Гражданская наука показывает, что разноцветные облака Юпитера не состоят из аммиачного льда

Видимый вид Юпитера и Сатурна, реконструированный по данным наблюдений VLT/MUSE 23 марта 2020 года и 6 апреля 2017 года, соответственно. В левой колонке показаны восстановленные цвета, когда гамма-коррекция не применялась, в то время как в правой колонке показаны изображения с гамма-коррекцией, которые ближе к тому, что обычный человек видит невооруженным глазом в телескоп, но имеют меньшую контрастность и менее насыщенный цвет. Автор: Журнал геофизических исследований: Планеты (2025). DOI: 10.1029/2024JE008622

Совместная работа астрономов-любителей и профессионалов помогла разрешить давнее недоразумение относительно состава облаков Юпитера. Вместо того, чтобы образовываться из аммиачного льда, как принято считать, они, скорее всего, состоят из гидросульфида аммония, смешанного со смогом.

Результаты были опубликованы в журнале Geophysical Research: Planets.

Новое открытие было сделано астрономом-любителем доктором Стивеном Хиллом из Колорадо. Недавно он продемонстрировал, что обилие аммиака и давление в верхней части облаков в атмосфере Юпитера можно отобразить с помощью имеющихся в продаже телескопов и нескольких специально окрашенных фильтров.

Примечательно, что эти первоначальные результаты не только показали, что астрономы-любители могут составить карту изобилия аммиака в атмосфере Юпитера, но и показали, что облака находятся слишком глубоко в теплой атмосфере Юпитера, чтобы можно было предположить, что облака состоят из аммиачного льда.

В этом новом исследовании профессор Патрик Ирвин с физического факультета Оксфордского университета применил аналитический метод доктора Стивена Хилла к наблюдениям Юпитера, выполненным с помощью прибора Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) на Очень большом телескопе Европейской южной обсерватории (VLT) в Чили. MUSE использует возможности спектроскопии, с помощью которой газы Юпитера создают характерные отпечатки в видимом свете на разных длинах волн, чтобы составить карту содержания аммиака и высоты облаков в атмосфере газового гиганта.

Смоделировав на компьютерной модели взаимодействие света с газами и облаками, профессор Ирвин и его команда обнаружили, что первичные облака Юпитера — те, которые мы можем видеть в телескопы на заднем дворе, — должны были находиться гораздо глубже, чем считалось ранее, в области более высокого давления и более высокой температуры. На самом деле, слишком тепло для конденсации аммиака. Вместо этого эти облака должны состоять из чего-то другого: гидросульфида аммония.

Предыдущий анализ наблюдений MUSE указывал на аналогичный результат. Однако, поскольку эти анализы были проведены с использованием сложных, чрезвычайно изощренных методов, которые могут быть проведены лишь несколькими группами по всему миру, этот результат было трудно подтвердить.

В этой новой работе команда Ирвина обнаружила, что метод доктора Хилла, заключающийся в простом сравнении яркости соседних цветных фильтров с узким спектром, дает идентичные результаты. И поскольку этот новый метод намного быстрее и очень прост, его гораздо легче проверить. Таким образом, команда пришла к выводу, что облака Юпитера действительно имеют более высокое давление, чем ожидаемые облака аммиака (700 мб), и поэтому не могут состоять из чистого аммиачного льда.

Профессор Ирвин сказал: "Я поражен тем, что такой простой метод позволяет проникнуть так глубоко в атмосферу и так ясно продемонстрировать, что основные облака не могут быть чистым аммиачным льдом. Эти результаты показывают, что любитель-новатор, использующий современную камеру и специальные фильтры, может по-новому взглянуть на атмосферу Юпитера и внести свой вклад в понимание природы облаков Юпитера, которые долгое время оставались загадочными, и того, как циркулирует атмосфера".

Доктор Стивен Хилл, получивший степень доктора философии по астрофизике в Университете Колорадо и работающий в области прогнозирования космической погоды, сказал: "Мне всегда нравится расширять свои наблюдения, чтобы посмотреть, какие физические измерения я могу провести с помощью скромного коммерческого оборудования. Я надеюсь, что смогу найти новые способы для любителей внести полезный вклад в профессиональную работу. Но я, конечно, не ожидал, что результат будет таким продуктивным, каким был этот проект".

Карты содержания аммиака, полученные с помощью этого простого аналитического метода, могут быть получены с меньшими вычислительными затратами, чем при использовании более сложных методов. Это означает, что гражданские ученые могут использовать их для отслеживания изменений давления аммиака и верхней части облаков в различных областях атмосферы Юпитера, включая полосы Юпитера, небольшие штормы и крупные вихри, такие как Большое Красное пятно.

Джон Роджерс (Британская астрономическая ассоциация), один из соавторов исследования, добавляет: "Особое преимущество этого метода заключается в том, что его могут часто использовать любители, чтобы связать видимые изменения погоды на Юпитере с колебаниями содержания аммиака, которые могут быть важными составляющими погоды".

Так почему же аммиак не конденсируется, образуя густое облако? Фотохимия (химические реакции, вызываемые солнечным светом) очень активна в атмосфере Юпитера, и профессор Ирвин и его коллеги предполагают, что в регионах, где влажный, богатый аммиаком воздух поднимается вверх, аммиак разрушается и/или смешивается с продуктами фотохимии быстрее, чем может образоваться аммиачный лед.

Таким образом, основной слой облаков на самом деле может состоять из гидросульфида аммония, смешанного с фотохимическими продуктами смога, которые создают красный и коричневый цвета, видимые на снимках Юпитера.

В небольших регионах, где конвекция особенно сильна, восходящие потоки могут быть достаточно быстрыми, чтобы образовать свежий аммиачный лед, и такие регионы иногда наблюдались космическими аппаратами, такими как «Галилео» НАСА, а совсем недавно - «Юнона» НАСА, где было замечено несколько небольших высоких белых облаков, отбрасывающих тени вниз. на главной облачной палубе внизу.

Профессор Ирвин и его команда также применили этот метод к наблюдениям Сатурна с помощью VLT/MUSE и обнаружили аналогичное соответствие полученных карт аммиака с другими исследованиями, в том числе с данными, полученными по наблюдениям космического телескопа Джеймса Уэбба.

Аналогичным образом, они обнаружили, что основной уровень отражения значительно ниже ожидаемого уровня конденсации аммиака, что позволяет предположить, что в атмосфере Сатурна происходят аналогичные фотохимические процессы.

Ирвин и др., Облака и содержание аммиака в атмосферах Юпитера и Сатурна, определенные на основе анализа глубины полосы наблюдений VLT/MUSE, Журнал геофизических исследований: Планеты (2025). DOI: 10.1029/2024JE008622

Источник: University of Oxford