Моделирование показывает, что на Юпитере в 1,5 раза больше кислорода, чем на Солнце

По поверхности Юпитера клубятся впечатляющие облака. Эти облака состоят из воды, как и земные, но на газовом гиганте они намного плотнее — настолько, что ни один космический аппарат не смог точно определить, что находится под ними.

Но новое исследование, проведённое учёными из Чикагского университета и Лаборатории реактивного движения, позволило нам глубже изучить планету, создав самую полную на сегодняшний день модель атмосферы Юпитера.

Помимо прочего, анализ затрагивает давний вопрос о том, сколько кислорода содержится в газовом гиганте. По оценкам, на Юпитере примерно в полтора раза больше кислорода, чем на Солнце. Это помогает учёным составить более точное представление о том, как формировались все планеты Солнечной системы.

«Это давний спор в области планетологии, — сказал Джихён Янг, научный сотрудник Чикагского университета и первый автор статьи. — Это свидетельство того, как вычислительные модели последнего поколения могут изменить наше представление о других планетах».

Облака и химия

Мы знаем о штормах на Юпитере по крайней мере 360 лет — именно тогда астрономы с помощью первых телескопов зафиксировали любопытное большое постоянное пятно на поверхности Юпитера.

Большое красное пятно — это гигантский шторм, в два раза превышающий по размеру Землю, который бушует уже несколько веков. Это лишь один из многих штормов на планете, поскольку из-за сильных ветров и густых облаков вся поверхность Юпитера покрыта калейдоскопом штормов.

Чего мы не знаем, так это того, что именно скрывается за этими штормами. Облака настолько плотные, что космический аппарат НАСА «Галилео» потерял связь с Землёй, погрузившись в более глубокие слои атмосферы в 2003 году. Следующая миссия по изучению Юпитера, «Юнона», в настоящее время составляет каталог планеты с безопасного расстояния на орбите.

Эти измерения, проведённые с орбиты, позволили определить состав верхних слоёв атмосферы: аммиак, метан, гидросульфид аммония, вода, монооксид углерода и другие компоненты. Ученые объединили эти данные со знаниями о химических реакциях, чтобы построить модели глубинных слоёв атмосферы Юпитера.

Но исследования разошлись во мнениях по некоторым пунктам, таким как количество воды — и, следовательно, кислорода — на планете. Янг увидел возможность применить химическое моделирование нового поколения к сложному вопросу.

Химический состав атмосферы Юпитера невероятно сложен. Молекулы перемещаются между чрезвычайно горячими слоями в глубине атмосферы и более прохладными верхними слоями, меняя фазы и превращаясь в другие молекулы в результате тысяч различных реакций. Но необходимо учитывать и поведение облаков и капель.

Чтобы лучше изучить все эти явления, Янг вместе с группой учёных впервые объединил химию и гидродинамику в одной модели.

«Вам нужно и то, и другое, — сказал Янг. — Химия важна, но она не учитывает поведение капель воды или облаков. Гидродинамика сама по себе слишком упрощает химию. Поэтому важно объединить эти два подхода».

Базовые вопросы

Среди полученных данных — новый расчёт количества кислорода на Юпитере. Согласно их анализу, на Юпитере, вероятно, в полтора раза больше кислорода, чем на Солнце.

На протяжении десятилетий учёные спорили об этой цифре. Недавнее крупное исследование показало, что она намного ниже — всего треть от солнечной.

Но знание этой статистики особенно важно для понимания того, как формировалась наша Солнечная система.

Все элементы, из которых состоят планеты — и мы сами, — это те же вещества, из которых состоит Солнце. Но их количество может различаться, и мы можем использовать эти данные, чтобы понять, как формировались планеты.

Например, сформировался ли Юпитер там же, где находится сейчас, или он сформировался ближе или дальше от Солнца и со временем сместился? Об этом можно судить по тому факту, что большая часть кислорода на планете связана с водой, которая замёрзнет и будет вести себя иначе, если окажется слишком далеко от солнечного тепла. Планетам легче накапливать лёд, чем водяной пар.

В свою очередь, более глубокое понимание того, какие условия способствуют формированию тех или иных типов планет, может помочь нам в поиске обитаемых планет за пределами нашей Солнечной системы.

Модель также показала, что атмосфера Юпитера, вероятно, циркулирует гораздо медленнее, чем считалось ранее.

«Наша модель предполагает, что диффузия будет происходить в 35–40 раз медленнее, чем считалось ранее», — сказал Ян. Например, одной молекуле потребуется несколько недель, чтобы пройти через один слой атмосферы, а не несколько часов.

«Это действительно показывает, как много нам ещё предстоит узнать о планетах, даже в нашей Солнечной системе», — сказал Янг.

На видео:

Компиляция снимков гигантской планеты Юпитер, сделанных космическим телескопом «Хаббл» во время её движения. Реальная скорость вращения планеты составляет почти 10 часов, а полосы на Юпитере на самом деле представляют собой полосы облаков и штормов.