Юпитер атмосферное давление. Атмосфера и внутреннее строение Юпитера. Магнитное поле и кольца на Юпитере. Элементы орбиты и особенности движения
Изучение Юпитера
© Владимир Каланов,
сайт
"Знания-сила".
Атмосфера Юпитера
БКП и белый овал
Экваториальная зона
Атмосфера Юпитера состоит в основном из молекулярного водорода (76,1 % по массе) и гелия (23,8% по массе). В незначительном количестве присутствуют метан (0,21%), аммиак, инертные газы, а также кристаллики водяного льда. На поверхности Юпитера постоянно дуют сильные ветры. На Земле ветры со скоростью 150 м/с мы назвали бы ураганными, а для Юпитера такие ветры – нормальное явление. Установлено, что в северной полусфере Юпитера потоки атмосферного ветра достигают 600 км/ч (это 166 м/с ).
Чёткой границы между поверхностью и атмосферой на Юпитере, как и на других газообразных планетах, не существует. Для определения такой границы астрономы ввели понятие условной «нулевой высоты», на которой происходит смена градиента температуры на обратный, т.е. начинается обратный отсчет температуры. Для точного определения нулевой высоты на Юпитере его атмосфера ещё недостаточно изучена. За верхнюю границу атмосферы планеты взят уровень давления в 1 нбар. При измерении физических свойств атмосферы зондом Галилео использовалась точка отсчёта с давлением в 1 атмосферу.
По данным зонда Галилео скорость ветра сначала растёт с глубиной, а потом становится постоянной. На уровне давления 0,5 атм. скорость ветра составила 90 м/сек , достигла 170 м/сек на уровне 4 атм. и далее почти не менялась.
Скорость / направление зональных ветров на Юпитере в зависимости от широты
В экваториальной области Юпитера ветры дуют в прямом направлении, т.е. в направлении вращения планеты, со скоростью ок. 70-140 м/сек . Но уже на 15-18 градусах северной и южной широт направление потоков газа меняется на обратное, где достигает скорости 50-60 м/сек . В дальнейшем атмосферные течения прямого и обратного направления несколько раз сменяют друг друга, а скорость ветра в них уменьшается с увеличением широты. В приполярных широтах зональная скорость ветра близка к нулю.
Установлено, что в атмосфере Юпитера присутствуют три слоя облаков. Наверху расположены облака́ из оледеневшего аммиака, ниже – кристаллы сероводорода аммония и метана, а в самом нижнем слое – водяной лёд и, возможно, жидкая вода.
Атмосфера Юпитера отличается высокой электрической активностью. Грозы там гремят непрерывно. Молнии достигают длины 1000 км и даже больше. В атмосфере Земли молнии длиной 50 км являются большой редкостью.
Вспышки молний в атмосфере Юпитера. Снимок ночной стороны планеты.
По современным представлениям, наружный слой Юпитера толщиной в 0,15 радиуса планеты, т.е. около 10000 км состоит из газа (смесь водорода и гелия). За этим
слоем находится слой жидкого молекулярного водорода (смесь жидкого водорода и гелия). Толщина этого слоя составляет около 0,75 радиуса планеты, т.е. около 54
тысяч км. температура жидкого водорода в этом слое достигает 2000°С. Далее, на глубине до 0,9 радиуса планеты (около 65 тысяч км
) водород находится в твёрдом
металлическом состоянии с плотностью 11 (г/см³)
и температурой 20000°С. Давление в этой зоне достигает 5 миллионов земных атмосфер.
Ядро Юпитера представляет собой твёрдое образование из железосиликатных и каменистых пород. Радиус ядра может составлять от 0,1 до 0,15 радиуса планеты, а его масса составляет около 4% общей массы Юпитера.
Под металлическим водородом понимается такое его агрегатное состояние, когда под давлением в несколько миллионов земных атмосфер электроны атомов водорода теряют связь с протонами и свободно перемещаются внутри окружающего вещества. Подобным образом ведут себя электроны в металлах.
Находясь на огромном расстоянии от Солнца, Юпитер получает в 27 раз меньше солнечного тепла, чем Земля. Измерения, выполненные с Земли и автоматическими зондами, показали, что энергия инфракрасного излучения Юпитера примерно в 1,5 раза превышает тепловую энергию, получаемую планетой от далёкого Солнца. Значит, Юпитер имеет внутренние запасы тепла. Считается, что эти запасы тепловой энергии являются остаточными с момента образования планеты. Гадать о том, каких значений может достигать температура в недрах Юпитера, не имеет смысла, хотя некоторые авторы и называют возможный уровень от 23000°C до 100000°C.
Поверхность Юпитера прогревается слабо из-за низкой теплопроводности веществ, составляющих внутренние слои планеты. Поэтому на поверхности Юпитера царит ужасный холод – до минус 150°C. В то же время действие внутреннего источника тепла на Юпитере проявляется в том, что в его атмосфере постоянно бушуют циклоны и антициклоны, беспрерывно дуют сильные ветры то с запада на восток, то с востока на запад. Для подобных проявлений атмосферной активности тепловой энергии, получаемой Юпитером от Солнца, было бы совершенно недостаточно. Это подтверждается метеорологическими расчётами.
Магнитное поле Юпитера
До 1979 года учёные не имели никаких данных о наличии или отсутствии магнитного поля у Юпитера. Из научной информации, полученной в марте 1979 года от автоматической межпланетной станции «Вояджер-1» , а позднее и от АМС «Одиссей» , стало ясно, что Юпитер обладает сильнейшим магнитным полем. По некоторым оценкам, напряженность магнитного поля на Юпитере почти в 50 раз выше, чем на Земле. Магнитная ось наклонена на 10,2 ± 0,6° по отношению к оси вращения Юпитера. Магнитные полюса́ Юпитера инвертированы по отношению к полюсам планеты. Поэтому стрелка ко́мпаса на Юпитере своим северным концом показала бы на юг. Предполагается, что магнитное поле на Юпитере генерирует хорошо проводящий электрический ток металлический водород вследствие быстрого вращения планеты.
Смелость такого предположения заключается в том, что на Земле никто и никогда не видел металлический водород и, соответственно, никто не изучал свойства этого, в общем-то гипотетического, вещества. Но в данном случае фантазия учёных совпадает с реальностью: ведь магнитное поле Юпитера существует реально.
Магнитное поле Юпитера простирается на огромное расстояние от планеты, не менее ста юпитерианских радиусов, т.е. достигает Сатурна. Если бы магнитосферу Юпитера можно было видеть с поверхности Земли, то её угловые размеры превышали бы размеры полной Луны, видимой с Земли.
Магнитное поле Юпитера создаёт вокруг планеты мощные радиационные пояса, т.е. области, заполненные заряженными частицами. Радиационные пояса Юпитера по интенсивности излучения в 40 тысяч раз превышают радиационные пояса Земли.
Модель магнитосферы Юпитера
Наличие в магнитосфере Юпитера заря́женных частиц служит причиной полярных сияний, которые возникают в атмосфере высоких широт обоих полушарий планеты. Полярные сияния на Юпитере очень интенсивны, их можно наблюдать даже с Земли.
В то же время вокруг Юпитера установлено наличие плазменного кольца, т.е. зоны, где заря́женные частицы отсутствуют. Существование плазмы объясняется возможной ионизацией под действием солнечной радиации выбросов вулканов, действующих на спутнике Ио.
Ко́льца Юпитера
В 1979 году зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» открыли ко́льца, окружающие Юпитер. Система этих колец состоит из двух наружных и одного внутреннего. Ко́льца расположены в экваториальной плоскости Юпитера и находятся на расстоянии 55000 км от верхнего слоя атмосферы. Ко́льца представляют собой мелкие каменистые фрагменты, пыль и кусочки льда, вращающиеся вокруг планеты. Отражающая способность основной массы вещества колец низкая, поэтому заметить ко́льца с Земли чрезвычайно трудно. В этом состоит отличие колец Юпитера от колец другого газообразного гиганта – Сатурна, которые хорошо отражают солнечный свет и доступны наблюдению. Самая яркая и заметная часть юпитерианских колец составляет около 6400 км в ширину (точнее – в глубину) и до 30 км в толщину. С точки зрения небесной механики кольца Юпитера – это сотни тысяч мелких и мельчайших спутников, вращающихся вокруг этой планеты. Но астрономическая наука, конечно, не рассматривает в качестве спутников каменную мелочь, кусочки льда и прочий космический мусор, вращающийся вокруг каждой планеты.
© Владимир Каланов,
"Знания-сила"
Уважаемые посетители!
У вас отключена работа JavaScript . Включите пожалуйста скрипты в браузере, и вам откроется полный функционал сайта!Атмосфера Юпитера характерна ветрами больших скоростей, дующих в пределах широких полос, параллельных экватору планеты, причем в смежных полосах на Юпитере ветра направлены в противоположные стороны. Ветры на Юпитере достигают скорости 500 км/ч. Атмосфера Юпитера создает гигантское давление, увеличивающееся при приближении к центру планеты. Наиболее удаленный от ядра слой состоит прежде всего из обычного молекулярного водорода и гелия, которые находятся в жидком состоянии внутри и постепенно переходят в газообразное снаружи. На Юпитере существуют полосы, ограниченные по широте, внутри которых дуют ветры с очень высокими скоростями, причем их направления противоположны в смежных полосах. Небольшой разницы в химическом составе и температуре между этими областями достаточно для того, чтобы они выглядели как цветные полосы. Светлые полосы называются зонами, темные - поясами. Атмосфера Юпитера высоко турбулентна. Яркие цвета, видимые в облаках Юпитера, являются результатом протекания различных химических реакций элементов, присутствующих в атмосфере, возможно, включая серу, наличие которой может давать широкий спектр цветов, но подробности пока не известны.
Спутники Юпитера
К началу третьего тысячелетия у Юпитера известно 28 спутников. Четыре из них отличаются большими размерами и массой. Они движутся почти по круговым орбитам в плоскости экватора планеты. 20 внешних спутников настолько далеки от планеты, что невидимы с ее поверхности невооруженным глазом, а Юпитер в небе самого дальнего из них выглядит меньше Луны. Ряд малых спутников движутся по почти одинаковым орбитам. Все они - остатки более крупных спутников Юпитера, разрушенных его тяготением. Внешние же спутники Юпитера вполне могли быть захвачены гравитационным полем планеты: все они обращаются вокруг Юпитера в обратную сторону.
Спутник Юпитера ио
Орбита = 422 000 км от Юпитера Диаметр = 3630 км Масса = 8.93*1022 кг
Ио - третий по величине и ближайший спутник Юпитера. Ио немного больше, чем Луна В отличие от большинства спутников во внешней солнечной системе Ио и Европа подобны по составу планетам земной группы, прежде всего наличием силикатных горных пород. Ио имеет железное ядро радиусом 900 км. Поверхность Ио радикально отличается от поверхности любого другого тела Солнечной системы. На Ио найдено очень мало кратеров, следовательно, его поверхность очень молода. Материал, прорывающийся из вулканов Ио, является некоторой разновидностью серы или двуокиси серы. Вулканические извержения быстро изменяются. Энергию для всей этой активности Ио, возможно, получает благодаря приливным взаимодействиям с Европой, Ганимедом и Юпитером. Ио пересекает линии магнитного поля Юпитера, генерируя электрический ток. Ио может иметь собственное магнитное поле, как Ганимед. На Ио очень разряженная атмосфера, состоящая из двуокиси серы и некоторых других газов. В отличие от других спутников Юпитера, на Ио очень мало или вообще нет воды. Ио имеет твердое металлическое ядро, окруженное каменной мантией, как у Земли. Форма Ио под влиянием Юпитера сильно искажается. Ио постоянно имеет овальную форму из-за вращения и приливного влияния Юпитера.
Пятой и самой большой планетой в солнечной системе, известной с древнейших времен, является Юпитер. Газовый гигант получил имя в честь древнеримского бога Юпитера, аналогичному Зевсу-громовержцу у греков. Юпитер находится за поясом астероидов и почти полностью состоит из газов, преимущественно – водорода и гелия. Масса Юпитера настолько огромна (М = 1,9∙1027 кг), что почти в 2,5 раза превышает массу всех вместе взятых планет солнечной системы. Вокруг оси, Юпитер вращается со скоростью 9 часов 55 минут, а орбитальная скорость равна 13 км/с. Сидерический период (период вращения по своей орбите) составляет 11,87 лет.
По степени освещенности, не считая Солнце, Юпитер уступает только Венере, поэтому является прекрасным объектом для наблюдений. Он светится белым светом с альбедо 0, 52. При хорошей погоде, даже в простейший телескоп, можно разглядеть не только саму планету, но и четыре крупнейших спутника.
Формирование Солнца и остальных планет началось миллиарды лет назад из общего газопылевого облака. Так вот Юпитеру досталось 2/3 массы от массы всех планет в солнечной системе. Но, так как планета легче самой маленькой звезды в 80 раз, термоядерные реакции так и не начались. Однако планета выделяет в 1,5 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Собственный источник тепла, связан в первую очередь с радиоактивными распадами энергии и вещества, которое высвобождается в процессе сжатия. Все дело в то, что Юпитер не твердое тело, а газообразная планета. Поэтому скорость вращения на разных широтах неодинакова. У полюсов, планета имеет сильное сжатие, из-за быстрого вращения вокруг оси. Скорость ветров превышает 600км/ч.
Современная наука полагает, что масса ядра Юпитера на данный момент составляет 10 масс Земли или 4% от общей массы планеты, а размер – 1,5 ее диаметра. Оно каменистое, со следами льда.
Состав атмосферы Юпитера на 89,8% состоит из водорода (H2) и на 10% из гелия (Не). Менее 1% составляют метан, аммоний, этан, вода и другие компоненты. Под этой короной, планеты-гиганта имеется 3 слоя облаков. Верхний слой – оледеневший аммиак с давлением около 1 атм., в среднем слое – кристаллы метана и аммония, а нижний слой состоит из водяного льда или мельчайших жидких капель воды. Оранжевый цвет атмосфере Юпитера придает соединение серы и фосфора. Оно содержит ацетилен и аммиак, поэтому такой состав атмосферы, губителен для людей.
Полосы, которые тянуться вдоль экватора Юпитера, известны всем уже давно. Но никто пока не мог толком объяснить их происхождение. Основной теорией, была теория конвекции – опускание более холодных газов к поверхности, и подъему более нагретых. Но в 2010 году, было выдвинуто предположение, о влиянии спутников (лун) Юпитера, на формирование полос. Якобы они, своим притяжением сформировали некие «столбы» веществ, которые тоже вращаются и просматриваются как полосы. Теория подтверждена в лабораторных условиях, экспериментальным путем и теперь представляется наиболее вероятно.
Пожалуй, самым загадочным и длительным наблюдением, описанным в характеристиках планеты, можно считать знаменитое Большое Красное Пятно на Юпитере. Его открыл Роберт Гук в 1664 году, следовательно, за ним наблюдают уже почти 350 лет. Это огромное образование, постоянно меняющееся в размерах. Скорее всего, это долгоживущий, гигантский атмосферный вихрь, его размеры 15х30 тыс. км, для сравнения – диаметр Земли составляет около 12,6 тыс. км.
Магнитное поле Юпитера
Магнитное поле Юпитера настолько огромно, что выходит даже за орбиту Сатурна и составляет около 650 000 000 км. Оно превышает земное почти в 12 раз, а наклон магнитной оси, составляет 11° относительно оси вращения. Металлический водород, присутствующий в недрах планеты и объясняет наличие столь мощного магнитного поля. Он является отличным проводником и, вращаясь с огромной скоростью, образует магнитные поля. На Юпитере, как и на Земле, тоже имеются 2 магнитных инвертированных полюса. Но стрелка компаса на газообразном гиганте всегда показывает на юг.
На сегодняшний день, в описании Юпитера можно встретить около 70 спутников, хотя предположительно их около сотни. Первые и самые большие спутники Юпитера – Ио, Европу, Ганимед и Каллисто – открыл Галилео Галилей еще в 1610 году.
Больше всего внимания ученых приковывает к себе спутник Европа. По возможности наличия существования жизни, он следует за спутником Сатурна – Энцелада и занимает второе место. Они полагают, что на нем может быть жизнь. Прежде всего, из-за наличия глубокого (до 90 км) подледного океана, объем которого превосходит даже земной океан!
Ганимед, просто самый большой спутник в солнечной системе. Пока, интерес к его строению и характеристикам, является минимальным.
Ио – вулканически активный спутник, большая часть его поверхности покрыта вулканами и залита лавой.
Предположительно, на спутнике Каллисто, тоже есть океан. Скорей всего он находится под поверхностью, о чем свидетельствует его магнитное поле.
Плотность галиеевых спутников, определятся их удаленностью от планеты. Например: плотность самого удаленно из крупных спутников – Каллисто p = 1,83 г/см³, далее по мере приближения, плотность возрастает: у Ганимеда p = 1,94 г/см³, у Европы p = 2,99 г/см³, у Ио p = 3,53 г/см³. Все большие спутники, всегда обращены к Юпитеру одной стороной и вращаются синхронно.
Остальные были открыты значительно позднее. Некоторые из них вращаются в обратную сторону, в сравнении с большинством и представляют собой некие тела-метеориты, различной формы.
Характеристики Юпитера
Масса: 1,9*1027 кг (в 318 раз больше массы Земли)
Диаметр на экваторе: 142984 км (в 11,3 раза больше диаметра Земли)
Диаметр на полюсе: 133708 км
Наклон оси: 3,1°
Плотность: 1,33 г/см3
Температура верхних слоев: около –160 °C
Период обращения вокруг оси (сутки): 9,93 ч
Расстояние от Солнца (среднее): 5,203 а. е. или 778 млн. км
Период обращения вокруг Солнца по орбите (год): 11,86 лет
Скорость вращения по орбите: 13,1 км/с
Эксцентриситет орбиты: e = 0,049
Наклон орбиты к эклиптике: i = 1°
Ускорение свободного падения: 24,8 м/c2
Спутники: есть 70шт
По своему составу атмосфера Юпитера близка к Солнцу, планету еще называют «несостоявшейся звездой», но её масса слишком мала для возникновения термоядерных реакций, обеспечивающих энергию светил.
Большая часть объема – 89% – приходится на водород, гелий составляет 10%, а последний процент поделили между собой водяной пар, метан, ацетилен, аммиак, сероводород и фосфор. Планета состоит из тех веществ, что и ее газовая оболочка – здесь не существует четкого разграничения поверхности и атмосферы. На определенном уровне, под действием колоссального давления, водород переходит в жидкое состояние и образует глобальный океан. При наблюдениях с Земли мы обозреваем только верхний слой атмосферы. Оранжевый оттенок ей придают соединения серы и фосфора. Вариации в насыщенности цвета облаков подтверждают различия в составе атмосферы.
Слои атмосферы
Разбивка атмосферных слоев происходит по показателям температуры и давления. На уровне поверхности, где давление равняется 1 бар, находится тропосфера. Именно здесь движущиеся потоки воздуха образуют зоны и пояса, температура держится на уровне -110 градусов по Цельсию.
С продвижением вверх, температурные показатели увеличиваются и в термосфере достигают 725 градусов, а давление падает. В этой зоне возникает яркое полярное сияние, заметное с Земли.
Циркуляция воздушных масс
Движение атмосферы Юпитера определяется двумя факторами: высокой скоростью вращения вокруг оси, которая составляет 10 часов, и восходящими потоками, возникающими при отдаче внутреннего тепла. Чередующиеся полосы зон и поясов выстраиваются параллельно экватору. Местные ветра изменяют скорость и направление с увеличением широты. На экваторе воздушные массы движутся со скоростью до 140 м/с и совершают суточный оборот на 5 минут быстрее, чем умеренные области. У полюсов ветра стихают.
Зоны возникают благодаря восходящим потокам. Здесь наблюдается увеличение давления, а светлую окраску облакам придают застывшие кристаллы аммиака. Температурные показания зон – ниже, а видимая поверхность – выше, чем у поясов, которые представляют собой нисходящие потоки. Темный цвет нижнего слоя облаков формируют коричневые кристаллы гидросульфида аммония. Движение во всех полосах устойчиво и не меняет свое направление. При соприкосновении зон и поясов возникает сильная турбулентность, рождающая мощные вихри.
Большое Красное Пятно (БКП)
На протяжении 300 лет астрономы наблюдают уникальное явление – ураган, превосходящий по размеру Землю. Окраинные зоны Большого Красного Пятна создают хаотичное завихрение облаков, но ближе к центру движение замедляется. Температура образования ниже, чем у других областей. Оно движется со скоростью 360 км/ч против часовой стрелки, полный оборот вокруг планеты совершает за 6 суток. За столетие границы антициклона уменьшились вдвое. Замечено БКП было в 1665 году Дж. Кассини, но момент его возникновения не установлен, так что возраст урагана может быть больше, чем принято считать.
Исследования
Первым аппаратом, который посетил Юпитер, стал «Пионер-10» в 1971 году. Он передал снимки планеты и спутников, измерил показатели магнитного поля. Аппаратура зонда обнаружила значительное излучение внутреннего тепла Юпитера. Полет «Вояджера — 1» дал несколько тысяч качественных снимков газового гиганта, сведения о верхних областях атмосферы.
Наибольший вклад в изучение Юпитера внесла миссия «Галилео», продолжавшаяся 8 лет. Спуск аппарата предоставил сведения о внутренних слоях атмосферы. Были найдены «сухие» области, где содержание воды меньше обычного в 100 раз, «горячие пятна», образованные тонким участком облаков, проведен анализ химических составляющих. Лучшие снимки планеты выполнил «Кассини», благодаря им составлена подробная карта.
Факты и тайны
Наблюдения за Юпитером ведутся с древних времен, но он по-прежнему полон загадок. Самая значительная по размерам планета Солнечной системы не зря получила имя верховного бога Рима. Ее масса в 2 раза больше, чем всех остальных планет, сложенных вместе. Газовый гигант вращается вокруг оси быстрее всех, имеет самое мощное магнитное поле, его грандиозный ураган БКП наблюдается с Земли, а молнии могут достигать 1000 км. Цвет и природа длительного антициклона не имеют объяснения, как и многие факты, известные о Юпитере.
Одной из постоянных тем дискуссий является возможность появления жизни в атмосфере планеты. Мощнейшие электрические разряды и умеренные температурные показатели могут способствовать формированию сложных органических соединений под плотным слоем облаков, но жидкое состояние поверхности и минимальное содержание воды исключают наличие известных жизненных форм.
В отличие от Земли, атмосфера Юпитера не имеет мезосферы. На Юпитере нет твёрдой поверхности, и самый нижний уровень атмосферы - тропосфера - плавно переходит в водородный океан мантии. Чётких границ между жидкостью и газом не наблюдается, потому что температура и давление на этом уровне много выше критических точек для водорода и гелия. Водород становится сверхкритической жидкостью примерно при давлении в 12 бар.
Тропосфера - включает в себя сложную систему из облаков и туманов, со слоями аммиака, гидросульфида аммония и воды. Верхние аммиачные облака,
наблюдаемые на «поверхности» Юпитера, организованы в многочисленные полосы, параллельные экватору, и ограниченные сильными зональными атмосферными потоками (ветрами),
известными как «струи». Полосы имеют различную окраску: более тёмные полосы принято называть «поясами», а светлые - «зонами». Зоны - это области восходящих потоков, имеющих меньшую
температуру нежели пояса - области нисходящих потоков.
Происхождение структуры из полос и струй достоверно неизвестно, предложено две модели этой структуры. В поверхностной модели предполагается,
что это поверхностные явления над стабильными внутренними областями. В глубинной модели предполагается, что полосы и струи - поверхностные проявления глубинной циркуляции,
протекающей в юпитерианской мантии, которая состоит из молекулярного водорода и организована в виде системы цилиндров.
|
Первые попытки объяснить динамику атмосферы Юпитера относятся к 1960-м годам. Частично они основывались на земной метеорологии, хорошо разработанной
к тому времени. Предполагалось, что атмосферные потоки на Юпитере возникают из-за турбулентности, которую в свою очередь поддерживает влажная конвекция во внешнем слое атмосферы
(выше облаков). Влажная конвекция - явление, связанное с конденсацией и испарением воды, это одно из основных явлений, влияющих на формирование земной погоды. Появление потоков
в этой модели связано с широко известным свойством двумерной турбулентности - так называемым обратным каскадом, при котором малые турбулентные структуры (вихри) сливаются и
образуют более крупные вихри. Из-за конечного размера планеты такие структуры не могут вырасти больше некоторого характерного масштаба, для Юпитера он называется масштабом
Райнса (Rhines scale). Это связано с влиянием волн Россби. Механизм таков: когда крупнейшая турбулентная структура достигает определенного размера, энергия начинает перетекать
в волны Россби, а не в структуру большего размера, обратный каскад останавливается. На сферической быстро вращающейся планете дисперсионное соотношение для волн Россби
анизотропно, поэтому масштаб Райнса в направлении параллелелей больше, чем в направлении меридиан. В результате образуются крупномасштабные структуры, растянутые параллельно
экватору. Их меридиональная протяженность кажется такой же, как и фактическая ширина потоков. Таким образом, в приповерхностных моделях вихри передают энергию потокам и
поэтому должны исчезать.
|
|
Приповерхностные модели атмосферы Юпитера |
|
Первая глубинная модель была предложена Бузи (Busse) в 1976 году. Она основана на известной в гидродинамике теореме Тейлора-Прудмана, которая
заключается в следующем: в любой быстро вращающейся баротропной идеальной жидкости потоки организуются в ряд цилиндров, параллельных оси вращения. Условия теоремы, вероятно,
соблюдаются в условиях недр Юпитера. Поэтому водородная мантия Юпитера вполне может быть разделена на множество цилиндров, в каждом из которых циркуляция независима. На тех
широтах, где внешние и внутренние границы цилиндров пересекаются с видимой поверхностью планеты, образуются потоки, а сами цилиндры видны как зоны и пояса.
|
|
Глубинные модели атмосферы Юпитера |
В атмосфере Юпитера происходят разнообразные активные явления, такие как нестабильность полос, вихри (циклоны и антициклоны), бури и молнии. Вихри выглядят как крупные красные, белые и коричневые пятна (овалы). Два крупнейших пятна - Большое красное пятно (БКП) и овал BA - имеют красноватый оттенок. Они, как и большинство других крупных пятен, являются антициклонами. Маленькие антициклоны обычно бывают белыми. Предполагается, что глубина вихрей не превышает нескольких сотен километров.
Расположенное в южном полушарии БКП - крупнейший из известных в Солнечной системе вихрей. В пределах этого вихря могло бы разместиться несколько планет размером с Землю, и он существует уже по крайней мере 350 лет. Овал BA, который находится южнее БКП и в три раза меньше последнего, представляет собой красное пятно, сформировавшееся в 2000 году при слиянии трёх белых овалов.
На Юпитере постоянно бушуют сильные бури с грозами. Буря - результат влажной конвекции в атмосфере, связанной с испарением и конденсацией воды. Это участки сильного восходящего движения воздуха, которое приводит к формированию ярких и плотных облаков. Бури формируются главным образом в областях поясов. Разряды молний на Юпитере гораздо сильнее, чем на Земле, однако их меньше, поэтому средний уровень грозовой активности близок к земному.
Информация о состоянии верхнего слоя атмосферы получена зондом Галилео при спуске в атмосферу Юпитера.
Так как нижняя граница атмосферы не известна точно, уровень давления в 10 бар, на 90 км ниже давления в 1 бар, с температурой около 340 К, считается основанием тропосферы. В научной литературе уровень давления в 1 бар обычно выбирается как нулевая точка для высот «поверхности» Юпитера. Как и на Земле, у верхнего уровня атмосферы - экзосферы - нет чётко определённой границы. Плотность её постепенно уменьшается, и экзосфера плавно переходит в межпланетное пространство приблизительно в 5000 км от «поверхности».
 |
|
По данным с борта космического аппарата Юнона облачные слои пролегают глубже, чем предполагалось, включая тяжелые аммиачные облака. Вместо того, чтобы
ограничиваться верхними слоями облаков, аммиак, по-видимому концентрируется гораздо глубже, на глубине 350 километров. Сигнатура аммиака зарегистрирована между
поверхностными облаками (которые начинаются на глубине 100 км) и конвективной областью (500 километров).
|
|
Атмосфера Юпитера |
Вертикальные вариации температур в юпитерианской атмосфере схожи с земными. Температура тропосферы уменьшается с высотой, пока не достигает минимума, называемого тропопаузой, которая представляет собой границу между тропосферой и стратосферой. На Юпитере тропопауза приблизительно на 50 км выше видимых облаков (или уровня в 1 бар), где давление и температура близки к 0,1 бар и 110 К. В стратосфере температура повышается до приблизительно 200 К при переходе в термосферу и при высоте и давлении в около 320 км и 1 мкбар. В термосфере температура продолжает повышаться, в конечном счёте достигая 1000 К приблизительно на высоте в 1000 км и при давлении в 1 нанобар.
Для тропосферы Юпитера характерна сложная структура облаков. Верхние облака, расположенные на уровне давления 0,6-0,9 бар, состоят из аммиачного льда. Предполагается, что существует более низкий слой облаков, состоящий из гидросульфида аммония (или сульфида аммония) (между 1-2 бар) и воды (3-7 бар). Это точно не облака из метана, поскольку температура там слишком высока для его конденсации. Водяные облака формируют самый плотный слой облаков и оказывают сильное влияние на динамику атмосферы. Это результат высокой конденсационной теплоты воды и её более высокого содержания в атмосфере по сравнению с аммиаком и сероводородом (кислород более часто встречающийся химический элемент, чем азот или сера).
 |
|
Пример аммиачных облаков на Юпитере
|
|
Атмосфера Юпитера |
Различные тропосферные (200-500 мбар) и стратосферные (10-100 мбар) слои тумана расположены выше основного слоя облаков. Последние состоят из конденсировавшихся тяжёлых полициклических ароматических углеводородов или гидразина, которые образуется в стратосфере (1-100 мкбар) под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения на метан или аммиак. Обилие метана относительно молекулярного водорода в стратосфере 10 -4 , тогда как отношение других углеводородов, например этана и ацетилена, к молекулярному водороду - около 10 -6 .
Термосфера Юпитера расположена на уровне давления ниже 1 мкбар и ей свойственны такие явления, как свечение атмосферы, полярное сияние и рентгеновское излучение. В пределах этого уровня атмосферы увеличение плотности электронов и ионов формируют ионосферу. Причины преобладания в атмосфере высоких температур (800-1000 К) полностью не объяснены; текущие модели не предусматривают температуру выше 400 K. Это может быть следствием адсорбции высоко-энергетической солнечной радиации (ультрафиолетовой или рентгеновской), нагреванием заряженных частиц от ускорения в магнитосфере Юпитера, или рассеиванием вверх-распространяющихся гравитационных волн.
В низких широтах и полюсах термосфера и экзосфера являются источниками рентгеновского излучения, что впервые наблюдалось ещё Обсерваторией Эйнштейна в 1983 году. Энергетические частицы из магнитосферы Юпитера являются причиной ярких авроральных овалов, которые окружают полюса. В отличие от земных аналогов, которые появляются лишь во время магнитных штормов, полярные сияния в атмосфере Юпитера наблюдаются постоянно. Термосфера Юпитера - единственное место за пределами Земли, где обнаружен трёхатомный ион (H 3 +). Этот ион вызывает сильную эмиссию в средней инфракрасной части спектра на длинах волн между 3 и 5 мкм и выступает в роли главного охладителя термосферы.
Химический состав
Атмосфера Юпитера изучена наиболее полно относительно прочих атмосфер газовых гигантов, так как непосредственно была зондирована спускаемым космическим аппаратом Галилео, который был запущен в атмосферу Юпитера 7 декабря 1995 года. Также источниками информации служат наблюдения Инфракрасной космической обсерватории (ISO), межпланетных зондов Галилео и Кассини, а также данные наземных наблюдений.
Газовая оболочка, окружающая Юпитер, преимущественно состоит из молекулярного водорода и гелия. Относительное количество гелия
0,157 ± 0,0036 по отношению к молекулярному водороду по числу молекул и его массовая доля, 0,234 ± 0,005, ненамного ниже первичного значения по Солнечной системе.
Причина этого не до конца ясна, но, будучи плотнее водорода, большая часть гелия может конденсироваться в ядро Юпитера. Атмосфера содержит также немало простых
соединений, например воду, метан (CH 4), сероводород (H 2 S), аммиак (NH 3) и фосфин (PH 3). Их относительное количество в
глубокой (ниже 10 бар) тропосфере подразумевает, что атмосфера Юпитера в 3-4 раза богаче углеродом, азотом, серой и, возможно, кислородом чем Солнце. Количество
благородных газов, таких как аргон, криптон и ксенон, превосходит количество таковых на Солнце (см. таблицу), тогда как неона явно меньше. Другие химические соединения,
арсин (AsH 3) и герман (GeH 4), присутствуют только в следовых количествах. Верхняя атмосфера Юпитера содержит малые относительные количества
простых углеводородов: этана, ацетилена, и диацетилена, которые формируются под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации и заряженных частиц, прибывающих из
магнитосферы Юпитера. Диоксид углерода, моноксид углерода и вода в верхней части атмосферы, как полагают, обязаны своим присутствием столкновениям с атмосферой Юпитера
комет, таких, как комета Шумейкеров-Леви 9. Вода не может прибывать из тропосферы, потому что тропопауза, действующая как холодная ловушка, эффективно препятствует
поднятию воды до уровня стратосферы.
|
|
||
Элемент |
Солнце |
Юпитер/Солнце |
3,6 ± 0,5 (8 бар) |
||
0,033 ± 0,015 (12 бар) |
||
|
Распространённость элементов в соотношении |
||
Отношение |
Солнце |
Юпитер/Солнце |
0,0108 ± 0,0005 |
||
2,3 ± 0,3*10 -3 |
||
1,5 ± 0,3*10 -4 |
1,66 ± 0,05*10 -4 |
|
3,0 ± 0,17*10 -5 |
2,25 ± 0,35*10 -5 |
|
|
Изотопное соотношение на Юпитере и Солнце |
||
Наземные наблюдения, а также наблюдения с бортов космических аппаратов привели к улучшению знаний об изотопном соотношении в атмосфере Юпитера. По данным на июль 2003 года, принятое значение для относительного количества дейтерия - (2,25 ± 0,35)*10 -5 , что вероятно представляет собой первичное значение для протосолнечной туманности, из которой и сформировалась Солнечная система. Соотношение изотопов азота 15 N и 14 N в атмосфере Юпитера составляет 2,3*10 -3 , что на треть ниже, чем в земной атмосфере (3,5*10 -3). Последнее открытие особо существенно, так как предыдущие теории формирования Солнечной системы полагали, что земные значения для изотопов азота были первичны.
В отличие от облаков Земли, состоящих только из воды, облака Юпитера содержат различные соединения водорода, углерода, азота, кислорода, серы и фосфора. Их состав определяется давлением, температурой, освещенностью и движениями атмосферы. Давно известно, что в атмосфере Юпитера присутствуют аммиак (NH 3) и метан (СН 4), молекулы которых содержат много водорода. Но аммиак, метан, водяной пар, гидросульфид аммония (NH 3 H 2 S) - все это малые составляющие доступной изучению части атмосферы Юпитера. Отметим, что присущие Юпитеру сильные полосы паров аммиака едва заметны у Сатурна, а Уран и Нептун не имеют их вовсе, так как весь аммиак замораживается глубоко под их облачными слоями. Зато полосы метана у этих планет становятся весьма широкими и занимают значительную часть cпектра в красно-голубой его части, что и придает этим планетам сине-зеленую окраску.
На уровне облаков Юпитера содержание водяного пара составляет 1,5*10 -3 , метана 8,3*10 -3 , гидросульфида аммония в газовой фазе 2,8*10 -5 , аммиака 1,7*10 -4 . При этом содержание аммиака переменно и зависит от высоты. Именно он образует видимый облачный покров; температура его конденсации зависит от давления и составляет 130-200 К, что в среднем совпадает с тем, что наблюдается на уровне облаков. При температуре 165 К давление аммиака над кристалликами аммиачного льда составляет 1,9 мбар, и возрастает вдвое при 170 К. Для конденсации метана при тех же давлениях нужна значительно более низкая температура, 79 К. Поэтому метан в атмосфере Юпитера в твердую фазу, по-видимому, не конденсируется.
В облаках наряду с кристаллами должны присутствовать капли жидкого аммиака. Цвет облаков с такой смесью белый с легким желтоватым оттенком, характерным для зон. Однако для объяснения красно-коричневых оттенков поясов необходим какой-то другой окрашивающий агент. По-видимому, некоторые цветные оттенки поясам придает фосфин (РН 3) - газообразное соединение фосфора с водородом, содержание которого около 6*10 -7 . При температурах от 290 до 600 К оно распадается с выделением красного фосфора. И наоборот, при низкой температуре фосфор снова соединяется с водородом. Окраска облаков может быть связана также с водородными и аммонийными полисульфидами и серой. В списке газов, присутствующих в атмосфере Юпитера, значатся также этан, ацетилен, незначительное количество синильной кислоты (HCN).
Следует помнить, что видимая поверхность облаков представляет тонкий слой, всего несколько десятков километров. Под облаками из кристаллического аммония находятся другие слои: из сернистокислого аммония, водного раствора аммиака, из кристалликов водного льда, наконец - из капель воды.
Зоны, пояса и вихри
Видимая поверхность Юпитера делится на множество полос параллельных экватору. Есть два типа полос: относительно светлые зоны и затемнённые пояса. Широкая экваториальная зона (EZ) простирается примерно между широтами 7°S и 7°N. Выше и ниже EZ - Северные и Южные экваториальные пояса (NEB и SEB), простирающиеся до 18°N и 18°S соответственно. Дальше от экватора лежат Северные и Южные тропические зоны (NtrZ и STrZ). Такое неизменное чередование поясов и зон продолжается до 50°S и N, где их видимые проявления становятся несколько менее заметными. Пояса вероятно продолжаются примерно до 80° на север или юг по направлению к полюсам.
Разница в окрасе между зонами и поясами заключается в различиях между непрозрачностью облаков. Концентрация аммиака в зонах выше, что приводит к появлению более плотных облаков из аммиачного льда на бОльших высотах, а это, в свою очередь, делает зоны светлее. С другой стороны, облака поясов являются более тонкими и расположены на меньших высотах. Верхняя тропосфера более холодная в зонах и более тёплая в поясах. Точная природа веществ, которые делают зоны и пояса Юпитера такими «красочными», неизвестна, но они могут включать сложные соединения серы, фосфора и углерода.
Юпитерианские пояса граничат с зональными атмосферными потоками (ветрами), которые называют «струями». Струи, движущиеся в западном направлении (ретроградное движение), обычно наблюдаются при переходе из зон в пояса (дальше от экватора), тогда как движущиеся в восточном направлении (нормальное движение) - при переходе из поясов в зоны. Модели атмосферы Юпитера предполагают, что зональные ветра уменьшают свою скорость в поясах и увеличивают в зонах от экватора до полюсов. Поэтому градиент ветра в поясах циклонический, а в зонах антициклонический. Экваториальная зона - исключение из правила, в ней наблюдается сильное движение струй на восток, а локальный минимум скорости ветра находится точно на экваторе. Скорость струй на Юпитере очень высокая, местами она достигает 100 м/с. Такая скорость соответствует облакам из аммиака, расположенным в диапазоне давления 0,7-1 бар. Струи, обращающиеся в том же направлении, в каком вращается Юпитер, более сильны, чем те, которые обращаются против (ретроградные). Вертикальные размеры струй неизвестны. Зональные ветры затухают на высоте равной 2-3 шкалам высот над облаками. В то же время скорость ветра ниже уровня облаков возрастает лишь немного и остается постоянной вплоть до уровня давления в 22 бара - максимальной достигнутой спускаемым аппаратом «Галилео» глубины.
 |
 |
|
Схематическое представление расположения облачных полос Юпитера, они обозначены своими официальными аббревиатурами. Большое Красное Пятно и овал BA располагаются в южных тропических зонах и южных умеренных поясах соответственно. Юпитерианская атмосфера делится на зоны и пояса, и каждый из них имеет своё название и обладает особыми отличительными характеристиками. Они начинаются
от южных и северных полярных областей, которые простираются от полюсов примерно на 40-48° N/S. Эти синевато-серые области обычно невыразительны.
Типичная для поясов и зон текстура облачности порою нарушается атмосферными возмущениями (пертурбациями). Одно из таких особо устойчивых и долгоживущих возмущений в Южной тропической зоне, получило название «Южной тропической пертурбации » (STD). История наблюдений отмечает один из наиболее длительных периодов существования STD, когда его можно было чётко различать с 1901 по 1939 годы. Впервые пертурбация была замечена Перси Б.Молесуортом 28 февраля 1901 года. Пертурбация выразилась в частичном затемнении обычно яркой STZ. С тех пор несколько схожих пертурбаций наблюдалось в Южной Тропической Зоне |
|
Атмосфера Юпитера |
Происхождение «ленточной структуры» облаков Юпитера не до конца ясно, однако управляющие ею механизмы напоминают земную ячейку Хэдли. Самая простая интерпретация: зоны - это места атмосферного апвеллинга, а пояса - проявление даунвеллинга. В зонах воздух, поднимаясь и обогащаясь аммиаком, расширяется и охлаждается, формируя высокие и плотные облака. В поясах же воздух опускается и нагревается адиабатическими процессами, и белые аммиачные облака испаряются, открывая находящиеся под ними более тёмные облака. Местоположение и ширина полос на Юпитере устойчивы и за период с 1980-х по 2000-е годы редко изменялись. Один из примеров изменения - небольшое уменьшение скорости мощной восточно-направленной струи между северными тропическими зонами и северными умеренными поясами на 23°N. Однако полосы изменяются по окраске и интенсивности цветов в течение долго времени.
Динамика атмосферы
С 1966 года известно о том, что Юпитер излучает гораздо больше тепла, чем получает от Солнца. Предполагается, что соотношение между мощностью излучения планеты и получаемым солнечным излучением приблизительно равно 1,67 ± 0,09. Внутренний тепловой поток от Юпитера составляет 5,44 ± 0,43 Вт/м 2 , тогда как общая излучаемая мощность равна 335 ± 26 ПВт. Последняя величина равна приблизительно одной миллиардной доли от общей мощности, излучаемой Солнцем.
Измерение тепловых потоков, исходящих от Юпитера, показало, что практически нет различий между полярными и экваториальными районами, его дневной и ночной сторонами. Значительную роль в этом играет подвод тепла благодаря адвекции - переносу газа в горизонтальных движениях атмосферы. На фоне упорядоченной структуры поясов и зон, вихрей и плюмажей наблюдаются быстрые течения газа - ветры со скоростью до 120 м/с. Если учесть большую теплоемкость водорода, то не будет удивлять постоянство температуры в разных районах планеты.
Причиной мощной циркуляции, доставляющей тепло к облачному слою, несомненно служит тепловой поток, исходящий из недр планеты. Во многих научных работах можно прочесть, что дополнительная энергия в недрах Юпитера и других планет-гигантов освобождается в результате очень медленного их сжатия; причем расчеты показывают, что для этого достаточно сжатия планеты на миллиметры в год. Однако сведения о строении Юпитера не подтверждают эту гипотезу.
Анализ движения космических аппаратов в гравитационном поле планеты позволяет судить о строении ее недр и состоянии вещества. Движение аппаратов показывает, что это газо-жидкая планета, состоящая из смеси водорода и гелия, и что твердой поверхности она не имеет. Фигура Юпитера математически идеальна, какой может быть только жидкая планета. Безразмерный момент инерции имеет очень низкое значение: 0,254. Это говорит о высокой концентрации массы в центре планеты. Значительная часть его ядра находится в жидком состоянии. А жидкое ядро практически несжимаемо. Источником теплового потока может быть выделившееся еще при формировании планеты (4,5 млрд лет назад) тепло, запасенное в ядре и оболочках Юпитера.
Есть свидетельства тому, что на ранних стадиях эволюции Юпитер излучал в космос огромные потоки энергии. Галилеевы спутники Юпитера, расположенные несравненно ближе к своей планете, чем к Солнцу, получали на единицу площади больше энергии, чем Меркурий от Солнца. Следы этих событий сохранились на поверхности Ганимеда. Расчеты показывают, что пиковая светимость Юпитера могла доходить до 1/10 светимости Солнца. В лучах Юпитера плавились льды на поверхности всех спутников, частично включая Ганимед. Реликтовое тепло планеты сохраняется с той далекой эпохи. А в настоящее время важным источником тепла может быть медленное погружение к центру планеты более плотного, чем водород, гелия.
Циркуляция в атмосфере Юпитера заметно отличается от земной. Поверхность Юпитера жидкая, твёрдая поверхность отсутствует. Поэтому, конвекция может происходить в любой области внешней газовой оболочки. Пока нет всесторонней теории динамики атмосферы Юпитера. Такая теория должна объяснять следующие факты: существование узких устойчивых полос и потоков, симметричных относительно экватора, мощный экваториальный поток с запада на восток (в направлении вращения планеты), разницу между зонами и поясами, а также происхождение и устойчивость крупных вихрей, например Большого красного пятна.
 |
|
В теплых районах планеты, расположенных у экатора, каждая конвекционная ячейка атмосферы Юпитера поднимает вещества вверх, где они остывают, а затем сбрасывает их ближе к полюсам. И этот процесс происходит беспрерывно. По мере того как смесь газов поднимается вверх, сначала происходит их конденсация, а потом, выше, формируются облака из гидросульфида аммония. Облака из аммиака, расположенные в светлых зонах Юпитера, появляются только в самой высокой точке. Верхние слои атмосферы движутся на запад, в направлении вращения самой планеты. В то время как силы Кориолиса толкают аммиачные облака в противоположную сторону. |
|
Атмосфера Юпитера |
В атмосфере Юпитера практически нет меридиональных течений. Зоны и пояса - это области восходящих и нисходящих потоков в атмосфере, которые в долготном направлении имеют глобальную протяженность. Эти атмосферные течения, параллельные экватору, имеют некоторое сходство с пассатами Земли. Движущие силы в этой природной тепловой машине - потоки тепла, идущие из глубины планеты, энергия, получаемая от Солнца, а также быстрое вращение планеты. Видимые поверхности зон и поясов в таком случае должны находиться на разных высотах. Это было подтверждено тепловыми измерениями: зоны оказались холоднее поясов. Разница в температурах показывает, что видимая поверхность зон расположена примерно на 20 км выше. БКП оказалось выше и на несколько градусов холоднее поясов. И, наоборот, голубые пятна оказались источниками тепловой радиации, восходящей из глубоких слоев атмосферы. Не обнаружено существенной разности температур между полярными и экваториальными областями планеты. Косвенно это позволяет сделать такой вывод: внутреннее тепло планеты играет более важную роль в динамике ее атмосферы, чем энергия, получаемая от Солнца. Средняя температура на уровне видимых облаков близка к 130 К.
Еще по наземным наблюдениям астрономы разделили пояса и зоны в атмосфере Юпитера на экваториальные, тропические, умеренные и полярные. Поднимающиеся из глубин атмосферы нагретые массы газов в зонах под действием значительных на Юпитере кориолисовых сил вытягиваются в долготном направлении, причем противоположные края зон движутся навстречу друг другу, вдоль параллелей. На границах зон и поясов (области нисходящих потоков) видна сильная турбулентность; скорости движения здесь достигают наибольших значений, до 100 м/с, а в районе экватора даже 150 м/с. Севернее экватора потоки в зонах, направленные к северу, отклоняются кориолисовыми силами к востоку, а направленные к югу - к западу. В южном полушарии направление отклонений обратное. Именно такую структуру движений на Земле образуют пассаты. «Крыша» облаков в поясах и зонах находится на разных высотах. Различия в их окраске определяются температурой и давлением фазовых переходов малых газообразных составляющих. Светлые зоны - это восходящие колонны газа с повышенным содержанием аммиака, пояса - обедненные аммиаком нисходящие потоки. Яркая окраска поясов связана, вероятно, с аммонийными полисульфидами и некоторыми другими окрашивающими компонентами, например, фосфином.
Вихри в атмосфере Юпитера
Экспериментальные данные свидетельствуют, что динамика облачного слоя Юпитера - лишь внешнее проявление могучих сил, действующих в подоблачной атмосфере планеты. Удавалось наблюдать, как в облаках возникает мощное вихревое образование, местный ураган, диаметром в 1000 км и более. Такие образования живут долго, по нескольку лет, а наиболее крупные из них - даже несколько сотен лет. Подобные вихри образуются, например, в результате движения больших масс поднимающегося нагретого газа в атмосфере.
Возникший вихрь выносит на поверхность облаков нагретые массы газа с парами малых компонентов, чем замыкается цепь их кругооборота в атмосфере. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиака в виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере и достигают такого уровня температуры, где испаряются. В газовой фазе вещество снова возвращается в облачный слой.
 |
|
Изменения на Юпитере в ввидимом диапазоне и ИК |
|
Атмосфера Юпитера |
Атмосфера Юпитера - дом для сотен вихрей: круглых вращающихся структур, которые, как и в земной атмосфере, можно разделить на 2 класса: циклоны и антициклоны. Первые вращаются в направлении вращения планеты (против часовой стрелки в северном и по часовой в южном полушарии); вторые - в обратном направлении. Однако, в отличие от земной атмосферы, в атмосфере Юпитера антициклоны преобладают над циклонами: из вихрей, диаметр которых превышает 2000 км, более чем 90% - антициклоны. «Срок жизни» вихрей варьируется от нескольких дней до столетий, в зависимости от их размеров: например, среднее время жизни антициклонов с диаметрами от 1000 до 6000 км - 1-3 года. Вихри никогда не наблюдались на экваторе Юпитера (в пределах 10° широты), где они нестабильны. Как и на любой быстро вращающейся планете, антициклоны Юпитера - центры высокого давления, тогда как циклоны - центры низкого давления.
Антициклоны на Юпитере всегда ограничены в зонах, где скорость ветра увеличивается в направлении от экватора к полюсам. Обычно они яркие и проявляются
как белые овалы. Они могут двигаться по долготе, но остаются на той же широте, будучи неспособными покинуть породившую их зону. Скорость ветра на их периферии может достигать
100 м/с. Разные антициклоны, расположенные в одной зоне, имеют тенденцию объединяться при сближении друг с другом. Однако в атмосфере Юпитера наблюдалось и наблюдается два
антициклона непохожие на прочие - это Большое красное пятно (БКП) и овал BA, сформировавшийся в 2000 году. В отличие от белых овалов, в их структуре преобладает красный окрас -
вероятно, благодаря поднимающемуся из глубин планеты веществу красноватого цвета. На Юпитере антициклоны обычно формируются путём слияния меньших структур, включая конвективные
штормы, хотя большие овалы могут появляться и из нестабильных струй. В последний раз такое наблюдалось в 1938-1940 годах, когда несколько белых овалов были порождены
нестабильностью в южной умеренной зоне; позднее они объединились и сформировали Овал BA.
В противоположность антициклонам, юпитерианские циклоны - компактные тёмные структуры с неправильной формой. Наиболее тёмные и обладающие наиболее
правильными очертаниями циклоны называют коричневыми овалами. Однако существование нескольких крупных долгоживущих циклонов не исключено. В дополнение к компактным циклонам,
на Юпитере можно наблюдать несколько волокнистых «обрывков» неправильной формы, в которых наблюдается циклоническое вращение. Один из них располагается западнее БКП в южном
экваториальном поясе. Эти «обрывки» называют циклоническими регионами (CR). Циклоны всегда образуются только в поясах, и, подобно антициклонам, при сближении они сливаются.
Глубинная структура вихрей до конца не ясна. Считается, что они относительно тонкие, так как любая толщина свыше примерно 500 км привела бы к
нестабильности. Крупные антициклоны не поднимаются выше нескольких десятков километров относительно наблюдаемой облачности. Одна из гипотез предполагает, что вихри - это
глубинные конвекционные «перья» (или «конвекционные колоны»), но на данный момент она не снискала популярности у планетологов.
Вихревые образования вроде пятен голубого и коричневого оттенков наблюдались не только в устойчивых поясах и зонах, но и в полярных районах Юпитера. Здесь характерный вид облачного слоя представляет светло-коричневое поле с темными и светлыми коричневыми и голубоватыми пятнами. Здесь, в области тех широт, где зональная циркуляция становится неустойчивой, пояса и зоны уступают место метеорологическим образованиям типа «кружевных воротников» и «плюмажей». Районы вблизи полюса планеты увидеть можно только с космических аппаратов. Кажущийся хаос пятен все же подчиняется общей закономерности циркуляции, причем определяющую роль играют движения в глубине атмосферы.
Принимая ряд допущений, теоретики сумели в цилиндрической модели получить явления, напоминающие то, что видно на Юпитере (и Сатурне). Структура планеты представляет собой систему из вложенных друг в друга цилиндров, осью которых служит полярная ось. Цилиндры проходят сквозь всю планету и выходят на поверхность, скажем, у 40° с. ш. и у 40° ю. ш. То, что мы видим, - срезы этих цилиндров, вращающихся с различными скоростями. Если считать от экватора, то цилиндры проникают вглубь на половину радиуса планеты. Пятна или овалы также представляют собой сквозные колонны, зажатые между цилиндрами. Кстати, некоторые наблюдатели указывают, что симметрично БКП на той же широте в северном полушарии иногда видно такое же по размерам, но слабее выраженное пятно.
Дочерние голубые пятна, возможно, наблюдаются сквозь разрывы облачного слоя. Однако часто разрывы бывают не связаны с пятнами и сквозь них видны более низкие облачные слои. Серия подобных разрывов наблюдалась вдоль границы Северного экваториального пояса. Разрывы существуют довольно долго, по нескольку лет. О том, что это именно разрывы, свидетельствует повышенный поток тепла от этих мест. С глубиной температура быстро возрастает. Уже на уровне давления 2 бар она составляет примерно 210 К. А радиоизлучение, приходящее с больших глубин, свидетельствует о более высокой температуре. По расчетам, на глубине 300 км атмосфера Юпитера так же горяча, как и атмосфера Венеры у ее поверхности (около 730 К).
Грозы на Юпитере
Также в атмосфере Юпитера регистрируются молнии. Снимки с «Вояджеров» показали, что на ночной стороне Юпитера наблюдаются световые вспышки колоссальной протяженности - до 1000 км и более. Это сверхмолнии, энергия в которых намного больше, чем в земных. Выяснилось, однако, что юпитерианские молнии малочисленнее земных. Интересно, что молнии Юпитера были обнаружены через 3 месяца после открытия гроз на Венере.
Грозы на Юпитере напоминают земные. Они проявляют себя как яркие и массивные облака размерами примерно 1000 км, которые время от времени появляются в циклонических районах поясов, особенно в пределах сильных западно-направленных струй. В отличие от вихрей, грозы - короткоживущее явление, самая мощная из них может просуществовать несколько месяцев, тогда как средняя продолжительность существования - 3-4 дня. Считается, что они - следствие влажной конвекции в слоях Юпитерианской тропосферы. Фактически грозы представляют собой «конвекционные колоны» (перья), которые поднимают влажные воздушные массы из глубин всё выше и выше, пока они не уплотнятся в облака. Типичная высота Юпитерианских грозовых облаков 100 км, то есть они простираются до уровня давления в примерно 5-7 бар, тогда как гипотетические водяные облака начинаются на уровне давления в 0,2-0,5 бар.
Грозы на Юпитере, конечно, не обходятся без молний. Изображения ночной стороны Юпитера, полученные космическими аппаратами Галилео и Кассини, позволяют
различить регулярные вспышки света в Юпитерианских поясах и вблизи от западно-направленных струй, в основном на широтах 51°С, 56°Ю и 14°Ю. Удары молнии на Юпитере в целом более
мощные, чем на Земле. Однако они происходят куда реже, и света они создают своими вспышками примерно столько же, сколько и земные. Несколько вспышек молнии было зафиксировано в
полярных регионах Юпитера, что делает Юпитер второй после Земли планетой на которой можно увидеть полярные молнии.
Каждые 15-17 лет на Юпитере начинается особо мощный период грозовой активности. Она, в основном, проявляется на широте 23°С, где расположена самая
сильная восточно-направленная струя. В последний раз такое наблюдалось в июне 2007 года. Любопытно, что две грозы обособленно располагавшиеся на долготе 55° в Северном умеренном
поясе оказали на пояс значительное влияние. Материя тёмного цвета, созданная грозами, смешалась с облачностью пояса и переменила его окрас. Грозы двигались на скорости в примерно
170 м/с, даже чуть быстрее самой струи, что косвенно свидетельствует о существовании ещё более сильных ветров в глубинных слоях атмосферы.