Снимки НАСА: циклоны на Юпитере похожи на земные

Облачная система в северном полушарии Юпитера, снятая космическим кораблем Юнона. Автор: NASA

Сигельман впервые установила связь между нашей планетой и газовым гигантом в 2018 году, когда заметила поразительное сходство между изображениями огромных циклонов Юпитера и турбулентностью океана, которую она изучала. Для физика и воздух, и вода считаются жидкостями, поэтому применение физики океана к Юпитеру не так уж надумано, как кажется, говорит Сигельман. «Юпитер — это, по сути, океан газа».

Исследование 2022 года было сосредоточено непосредственно на циклонах Юпитера, но Сигельман также видел тонкие усики, известные исследователям как нити, в пространствах между газовыми вихрями. У этих нитей также были земные аналоги, и Сигельман использовал подробные изображения Юноны, чтобы изучить, является ли это сходство с океаническими и атмосферными процессами нашей планеты лишь поверхностным.

Опубликованное 6 июня в журнале Nature Physics, последующее исследование Сигельмана обнаруживает дополнительные сходства между процессами, питающими циклоны Юпитера, и процессами, действующими на Земле. Исследование показывает, что нити между циклонами Юпитера действуют совместно с конвекцией, вызывая и поддерживая гигантские штормы на планете. В частности, волокна Юпитера действуют по принципу, напоминающему то, что океанографы и метеорологи называют фронтами на Земле.

Фронты часто обсуждаются в прогнозах погоды — например, холодные фронты или штормовые фронты — но они применимы как к газам, так и к жидкостям. Фронт — это граница между массами газа или жидкости с разной плотностью из-за различий в свойствах, таких как температура. В океане фронты также могут возникать из-за разницы в солености, которая влияет на плотность морской воды наряду с температурой. Ключевой особенностью фронтов является то, что их передние края имеют сильные вертикальные скорости, которые могут создавать ветры или течения.

Чтобы попытаться понять роль волокон, которые она могла ясно видеть между циклонами на Юпитере на изображениях Юноны, Сигельман посмотрела серию инфракрасных изображений Юноны. Пакет изображений представлял собой северную полярную область Юпитера и был сделан с интервалом в 30 секунд.

Тот факт, что изображения были в инфракрасном диапазоне, позволил Сигельман и ее соавтору Патрису Кляйну из Лаборатории реактивного движения НАСА, Калифорнийского технологического института и Ecole Normale Superieure рассчитать температуру: яркие области были теплее, а темные — холоднее. На Юпитере более горячие части атмосферы соответствуют тонким облакам, а более холодные части представляют собой толстый облачный покров, блокирующий большую часть тепла, исходящего от перегретого ядра Юпитера. Затем исследователи отслеживали движение облаков и нитей через 30-секундные интервалы, разделяющие фотографии, чтобы рассчитать горизонтальную скорость ветра.

Эти две части информации позволили Сигельману и Кляйну применить к Юпитеру методы науки об океане и атмосфере, что позволило им рассчитать вертикальные скорости ветра, которые будут соответствовать температурам и горизонтальным скоростям ветра, которые исследователи получили на основе изображений. Как только команда рассчитала вертикальную скорость ветра, они смогли увидеть, что волокна Юпитера действительно ведут себя как фронты на Земле.

Эти вертикальные скорости ветра по краям фронтов на Юпитере также означали, что фронты участвовали в транспортировке энергии в виде тепла из горячих недр планеты в ее верхние слои атмосферы, питая гигантские циклоны. Хотя основной движущей силой является конвекция, на фронты приходится четверть всей кинетической энергии, питающей циклоны Юпитера, и сорок процентов вертикального переноса тепла.

«Эти циклоны на полюсах Юпитера существуют с тех пор, как их впервые наблюдали в 2016 году», — сказал Сигельман. «Эти нити между большими вихрями относительно малы, но они являются важным механизмом поддержания циклонов. Удивительно, что фронты и конвекция присутствуют и оказывают влияние на Землю и Юпитер — это предполагает, что эти процессы могут также присутствовать и в других турбулентных жидкостях. тела во Вселенной».

«Есть какая-то космическая красота в том, что эти физические механизмы на Земле существуют и на других далеких планетах», — сказал Сигельман.

Больше информации: Frontogenesis at Jovian high latitudes, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02516-x

Источник: University of California - San Diego