что представляет собой большое красное пятно на юпитере
Красное пятно на Юпитере
Большое Красное Пятно (БКП) — атмосферное образование на Юпитере, самая заметная деталь на диске планеты, наблюдаемая уже почти 350 лет.
БКП было открыто Джованни Кассини в 1665 году. Деталь, отмеченная в записях Роберта Гука 1664 года, также может быть идентифицирована как БКП. До полёта «Вояджеров» многие астрономы полагали, что пятно имеет твёрдую природу.
БКП представляет собой гигантский ураган-антициклон, размерами 24-40 тыс. км в длину и 12-14 тыс. км в ширину (существенно больше Земли). Размеры пятна постоянно меняются, общая тенденция — к уменьшению; 100 лет назад БКП было примерно в 2 раза больше.
Пятно расположено примерно на 22° южной широты и перемещается параллельно экватору планеты. Кроме того, газ в БКП вращается против часовой стрелки с периодом оборота около 6 земных суток. Скорость ветра внутри пятна превышает 500 км/ч.
Верхний слой облаков БКП находится примерно на 8 км выше верхней кромки окружающих облаков. Температура пятна несколько ниже прилегающих участков.
Красный цвет БКП пока ещё не нашёл однозначного объяснения. Возможно, такой цвет придают пятну химические соединения, включающие фосфор.
Помимо БКП на Юпитере имеются и другие «пятна-ураганы», меньшие по размерам. Они могут иметь белый, коричневый и красный цвет и существовать десятки лет (возможно и дольше). Пятна в атмосфере Юпитера зафиксированы как в Южном, так и в Северном полушарии, но устойчивые, существующие длительное время имеются почему-то только в Южном.
Ввиду разницы скоростей течений атмосферы Юпитера иногда происходят столкновения ураганов. Одно из них имело место в 1975 году, в результате чего красный цвет БКП «поблёк» на несколько лет. В июле 2006 года предполагалось столкновение БКП и крупного красного образования Oval BA, однако пятна прошли «по касательной». В июне-июле 2008 года с помощью телескопа «Хаббл» зафиксировано поглощение БКП небольшого пятна красного цвета. [1]
Oval BA сформировался между 1998 и 2000 годами после слияния трёх меньших белых овалов, которые наблюдались до этого в течение 60 лет. Новое атмосферное образование поначалу было белым в видимом диапазоне, но в феврале 2006 года приобрело красно-коричневый цвет. По одной из гипотез, пока ураган находится на одинаковой высоте с общей поверхностью верхнего края атмосферы, он имеет белый цвет. Но когда его мощность увеличивается, вихрь поднимается несколько выше общего слоя облаков, где ультрафиолетовое излучение Солнца химически изменяет цвет, придавая ему красноту.
Гигантские «пятна-ураганы» присущи не только Юпитеру, но и другим газовым планетам. В частности, известно Большое тёмное пятно на Нептуне.
Огромный красный вихрь размером с Землю. Что внутри Большого Красного Пятна Юпитера
Ученые НАСА получили от зонда Juno 3D-снимки того, как выглядит атмосфера Юпитера. Исследователи подсчитали, насколько глубоко распространяется крупнейший вихрь во всей Солнечной системе — Большое Красное Пятно: за ним следят уже несколько столетий. «Хайтек» объясняет, что мы знаем о необычном красном пятне в атмосфере Юпитера и чем оно так привлекает ученых.
Читайте «Хайтек» в
Большое Красное Пятно кажется бессмертным — это огромный атмосферный вихрь красного цвета, который не стихает с момента его открытия.
Что такое Большое Красное Пятно?
Большое Красное Пятно (БКП) находится на Юпитере — это атмосферный вихрь, который считается самым крупным во всей Солнечной системе. БКП уменьшается, а также меняет цвет и передвигается параллельно по отношению к экватору.
С точки зрения науки это огромный ураган, который составляет до 40 тыс. км в длину и примерно 12–14 тыс. км в ширину. Ветер внутри БКП разгоняется до 500 км/ч, а температура составляет около −160 °C. Но она непостоянна, например, область в центре БКП чуть теплее, чем по краям.
Сейчас астрономы отмечают, что БКП становится меньше: около 100 лет назад пятно было на 50% крупнее и намного ярче.
Как появилось Большое Красное Пятно?
Есть две теории, как образовалось пятно, объясняет Филипп Маркус, профессор из факультета машиностроения Калифорнийского университета. Первая — из активного газового потока, который достиг стратосферы и начал заворачиваться. Так, по мнению Маркуса, мог начаться вихрь.
Второй вариант — из-за струйного течения в атмосфере, которое стало нестабильным и образовало волновые колебания. В тот момент, когда колебания волны дошли до крайней точки, произошел ее распад и образовались маленькие завихрения, образовавшие крупный вихрь.
Почему пятно красное?
До сих пор неизвестно, как пятно стало такого ярко-красного цвета. Астрономы проверяют теорию о том, как на атмосферу Юпитера и химический состав его облаков влияют космические лучи, а также ультрафиолетовое излучение.
Одно из основных предположений — излучение от Солнца, которое вступает в реакцию с гидросульфитом аммония из облаков планеты. В итоге оно приобрело кроваво-красный оттенок.
Что находится внутри Большого Красного Пятна?
Недавно исследователям стало известно, что происходит внутри пятна. Его диаметр примерно 16 тыс. км, но вот данных о глубине не было. Для оценки глубины и структуры БКП ученые использовали микроволновые и гравитационные измерения.
Миссия Juno, или «Юнона» изучила Юпитер на основе данных микроволнового радиометра MWR. С помощью него можно посмотреть внутрь облаков планеты на расстояние около 550 км.
По результатам работы зонда исследователи выяснили, что пятно внушительных размеров и находится даже ниже уровня облаков, иначе говоря, уровня конденсации воды и аммиака.
Это значит, что глубина пятна может быть около 350–500 км, а окружающие струи простираются до глубин в 3 000 км.
Также астрономы заметили одну особенность в атмосфере Юпитера — у направления вихрей и их температуры есть связь. Например, вихри, которые двигаются в ту же сторону, куда вращается планета, теплее в верхней части и холоднее в нижней. И наоборот, те, что двигаются в противоположную сторону, теплее снизу и холоднее сверху.
Какие еще остались вопросы к атмосфере Юпитера и к пятну?
Пока что астрономы не знают, как формируются пояса атмосферы на Юпитере — они выглядят как белые и красные полоски из облаков: их разделяет поток ветра, который дует в противоположных направлениях.
По данным миссии Juno, они образуются благодаря газообразному аммиаку — именно он перемещается вверх и вниз в том же ритме, что и воздушный поток.
Также в главе, где мы рассказали про цвет пятна, указано, что ученые до сих пор не могут точно определить, почему оно приняло такой ярко-красный оттенок. Кроме этого, достоверно неизвестно, как образовалось БКП.
Как будут изучать Большое Красное Пятно и Юпитер дальше?
Сейчас станция Juno расположена на орбите Юпитера, она находится там с 2016 года.
Ее цель — изучить гравитационное и магнитное поле планеты, а также исследовать атмосферу и уточнить гипотезу о том, что у Юпитера есть твердое ядро.
Астрономы продолжают изучать Большое Красное Пятно, так как это явление и его причины до сих пор остаются не до конца понятны современной науке — это пример космической погоды, который невозможно повторить в земных условиях, поэтому нужно ждать новой информации от Juno.
Огромный красный вихрь размером с Землю. Что внутри Большого Красного Пятна Юпитера
Ученые НАСА получили от зонда Juno 3D-снимки того, как выглядит атмосфера Юпитера. Исследователи подсчитали, насколько глубоко распространяется крупнейший вихрь во всей Солнечной системе — Большое Красное Пятно: за ним следят уже несколько столетий. «Хайтек» объясняет, что мы знаем о необычном красном пятне в атмосфере Юпитера и чем оно так привлекает ученых.
Читайте «Хайтек» в
Большое Красное Пятно кажется бессмертным — это огромный атмосферный вихрь красного цвета, который не стихает с момента его открытия.
Что такое Большое Красное Пятно?
Большое Красное Пятно (БКП) находится на Юпитере — это атмосферный вихрь, который считается самым крупным во всей Солнечной системе. БКП уменьшается, а также меняет цвет и передвигается параллельно по отношению к экватору.
С точки зрения науки это огромный ураган, который составляет до 40 тыс. км в длину и примерно 12–14 тыс. км в ширину. Ветер внутри БКП разгоняется до 500 км/ч, а температура составляет около −160 °C. Но она непостоянна, например, область в центре БКП чуть теплее, чем по краям.
Сейчас астрономы отмечают, что БКП становится меньше: около 100 лет назад пятно было на 50% крупнее и намного ярче.
Как появилось Большое Красное Пятно?
Есть две теории, как образовалось пятно, объясняет Филипп Маркус, профессор из факультета машиностроения Калифорнийского университета. Первая — из активного газового потока, который достиг стратосферы и начал заворачиваться. Так, по мнению Маркуса, мог начаться вихрь.
Второй вариант — из-за струйного течения в атмосфере, которое стало нестабильным и образовало волновые колебания. В тот момент, когда колебания волны дошли до крайней точки, произошел ее распад и образовались маленькие завихрения, образовавшие крупный вихрь.
Почему пятно красное?
До сих пор неизвестно, как пятно стало такого ярко-красного цвета. Астрономы проверяют теорию о том, как на атмосферу Юпитера и химический состав его облаков влияют космические лучи, а также ультрафиолетовое излучение.
Одно из основных предположений — излучение от Солнца, которое вступает в реакцию с гидросульфитом аммония из облаков планеты. В итоге оно приобрело кроваво-красный оттенок.
Что находится внутри Большого Красного Пятна?
Недавно исследователям стало известно, что происходит внутри пятна. Его диаметр примерно 16 тыс. км, но вот данных о глубине не было. Для оценки глубины и структуры БКП ученые использовали микроволновые и гравитационные измерения.
Миссия Juno, или «Юнона» изучила Юпитер на основе данных микроволнового радиометра MWR. С помощью него можно посмотреть внутрь облаков планеты на расстояние около 550 км.
По результатам работы зонда исследователи выяснили, что пятно внушительных размеров и находится даже ниже уровня облаков, иначе говоря, уровня конденсации воды и аммиака.
Это значит, что глубина пятна может быть около 350–500 км, а окружающие струи простираются до глубин в 3 000 км.
Также астрономы заметили одну особенность в атмосфере Юпитера — у направления вихрей и их температуры есть связь. Например, вихри, которые двигаются в ту же сторону, куда вращается планета, теплее в верхней части и холоднее в нижней. И наоборот, те, что двигаются в противоположную сторону, теплее снизу и холоднее сверху.
Какие еще остались вопросы к атмосфере Юпитера и к пятну?
Пока что астрономы не знают, как формируются пояса атмосферы на Юпитере — они выглядят как белые и красные полоски из облаков: их разделяет поток ветра, который дует в противоположных направлениях.
По данным миссии Juno, они образуются благодаря газообразному аммиаку — именно он перемещается вверх и вниз в том же ритме, что и воздушный поток.
Также в главе, где мы рассказали про цвет пятна, указано, что ученые до сих пор не могут точно определить, почему оно приняло такой ярко-красный оттенок. Кроме этого, достоверно неизвестно, как образовалось БКП.
Как будут изучать Большое Красное Пятно и Юпитер дальше?
Сейчас станция Juno расположена на орбите Юпитера, она находится там с 2016 года.
Ее цель — изучить гравитационное и магнитное поле планеты, а также исследовать атмосферу и уточнить гипотезу о том, что у Юпитера есть твердое ядро.
Астрономы продолжают изучать Большое Красное Пятно, так как это явление и его причины до сих пор остаются не до конца понятны современной науке — это пример космической погоды, который невозможно повторить в земных условиях, поэтому нужно ждать новой информации от Juno.
Почему Большое красное пятно Юпитера никак не умрёт
«Увлекаться чтением – это ошибка», – говорит мне за чашечкой кофе в кофейне близ кампуса Филип Маркус, вычислительный физик и профессор департамента машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли. «Вы слишком многое узнаёте. Именно так я подсел на динамику жидкостей».
А было это в 1978-м, когда Маркус первый год работал в качестве доктора наук в Корнелле, специализируясь на числовых симуляциях солнечной конвекции при помощи спектральных методов. Но ему хотелось изучать эволюцию космоса и общую теорию относительности; проблема, по его словам, была в том, что люди утверждали, что за всю жизнь так и не увидели результатов работы ОТО. В итоге «это область немножечко затихла, и все специалисты по ОТО расходились в другие области».
Именно в 1978 году Вояджер 1 начал отправлять сделанные с близкого расстояния фотографии Юпитера на Землю. Когда Маркусу нужно было, как он говорит, «расслабиться, сбросить напряжение, и всё такое», он шел в специальную лабораторию, располагавшуюся рядом со зданием астрофизики, и восхищался фотографиями Большого Красного пятна, сделанными с Вояджера. Шторм прошёл уже сотни миллионов миль, по крайней мере, с 1665 года, когда его впервые увидел Роберт Гук. «Я понял, что почти никто из области астрономии не был осведомлён в динамике жидкостей, а я как раз был, – сказал он мне. – И я сказал – ну что же, у меня есть возможность заняться изучением этого вопроса, и она не хуже, чем у других».
Так он с тех пор и не останавливался. Сегодня он представляет собой эксперта по самому знаменитому шторму в Солнечной системе. Обладая телосложением маунтинбайкера, он отвечает на мои вопросы, активно двигаясь, и иногда размахивая руками в попытках уточнить свои слова. Он признал, что его энергичность может привести к неуклюжести. «Люди с подозрением относятся ко мне, – говорит он. – Если я вхожу в лабораторию, я тут же что-нибудь разбиваю». К счастью, по его словам, «мне очень повезло дружить с несколькими экспериментаторами».
Что поражает вас в Большом красном пятне?
Несколько вещей. Люди давно думали над тем, почему Большое красное пятно (БКП) живёт так долго? БКП – это шторм, и мы привыкли к земным штормам. Средний ураган живёт максимум пару недель, и механизм его уничтожения совершенно определённый: он либо проходит над холодной водой и теряет энергию, либо проходит над землёй и резко теряет энергию. Торнадо – штука впечатляющая, но она живёт всего несколько часов. Так почему же БКП живёт так долго? Раньше люди говорили: «Это облака, задержавшиеся у вершины горы». Или: «Это айсберг в море водорода». Подобные теории разом закончились в 1979-м, когда Вояджеры 1 и 2 пролетели мимо планеты. Никто тогда не знал, что это вихрь, огромный ураган, на поворот которому требуется шесть дней. США уместились бы в БКП пару сотен раз. Оно на самом деле огромное. Одним из замечательных достижений миссий Вояджер стало то, что они сделали сотни фотографий облаков, составляющих БКП, и мы наконец смогли увидеть, как эта штука крутится, и тогда мы смогли с уверенностью сказать, что это вихрь. До того никто не знал, что оно вертится.
Как появилось БКП?
БКП, вероятно, появилось одним из двух способов. Это мог быть восходящий поток газа, добравшийся до стратосферы и завернувшийся, из-за чего и получился вихрь. Если восходящий поток может добраться до достаточно стабильного слоя атмосферы, он может распространяться горизонтально, а когда такой поток распространяется горизонтально на такой быстро вращающейся системе, как Юпитер, то это распространение приводит к образованию вихря. Другая возможность – струйное течение в атмосфере потеряло стабильность, начались волновые колебания, и когда амплитуда волны увеличилась до определённого предела, она распалась, образовав небольшие вихри, которые затем объединились.
Почему оно появилось на Юпитере, а не где-то ещё?
На Земле, если полетать над океаном, можно практически точно сказать, в каких местах под вами будут острова, поскольку над ними будут висеть облака – топографические особенности часто притягивают к себе облака. Но на Юпитере нет твёрдой поверхности, если только не спуститься до очень мелкого ядра. Это, по сути, шар жидкости. Не существует разницы нагрева между континентами и островами. Ветра не прерываются горными грядами. Всего этого нет, поэтому на нём существует набор очень хорошо организованных струйных течений. А если у вас есть такие течения, то вихри появляются естественным образом. Ветра идут в противоположных направлениях, трутся друг об друга. Это примерно как шарик подшипника, находящийся между двумя стенками, двигающимися в противоположных направлениях. Стенки заставляют шар вращаться, и противоположно движущиеся течения на Юпитере заставляют воздух между ними вращаться. Вихри, образовавшиеся между течениями, сопротивляются всему, что в них врезается. Если я сделают в ванной водоворот и шлёпну по нему, он исчезнет. Если я сделаю симуляцию БКП на Юпитере, расположенного между зональными ветрами, и шлёпну по нему, попытавшись разделить его на две части, оно соберётся снова. Поэтому я представляю себе струйные течения как сады, в которых можно выращивать вихри.
А что физически не даёт БКП распадаться?
Я думаю, что БКП в высоту составляет 50-70 км. В поперечнике у него порядка 26000 км. Получается такой блинчик. Точно так же, как с тюбиком зубной пасты, если я надавлю на блинчик в центре, то с его сторон, а также сверху и снизу что-то будет вылезать. Известно, что в центре БКП высокое давление, но его газы не вылезают по горизонтали со всех сторон из-за силы Кориолиса – они вылезают вертикально сверху и снизу. Так что же мешает газам вылезать сверху и снизу? Мне известен только один способ предотвратить это. Сверху БКП есть плотная холодная крышка атмосферы. Именно эта дополнительная плотность и толкает газы БКП обратно вниз. А под БКП должен быть тёплое плавучее атмосферное дно, мешающее высокому давлению в центре выталкивать газы из БКП вниз. Такой получается баланс.
Можно провести численные и аналитические подсчёты и задуматься: «Хм, интересно, а насколько плотная крышка тут нужна? Какая у дна должна быть плавучесть, чтобы достигался такой баланс?» С ветрами вихря связана кинетическая энергия, а с холодной плотной крышкой сверху и плавучим тёплым дном снизу связана потенциальная энергия. Большинство моих коллег, изучающих БКП, концентрируются на кинетической энергии, но я им говорю: «Не-не, ребятушки, в ней сосредоточено всего 16% энергии». Большая часть энергии БКП – это потенциальная энергия плотной холодной крышки и тёплого плавучего дна. Если вы хотите не спать ночами, думая о том, что же может атаковать БКП, то размышляйте о том, что может атаковать его потенциальную энергию.
Почему БКП не распадается от трения?
Наша интуиция говорит нам, что вихри не вечны, что они всегда распадаются из-за какого-нибудь трения. Трение бывает разное, и одной из причин, которая может уничтожить БКП, по мнению людей, будут волны Россби. Волны Россби – один из типов атмосферных волн, существующих по причине того, что атмосфера представляет собой вращающуюся сферическую оболочку, а не вращающуюся плоскость. Они часто встречаются в атмосфере, и передвигаются с небольшой скоростью. Люди думали, что БКП начнёт излучать волны Россби, которые отнимут у него энергию. Когда в атмосфере случаются неожиданные происшествия, например, сталкиваются два вихря, то в результате появляются волны Россби. Но обычно после формирования вихря он заканчивает испускать волны Россби, поэтому не наблюдается никаких свидетельств того, что излучение волн Россби уничтожит БКП, находящееся в квазиравновесном состоянии.
Что ещё может его остановить?
Если начать изучать вопрос того, что может атаковать БКП и уничтожить его, придётся думать не только о влиянии на кинетическую энергию таких факторов, как трение; придётся думать о том, что оказывается более важным – о том, что атакует потенциальную энергию. Существует вполне известная причина возможных утечек потенциальной энергии – она называется «лучистое равновесие». Если бы я смог охладить одну часть земной атмосферы, я бы мог достать секундомер и сказать: «Так, интересно, за какое время этот участок снова нагреется и войдёт в лучистое равновесие с окружающей атмосферой?» Или, если бы я сделал где-нибудь небольшой горячий участок, то я мог бы спросить: «Сколько времени займёт установление равновесия из-за передачи фотонов и всего остального, после чего мой участок потеряет свои температурные отличия?» Из вычислений других учёных известно, что в том месте атмосферы, где находится БКП, холодные или горячие участки исчезают примерно за четыре с половиной года – это время требуется на то, чтобы особо тёплые или холодные участки стали полностью неотличимы от окружения. Так что мы сделали множество численных симуляций, и если ввести эффект потепления или охлаждения в нашу компьютерную модель, то получается, что БКП рассасывается за четыре с половиной года.
А что его подпитывает?
Средняя скорость движения вокруг этого пятна – примерно три сотни километров в час. Струйные течения также двигаются примерно с той же скоростью. Но их вертикальные скорости считаются очень небольшими. Они, скорее всего, составляют порядка сантиметров в час, и поэтому ими обычно пренебрегают. Но на больших участках атмосферы постоянно появляются вертикальные ветра, и поэтому мы думаем, что их нельзя списывать со счетов. Мы думаем, что уничтожить БКП пытается тепло, передающееся в холодную крышку и из тёплого дна, и пытающееся установить лучистое равновесие. Но мы считаем, что БКП удаётся выживать, несмотря на эту лучистую передачу тепла, потому, что его вертикальная скорость весьма мала.
Практически можно считать, что когда ветер опускается, он становится теплее, а когда поднимается, то охлаждается. Тепловое излучение фотонов внутри БКП пытается уравнять температуру его крышки и дна с температурой окружающей атмосферы. Это должно делать холодную плотную крышку теплее, и она в итоге должна исчезнуть, что и уничтожит БКП.
Но в начале рассеивания БКП теряется баланс давлений. Потеря баланса позволяет высокому давлению в центре БКП выталкивать газы вертикально через ослабленную крышку. При поднятии ветер охлаждается, что поставляет крышке новый холодный воздух, в результате она охлаждается и утяжеляется. Примерно такой же процесс происходит и на дне БКП, и он восстанавливает тёплое дно, которое пытается уничтожить тепловое излучение.
Плюс, движущийся вертикально вверх газ, проходящий через исчезающую крышку, выходит наружу БКП и в итоге перестаёт подниматься, и его расплющивает по горизонтали на площади, во много раз превышающей площадь БКП. Затем он прекращает двигаться наружу и идёт вниз. Этот опускающийся газ толкает атомы и молекулы атмосферы, окружающие БКП, вниз, снижая их потенциальную энергию. В результате газ заканчивает своё путешествие, возвращаясь в центр БКП. На пути домой газ собирает потенциальную энергию, освобождённую из атмосферы, окружающей БКП.
Сбор этой энергии уравновешивает потерю БКП энергии через тепловое излучение. В компьютерной симуляции можно измерить направление и мощность всех энергий, идущих внутрь и наружу из БКП, и весь этот энергетический бюджет прекрасно сходится. Существует большая утечка потенциальной энергии в атмосферу, окружающую БКП из-за циркуляции газа, но в этом нет ничего страшного, поскольку Солнце восстанавливает лучистое равновесие в этом месте и даёт дополнительную энергию. Так что в итоге получается, что источником энергии, предотвращающим исчезновение БКП, служит Солнце.
В чём ценность изучения атмосферы далёкой планеты?
Если вы не понимаете, как работает Юпитер в нашей собственной Солнечной системе, как вы сможете понять, как работают юпитеры вокруг других солнц? Сейчас очень модно искать другие юпитеры в других солнечных системах, поскольку нам интересно, существуют ли другие планеты, и может ли на них существовать жизнь. Изучение планет, обращающихся вокруг других солнц, нужно с чего-то начинать, нужно совершать глупые ошибки. Именно так и развивается научная область изысканий.
А теперь – жалоба. НАСА – прекрасная организация, и я благодарен ей за финансирование, выделяемое мне и моим коллегам-теоретикам. Но количество денег, которое мы тратим на оборудование – для того, чтобы отправлять приборы в космос, по сравнению с количеством денег, которое мы тратим на анализ данных, полученных с тех самых приборов, очень несбалансированное. С Вояджеров ещё 31 год назад были получены огромные объёмы данных, и их до сих пор не обработали. Получить финансирование на их обработку крайне сложно. Обычно все говорят: «Вам надо делать что-то новое и интересное, с новыми данными! Не надо возвращаться в прошлое и возиться со старыми данными!» Но там же есть очень много всего ценного! Но Конгрессу подавай только оборудование.
Все любят оборудование. А что нужно НАСА – это ещё один Карл Саган. У Карла был талант убеждать людей уважать сами наши открытия, а не только машины, благодаря которым эти открытия стали возможными.