Юпитерианские молнии - загадка, которую ученые пытаются разгадать не одно десятилетие
Юпитер - планета Солнечной системы с самым большим количеством атмосферных загадок. Одна из них - природа юпитерианских молний. Над разгадкой этой тайны ученые бьются уже не одно десятилетие.
Фото: NASA / Юпитер
На Юпитере есть молнии?
До 70-х годов XX века никто из ученых точно не знал, существуют ли на Юпитере молнии. Выдвигались только гипотезы. Специалисты предполагали, раз на планете наблюдаются штормы, возможно, должны быть и грозовые разряды. В 1979 году, когда к газовому гиганту приблизился зонд «Вояджер-1» и приступил к наблюдению за ночной стороной, стало очевидно, что они там есть. Научные приборы аппарата уловили излучаемый радиосигнал от разряда молнии.
Только была загвоздка. На Земле молнии излучают электромагнитную энергию в диапазоне радиочастот от 1 Гц до почти 300 МГц. «Вояджер-1» же уловил излучаемый радиосигнал от разряда молнии в диапазоне радиочастот от 30 кГц до 300 кГц.
Фото: NASA / Молнии на Юпитере в представлении художника
Последующие миссии, «Вояджер-2», «Галилео» и «Кассини», также регистрировали грозовые разряды, но их инструменты оказались недостаточно чувствительными, чтобы ученые могли составить полную картину распространения юпитерианских молний.
На выручку пришла «Юнона». В 2016 году станция вышла на полярную орбиту газового гиганта и начала передавать научные данные. Так за первые восемь пролетов зонда вблизи Юпитера микроволновый радиометр (Microwave Radiometer, MWR) зарегистрировал 377 грозовых разрядов. MWR может исследовать глубокие слои атмосферы планеты и “проникать” на 550 км вглубь облаков.
«Юнона» узнала, где и как часто вспыхивают молнии на газовом гиганте, и помогла специалистам составить первую карту юпитерианских молний.
Молнии на Земле и Юпитере
На Земле молния - атмосферное явление в виде мощного электрического разряда, которое случается во время грозы и проявляется в виде яркой вспышки света. Генератор молний - грозовое облако, представляющее собой огромное количество пара, часть которого конденсируется в виде капелек или льдинок.
Верх грозового облака обычно находится на высоте 5-7 км, низ нависает над поверхностью на высоте до 1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Льдинки прибывают в постоянном движении, которое вызывают восходящие потоки теплого воздуха от нагретой земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, поэтому они легко переносятся восходящими потоками воздуха: двигаются в верхнюю часть облака и все время сталкиваются с крупными. При каждом столкновении происходит электризация: крупные льдинки заряжаются отрицательно, мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - в нижней. Верхушка грозового облака заряжена положительно, низ - отрицательно. В грозовом облаке растет напряженность электрического поля. В итоге происходит электростатический разряд - это и есть молния.
Данные, собранные зондом «Юнона», говорят о некотором сходстве в механизмах образования молний на Земле и Юпитере. Однако отличий куда больше по причине состава атмосферы газового гиганта.
На нашей планете более благоприятные условия для возникновения молний в области вдоль экватора, потому что здесь теплее, чем в северных регионах, и чаще наблюдаются штормы. На Юпитере же молнии обычно фиксируются в полярных регионах, в основном, в Северном полушарии.
Фото: NASA / Циклоны на Северном полюсе Юпитера. Инфракрасный снимок, сделанный Юноной
Северный полюс газового гиганта пестрит бурями разных размеров, здесь находится гигантский циклон, окруженный восемью циклонами поменьше; диаметр каждого варьируется от 2 до 5 тысяч км. Почему именно в Северном полушарии наблюдается большое количество грозовых разрядов, а не вдоль экватора, и могут ли циклоны быть причиной образования молний - загадка, над которой ученые ломают голову не один год. Скорее всего, дело в самой погоде. На Юпитере она работает совсем иначе, чем на нашей планете.
Известно, что на Земле погода по большей части формируется в тропосфере - нижнем слое атмосферы на высоте 8-15 км. Здесь появляются облака, образуются атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. На многие естественные земные явления влияет Солнце и твердая поверхность планеты.
У Юпитера нет твердой поверхности, а еще он находится далеко от нашей звезды, на расстоянии 757 млн. км. Это значит, что газовый гигант получает намного меньше света, чем Земля - по данным NASA, в 25 раз! Специалисты предполагают, что погодой Юпитера управляют пока неизвестные мощные силы, которые находятся глубоко внутри планеты, вероятно, они отвечают за образование циклонов и молний. Также не исключено, что на юпитерианскую погоду и на образование молний может влиять и магнитное поле газового гиганта. Но это пока только одна из версий.
Информация, собранная «Юноной», породила больше вопросов, чем дала ответов. В любом случае, впереди у зонда новый этап миссии. Ученые надеются получить больше данных, которые либо опровергнут вышеназванные гипотезы, либо подтвердят.
Разные виды молний на Юпитере
Как и на Земле, на Юпитере встречаются разные виды молний.
Грозовые разряды, обнаруженные «Вояджером-1», «Вояджером-2», «Галилео» и «Кассини», по-видимому, появляются в облаках водяного пара в низких слоях атмосферы Юпитера, то есть образуются в условиях, в чем-то схожих с земными. Однако в 2020 году «Юнона» показала, что молнии на газовом гиганте встречаются не только «внизу», приборы аппарата зафиксировали яркие вспышки и в верхних слоях атмосферы планеты.
Во время исследования ночной стороны Юпитера, на высоте 300 километров над облаками водяного пара, где обычно и регистрируются юпитерианские молнии, зонд «уловил» высотные разряды, очень похожие на земные спрайты. Аппарат зафиксировал 11 кратковременных ярких вспышек, время затухания которых составляло чуть больше 1 миллисекунды.
Фото: NASA / Яркие вспышки в верхних слоях атмосферы Юпитера. Иллюстрация создана на основе данных зонда Юноны, который зафиксировал молнии в 2016 году
В верхних слоях атмосферы Юпитера температура может опускаться до -88°C, это слишком холодно, чтобы там могла существовать вода в жидком виде. Ученые предполагают, что верхние облака газового гиганта могут состоять из аммиачного льда, и они могут быть связаны с образованием юпитерианских спрайтов - кратковременных молний.
В своей статье для портала Planetary научный журналист Рае Паулетта (Rae Paoletta) пишет:
«По мнению ряда исследователей, все начинается, когда мощные юпитерианские штормы поднимают воду высоко в атмосферу планеты, где при замерзании она превращается в кристаллы льда. Затем кристаллы льда смешиваются с газообразным аммиаком, который плавит их. Лед превращается в жидкость. Эта жидкая смесь из воды и аммиака постепенно опускается вниз и превращается в градины, которые сталкиваются с новыми кристаллами льда. При каждом столкновении происходит электризация. Таким образом возникают условия для образования молний».
Ученые считают, что водно-аммиачный град может быть главной причиной образования юпитерианских спрайтов. Кроме того, исследование этого процесса, позволит ученым понять, почему в некоторых частях атмосферы Юпитера аммиака нет вообще.
Юпитер - вероятно, самая старая планета Солнечной системы. Если специалисты поймут, как тут появляются молнии и работает погода в целом, они узнают гораздо больше о происхождении газового гиганта и нашей планетной системы.
--------
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости