Содержание
Раскрыта загадка молний на Юпитере
Молнии на Юпитере долгое время оставались загадкой для ученых. Однако благодаря данным, собранным зондом «Юнона» в 2018 году, специалистам удалось определить, что на газовом гиганте и на Земле эти явления достаточно схожи, хотя молнии на Юпитере все же имеют некоторую странность.
Редакция ПМ
Штормы – нередкое явление в атмосфере Юпитера, поэтому ученые полагали, что на газовом гиганте должны возникать и молнии. Это предполагалось в течение длительного времени – когда же «Вояджер-1» в 1979 году приблизился к Юпитеру, гипотеза подтвердилась. Позже наличие молний в атмосфере планеты подтвердили наблюдения, сделанные зондами «Вояджер-2», «Галилео» и «Кассини». В частности, «Вояджер» детектировал низкочастотные радиосигналы, создаваемые грозовыми разрядами, – их назвали «вистлерами» (от англ. whistle – свистеть).
При этом, однако, в сравнении с молниями на Земле молнии на Юпитере имели странное отличие.
«На любой планете разряды молний выступают в роли радиопередатчика – вспыхивая в небе, они передают радиоволны», – отмечает Шеннон Браун (Shannon Brown), исследователь из Лаборатории реактивного движения NASA. – Однако до исследований «Юноны» молнии на Юпитере либо детектировались оптически, либо же их сигналы обнаруживались в килогерцовом диапазоне, несмотря на то что их искали в мегагерцовом. Для объяснения этого предлагалось множество теорий, однако ни одна из них не была достаточно убедительной».
В 2018 году ученые впервые смогли детектировать электромагнитные волны, распространяющиеся в атмосфере Юпитера, в мегагерцовом диапазоне – благодаря новым высокочувствительным инструментам зонда «Юнона» (в особенности – инструменту Microwave Radiometer Instrument (MWR)). Всего, по словам Брауна, за первые восемь пролетов MWR обнаружил 377 разрядов молний в мегагерцовом и гигагерцовом диапазонах – в этих же диапазонах сигналы передают и молнии на Земле. Браун полагает, что тогда это удалось впервые из-за того, что «Юнона» подлетела к молниям как никогда близко, а также потому, что ученые обнаружили сигналы на частоте, которая легко проходит через ионосферу Юпитера.
При этом, несмотря на то что молнии на Юпитере, как оказалось, схожи с таковыми на Земле, они имеют существенное отличие. На нашей планете вспышки молний случаются чаще ближе к экватору, в то время как на Юпитере активность молний наблюдается на полюсах. Солнечное излучение больше всего нагревает экватор Земли – в экваториальной зоне потому обычно теплее и чаще наблюдается штормовая активность. На газовом гиганте же, находящемся от Солнца в пять раз дальше Земли, менее сильная солнечная радиация также в большей степени нагревает область экватора, однако это приводит к другому эффекту: в результате стабилизируется верхняя часть атмосферы Юпитера – и тепловые потоки с поверхности не движутся вверх. Полюса же планеты не подвержены такой «стабилизирующей» радиации – и тепло из недр планеты может подниматься в верхние слои атмосферы. Это, по предположению ученых, стимулирует атмосферную конвекцию, в результате которой и создаются гигантские штормы.
К слову, исследователи показали, что молнии чаще возникают в северном полушарии Юпитера.
Однако с чем это может быть связано, пока не установлено.
Об исследовании, проведенном Брауном и коллегами, рассказывается в статье в журнале Nature. Однако 6 июня 2018 года была опубликована и другая работа, посвященная исследованию молний на Юпитере, – в журнале Nature Astronomy. В ней специалисты проанализировали более 1 600 сигналов, детектированных «Юноной», и установили, что частота ударов молний на Юпитере может достигать четырех ударов в секунду.
Молнии на Юпитере — неразгаданная тайна | Северный маяк
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.
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.
Статья по теме: [В конце десятилетия Китай может отправить зонды к Юпитеру и к его спутнику Каллисто]
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.
Читайте нас в соцсетях: Twitter, Facebook, Telegram
Смотрите нас на youtube. Следите за всем новым и интересным из мира науки на нашей страничке в Google Новости, читайте в Яндекс Дзен наши материалы, не опубликованные на сайте
Почему молния на Юпитере планетарная…
Юпитер — необычайно красивый и глубоко хаотичный мир. Его погоде в лучшем случае не хватает тонкости.
Космический корабль НАСА «Юнона» почти пять лет исследует планету, раскрывая новые глубины драматизма и великолепия этого крайне странного места.
Это также проливает свет на некоторые из самых больших атмосферных загадок планеты, в том числе на необычную природу молнии Юпитера.
Поскольку Юнона готовится к своей расширенной миссии, которая начнется в августе 2021 года, стоит оглянуться назад и понять, почему молния Юпитера остается одной из его самых захватывающих загадок.
Стоп, молния на Юпитере?
Да, но долгое время никто не знал наверняка. На самом деле до 1979 года молния на Юпитере была всего лишь гипотезой; его существование не было подтверждено до тех пор, пока космический корабль НАСА «Вояджер-1» не уловил радиосигналы, обычно указывающие на молнию. Была только одна загвоздка: радиоволны были в совершенно другом диапазоне, чем молния, обнаруженная на Земле.
В последующие десятилетия космические аппараты НАСА «Вояджер-2», «Галилео» и «Кассини» также обнаружили радиосвидетельства молнии на Юпитере. Но инструменты, использовавшиеся в этих миссиях, были недостаточно чувствительными, чтобы дать полную картину юпитерианских молний.
Однако после того, как «Юнона» прибыла в систему Юпитера в июле 2016 года, начали поступать данные: микроволновый радиометр космического корабля (MWR) обнаружил 377 грозовых разрядов за первые восемь пролетов.
Данные помогли ученым понять, где распространяются молнии на газовом гиганте, и получить более четкое представление о том, как часто они происходят. Информация также показала, сколько головоломки Юпитера они упустили. Новые данные и подробности от Juno вызвали больше вопросов, чем когда-либо прежде.
Шокирующие повороты в грозах Юпитера
Даже на Земле молния остается неразгаданной загадкой. Мы знаем, что, как правило, при наземных молниях отрицательные заряды в грозовом облаке противостоят положительным зарядам на земле. Как и в батарейке, противоположности притягиваются, и высвобождается электрический разряд в виде вспышки молнии.
Тем не менее, в нашем понимании есть пробелы, которые можно устранить путем дальнейших исследований юпитерианских молний, и наоборот.
Судя по имеющейся у нас информации, в базовой механике молнии на обеих планетах есть некоторое сходство. Но по многим причинам — например, из-за состава атмосферы Юпитера — существуют резкие различия. На Земле большая часть наших молний ударяет вокруг экватора, но на Юпитере они, кажется, более распространены в полушариях, особенно в северном. Это, безусловно, выгодно для Юпитера, учитывая, что на его северном полюсе уже царит столпотворение; кажется, что это дом для скопления циклонов.
Почему молния не ударяет в экватор Юпитера, до сих пор практически неизвестно. Есть данные, свидетельствующие о том, что на это может влиять то, как формируется погода на Юпитере в целом, что сильно отличается от того, как погода работает на нашей планете. Земная погода, например, в основном формируется в тропосфере, ближайшем к Земле слое атмосферы. На многие наши естественные явления влияет Солнце и тот факт, что наша планета имеет твердую почву.
Юпитер, с другой стороны, не имеет «настоящей» поверхности.
Его погода, кажется, управляется мощными силами глубоко внутри планеты, которые могут вызывать впечатляющие бури газового гиганта.
Хотя количество солнечного света, получаемого Юпитером, по-видимому, влияет на его погоду, связь до конца не изучена. По данным НАСА, поскольку планета находится на расстоянии 757 миллионов километров (около 470 миллионов миль) от Солнца, она получает примерно в 25 раз меньше солнечного света, чем Земля. Возможно, солнечный свет создает более сбалансированные верхние слои атмосферы вблизи экватора Юпитера, где планета получает больше солнечного света, и большую нестабильность по отношению к полюсам, поскольку теплый воздух из глубин планеты может свободно подниматься вверх. Эта нестабильность идеальна для образования молнии.
Конечно, как это обычно бывает с Юпитером, редко можно найти один ответ, который четко все объясняет. Не исключено, что магнитное поле Юпитера может быть каким-то образом связано с погодными процессами на планете и, теоретически, с молниями.
В расширенной миссии Juno ученые надеются получить больше данных с высоким разрешением от набора инструментов космического корабля, которые дадут дополнительные доказательства в поддержку теорий или предложат новые.
Неглубокие молнии и шары
Вот где тайна Юпитера еще больше умножается: недавние открытия показывают, что газовый гигант является домом для более чем одного типа молнии.
Молния, обнаруженная предыдущим космическим кораблем, по-видимому, возникла в водяных облаках глубоко в атмосфере Юпитера. Этот вид молнии, по-видимому, генерируется в условиях, в чем-то схожих с земными, то есть из водяного облака. Но совсем недавно Юнона обнаружила свидетельства «неглубокой молнии», которая, кажется, исходит откуда-то из высоких слоев атмосферы Юпитера.
Камера слежения за звездами при слабом освещении «Юноны», Звездный эталонный блок (SRU), впервые обнаружила неглубокие молнии при исследовании темной стороны Юпитера. SRU обнаружил вспышки молнии, которые были нехарактерно маленькими и «неглубокими» по сравнению с ранее обнаруженными молниями.
В высокогорной атмосфере Юпитера температура может упасть ниже -88 градусов по Цельсию (-126 градусов по Фаренгейту), что слишком холодно для поддержания жидкой воды. Однако гипотетически в этом районе есть какой-то аммиачно-водяной град. Ученые Juno поняли, что может быть связь между этим и мелкой молнией, которую они наблюдали.
Введите элемент сопротивления неглубоких молний: «шампурные шарики». Согласно исследователям, все начинается, когда сильные юпитерианские штормы катапультируют воду высоко в атмосферу Юпитера, где она замерзает в кристаллы льда. Затем кристаллы льда соединяются с газообразным аммиаком, который плавит его, как антифриз. Со временем эти дождевые капли аммиачной воды сталкиваются с кристаллами льда восходящих потоков Юпитера, создавая трение и, таким образом, условия для образования молнии.
Представление об этом граде из аммиачной воды может быть не только ключом к образованию неглубоких молний, но и объяснить, почему в некоторых частях атмосферы Юпитера отсутствует аммиак. В каком-то смысле существование этого антифризного шлама было бы равнозначно убийству двух пресловутых зайцев одним месивом.
Неразгаданные тайны, которые остаются
Юпитер, вероятно, является самой старой планетой в нашей Солнечной системе, и тем не менее он едва ли начал делиться своими секретами. Развивая наше понимание погоды на Юпитере, включая молнии, мы можем узнать больше о происхождении газового гиганта и, соответственно, всего нашего космического пространства.
Расширенная миссия Юноны будет важной частью этого. По мере того, как он приближается к планете, мы будем лучше понимать молнии Юпитера, а также его массивные штормовые системы и полярные циклоны. Ученые, участвующие в миссии, говорят, что надеются также получить больше доказательств существования мушболов.
Если Юпитер и хорош в чем-то, так это в анархии и сюрпризах. Хотя никто не знает, что откроет следующая миссия Юноны, она точно не будет скучной.
Планетарный фонд
Ваша поддержка помогает нам исследовать миры, находить жизнь и защищать Землю. Дай сегодня!
Пожертвовать
НАСА наблюдает «Суперразряды» молний на Юпитере
Наука и техника
НАСА только что объявило, что космический корабль «Юнона» снова наблюдал «Суперразряды» молний в атмосфере Юпитера. И хотя обнаружение молнии на гигантской планете не ново, это последнее наблюдение может помочь ответить на некоторые важные вопросы. Такие серьезные вопросы, как: почему в атмосфере газового гиганта такое странное распределение аммиака?
⚡️ Новые результаты от @NASAJuno предполагают, что Юпитер является домом для «неглубоких молний». Неожиданная форма электрического разряда, он исходит от раствора аммиака и воды, тогда как молния на Земле возникает из водяных облаков: https://t.co/iA3ksVJNR3 pic.twitter.com/VXX8hetH0O
— NASA (@NASA) 5 августа , 2020
В объявлении, отправленном через Science News , НАСА рассказало о недавних наблюдениях юпитерианских молний, которые были собраны Juno.
Юнона — это космический зонд НАСА, который вращается вокруг Юпитера, собирая данные и потрясающие изображения, подобные этим.
«Близкие пролеты «Юноны» над верхушками облаков позволили нам увидеть нечто удивительное — меньшие, неглубокие вспышки [молний] — возникающие в атмосфере Юпитера на гораздо больших высотах, чем предполагалось ранее», — сказала Хайди Беккер, руководитель отдела исследований радиационного мониторинга «Юноны». Лаборатория реактивного движения. Беккер был ведущим автором недавнего исследования, основанного на выводах Юноны, опубликованных в Nature .
Для того, чтобы эти супермолнии, которые в 1000 раз мощнее земных молний, происходили на таких больших высотах, должен быть какой-то способ поддерживать воду в жидком состоянии. И вот здесь на сцену выходит аммиак, соединение азота и водорода.
В отличие от земной погодной системы, которая управляется водой, юпитерская погодная система управляется как водой, так и аммиаком.
Из-за большого количества аммиака в атмосфере Юпитера вода может достичь гораздо больших высот, прежде чем замерзнуть. Это, в свою очередь, позволяет формировать высотные суперболты, несмотря на температуру окружающей среды -126 °F.
Вихревая атмосфера, которую мы видим на Юпитере, является домом для сильных штормов. Миссия Juno @NASASolarSystem обнаружила новые доказательства, указывающие на неглубокие молнии и слякотные градины, богатые аммиаком, известные как мушболы. #ScienceInSeconds об экзотической погоде Юпитера: https://t.co/2LSs19l0ki pic.twitter.com/IXjSCyjNDF
— Томас Зурбухен (@Dr_ThomasZ) 5 августа 2020 г.
«На таких высотах аммиак действует как антифриз, снижая температуру плавления водяного льда и позволяя образовать облако с аммиаком. жидкая вода», — сказал Беккер в заявлении НАСА. «В этом новом состоянии падающие капли жидкого аммиака и воды могут сталкиваться с поднимающимися вверх кристаллами водяного льда и электризовать облака», — добавила она.