию для узкоспециализированных аппаратов.
«Поскольку теперь мы постоянно получаем эти данные, причём в высоком разрешении и в нескольких диапазонах, мы узнаём настолько больше о погоде Юпитера, как не узнавали о ней никогда раньше. Фактически, сейчас мы имеем эквивалент метеорологического спутника на орбите Юпитера, и мы можем, наконец, начать смотреть на погодные циклы».
Поскольку наблюдения «Хаббла» и Джемини очень важны для интерпретации данных «Юноны», Вонг и его коллеги Саймон и де Пате сделали все обработанные данные доступными для других исследователей через архивы (MAST)!!! в Институте исследования космоса с помощью космического телескопа в Балтиморе.
Результаты работы были изданы в апреле 2020 года в The Astrophysical Journal Supplement Series.
По информации НАСА.
Источник: