Результаты исследования Большого Красного Пятна на Юпитере.
Приведены спектральные особенности Большого Красного Пятна (БКП) и оптические параметры атмосферы в районе БКП и различных облачных поясах и зонах Юпитера.
Снимок Юпитера, полученный аппаратом Cassini. Слева внизу — тень от спутника Европа. Справа внизу — Большое Красное Пятно. Рядом с Юпитером внизу справа — Земля (для сравнения масштабов).
Атмосфера Юпитера, обладая очень высокой степенью турбулизованности, является самой неспокойной атмосферой из всех, принадлежащих планетам солнечной системы. Она состоит из множества облачных слоёв, распространяющихся не только вверх, но и далеко вглубь. Этим слоям свойственны огромные скорости ветра, струйные течения, каждое из которых полностью опоясывает планету. Присутствуют закручивающиеся в разные стороны гигантские вихри, наблюдаются различного рода овалы, пятна, плюмажи, гигантские циклоны и антициклоны. Все эти особенности являются доказательством колоссальной нестабильности атмосферы Юпитера, они говорят о её мощнейшей динамике и энергетике. Самым выдающимся из всех явлений подобного рода на диске планеты является мощнейший антициклонный вихрь в её южном полушарии, который в свое время был назван Большим Красным Пятном (БКП) или Great Red Spot (GRS). Являясь яркой достопримечательностью Юпитера, он постоянно наблюдается в его атмосфере, по крайней мере, с 1831 года.
Дрейф БКП. Особый интерес вызывает нерегулярное движение БКП. Оставаясь на одной и той же широте, оно смещается вдоль параллели, на которой оно находится. По не известным пока причинам период его обращения несколько больше периода светлой Южной тропической зоны, на которой оно находится, поэтому в своем движении Пятно несколько отстает от нее. Пятно дрейфует по долготе относительно равномерно вращающейся системы координат, ускоряясь или затормаживая, когда проходит мимо возмущений или каких-либо изменений в пограничных районах SEB. За последние годы уровень дрейфа Пятна резко изменился. Скорость его дрейфа также весьма заметно изменилась за эти годы. Только с 1994 по 1998 БКП переместилось с 42о на 66о, т.е на 24о за 4 года, с 1998 по 2002 с 66о на 85о, а с 2002 по 2012 годы оно сместилось с 85о на 175о, запаздывая на 90о примерно за 10 лет. Средняя скорость дрейфа БКП изменилась за период с 1994 года по 2012 год с 6о до 9о в год. Анализируя большой набор наземных CCD изображений, перекрывающих период с 1993 до начала 1999, дополненные небольшим рядом изображений с высоким разрешением, полученных HST, ученые подтвердили намечающиеся ранее 90- дневные долготные осцилляции БКП Юпитера. Эти исследования подтверждают существование долготных колебаний со средним периодом 89.8±0.15 дней и амплитудой 1.2 о±0.7о. Усредненное отличие зональной скорости БКП от скоростей соседних деталей с 1993 по 1999 годы, полученное в результате исследования их взаимодействий, было -3.8 м/c с крайними величинами -2.4 и -4.2 м/c, т.е., Пятно отставало от основного течения, в среднем, на 3.8 м/с.
Размеры БКП. Размеры Пятна постоянно меняются с общей тенденцией к уменьшению. В 1879 году размер его большой оси составлял 41000 км, в 1979 размер сократился до 24000 км и в конце 2013 года он составил 15000 км. Особо значительные темпы сокращения размеров Пятна наблюдаются, начиная с 2012 года. Периферийное кольцо Большого Красного Пятна ежегодно сокращается на 928-935 км, а форма из овальной превратилась практически в круговую и продолжает уменьшаться в настоящее время со скоростью 0.19о в год.. При таких темпах сокращения, Пятно может стать круглым уже к 2040 году. Пока неизвестно, как долго будет длиться изменение его размера.
Период вращения БКП. Пятно не только уменьшается в размерах со временем. Возможно, как прямой результат постоянного уменьшения его размеров вращение БКП также ускоряется. Прежние наблюдения говорят о том, что период вращения был равен 6 дням. Но с 2006 по 2012 год (как раз в тот период, когда размеры Пятна быстро сокращались), его период вращения также сократился до 4 дней. Не исключено, что все эти явления связаны с процессами, происходящими в Южном экваториальном поясе.
Динамика БКП. Недавние наблюдения показали, что структура и динамика урагана чрезвычайно сложна и интересна. Изменение динамики БКП, в основе которого лежали изменения как в размере, так и в максимальной скорости ветра, связано с его взаимодействием с окружающей средой. Часто проходя мимо очень близко расположенных меньших по размерам штормов, втянутых в зональный поток, БКП может подвергаться слиянию и взаимодействию с ними. Так, например, в течение 70-дневного периода наблюдений Cassini, БКП поглотило девять движущихся на запад пятен, которые появились в SEB, где возникает большинство вероятных конвективных штормов. Это вызывает определенную нерегулярность в динамике БКП. Окружающее БКП антициклоническое периферийное кольцо вращается с более высокими скоростями и отделено от ядра резкой переходной областью. Циркуляция и скорость ветра в нем за последнее время существенно увеличились. По данным Voyager 1,2, в 1979 году максимальная скорость ветра в БКП составляла 120-140 м/с. Измерения Galileo в 2000 г. показали, что максимальная тангенциальная скорость его стала близка к наивысшим значениям, когда-либо наблюдаемым в БКП (190 м/с или 684 км/ч). Одно из самых интригующих открытий: ярко-красный центр урагана на 3-4 К теплее, чем область на периферии. Эта выявленная очень незначительная на первый взгляд, разница температур внутри БКП обусловила изменение направления движения газовых вихрей: в центре они вращаются по часовой стрелке, а снаружи – против. При этом внутри БКП проявляются все признаки восходящих потоков (upwelling) и некоторого оттока материала к периферии.
Цвет БКП. БКП обладает свойством менять интенсивность своей окраски со временем, и, как следствие, наступают периоды, когда оно становится едва заметным. Насыщенность его цвета также меняется со временем. За более чем трехсотлетний период времени наблюдения БКП, его цвет и контрастность неоднократно изменялись. Периоды, когда Пятно становилось особенно заметным, отмечались в 1878-1882, 1893-1894, 1903-1907, 1911, 1914, 1919-1920 и в другие годы. Самым темным Пятно было в периоды 1961-1966, 1968-1975, 1989-1990, и 1992-1993. Иногда Пятно приобретает ярко-розовый цвет и становится отчетливо видимым. Ярко-оранжевый цвет пятна соответствует теплому ядру, которое находится внутри холодного атмосферного вихря и, видимо, вызван сложными органическими молекулами, например, красным фосфором или соединениями серы, которые выносятся наверх из глубоких слоев атмосферы. Благодаря им, цвет БКП сильно меняется от почти кирпично-красного до светло-красного и белого. Только за последние 15 лет оно трижды претерпевало изменения активности. Поиски какой-либо периодичности не принесли результатов. Между периодами отчетливой видимости БКП бледнеет и становится малозаметным. В красных лучах БКП вообще мало отличается от фона. Наибольший контраст по отношению к окружающей среде БКП проявляет в ультрафиолете (самое темное образование) и в глубокой полосе метана 889 нм (самая яркая деталь на диске). Ученые еще не знают точно, какие химические вещества или процессы вызывают ярко-красный цвет пятна, но достоверно известно, что это связано именно с изменениями состояния среды и восходящими потоками в самом сердце этого урагана.
Вопрос о долгом сроке существования БКП. Многие процессы способны рассеивать атмосферные вихри, подобные Красному Пятну. Турбулентность и атмосферные волны в районе Красного Пятна поглощают энергию его ветров. Вихрь теряет энергию, излучая тепло. Очень вероятно, что поглощение Большим Красным Пятном вихрей меньшего размера может являться одним из механизмов поддержания его жизни и объясняет невероятно долгий век крупнейшего атмосферного образования Солнечной системы. Однако современные модели показывают, что этого недостаточно. Трехмерные модели, учитывающие и горизонтальные, и вертикальные движения газа показывают, что при потере энергии Пятном возникает разность температур, в результате чего горячий газ из нижних слоёв атмосферы перетекает (по вертикали) в БКП, что и позволяет восстановить часть утраченной энергии. Таким образом, происходит «подпитывание» Красного Пятна Юпитера. Как оказалось, именно вертикальное движение является ключом к «долгой жизни» Большого Красного Пятна. Модель также указывает на существование радиального течения, которое «вытягивает» ветры из высокоскоростных течений и опять же направляет их к центру вихря. Именно эти природные «насосы энергии» раскручивают бурю БКП.
Аммиачный лед и фосфин в БКП. Наиболее выдающейся особенностью новых данных является аммиачный лед, спектрально обнаруженный в турбулентной области кильватера на северо-западе от БКП. Измерения Galileo NIMS в течение 4 лет постоянно обнаруживали облако из аммиачного льда, расположенное на 10о-15о севернее и на 10о-20о западнее центра БКП, почти касательно к периметру БКП. Обнаруженная деталь обычно продлевает на 1000 км длинную ось, ориентированную в направлении северо-восток – юго-запад.
Современный анализ предполагает, что аммиачный лед формируется в полустоячей волне в передней части кильватера БКП, а затем переносится ветрами вниз по течению со скоростью ~ 60 м/с. Сформированные таким образом частицы льда живут в течение всего 1-2 дней.
Что касается фосфина, то новые результаты подтвердили существование локального повышения фосфина над БКП. Его содержание повышено в северо-восточном квадранте БКП, согласуясь с самыми низкими температурами, но такое повышение наблюдается не везде, т.е., не по всему региону вихря. Наиболее высокие концентрации PH3 и NH3 находятся к северу от центра БКП. Максимум PH3 может находиться над местом наиболее энергичного вертикального перемешивания в атмосфере, ниже визуальных облачных палуб.
Температура БКП. Температура Пятна в целом несколько ниже температур прилегающих участков. При этом центральная часть Пятна на несколько градусов теплее её периферийных частей. Максимальный температурный контраст между ядром и самыми холодными областями БКП составляет 3.0-3.5 К в направлении север-юг на уровне атмосферного давления 400 мб, хотя более высокие температуры наблюдаются на уровнях от 150 до 500 мб. Однако самая поразительная особенность поля теплового ветра ядра БКП связана с тем, что эта разница температур хотя и кажется небольшой, однако именно она приводит к тому, что вращение газового вихря при движении от краев к центру меняется с направления против часовой стрелки на противоположное. Выявлены доказательства существования слабого встречного (по часовой стрелке) вращения, т.е. внутри антициклонического вихря существует циклоническая область протяженностью 3о -4о по широте и 5о -7о по долготе.
Наклон БКП. Анализ вертикальной структуры по данным Galileo, а также полей ветра и температуры по данным Voyager, свидетельствуют о наклоне Большого Красного Пятна на уровне облачной палубы с севера на юг, а также — с востока на запад. Теплое центральное ядро в центре БКП, по сравнению с северной его частью, видно как небольшое углубление в поверхностях давления. Находясь на уровне более высокого давления, оно может стать источником мощного восходящего потока (upwelling). Самые большие высоты достигаются на севере БКП и совпадают с локальным максимумом PH3 и NH3, Северо-южный уклон меняется со временем, и чувствителен к прохождению антициклонов южнее БКП.
Высота БКП. Как ни странно, но сопоставление результатов последних лет исследований БКП, этого гигантского (в несколько десятков тысяч км в поперечнике) вихря и методом теплового зондирования, описанным нами во второй части, и методом обработки фильтровых снимков в непрерывном спектре и в полосе поглощения СН4 889 нм, а также обработки спектрофотометрических разрезов STrZ с Красным Пятном при его перемещении от центрального меридиана к краю диска – все они дают очень близкие результаты относительно возвышения уровня верхней границы аэрозоля в БКП над окружающей областью, примерно всего (!!!) 8-10 км, проявляя все признаки восходящих потоков (upwelling) и некоторого оттока материала к периферии.
Поразительно! Но гигантский шторм, имеющий поперечник, почти в три раза превышающий поперечник земного шара, и поднимающийся всего на 8 – 10 км выше окружающих его облаков, без перерывов бушует свыше 350 лет и не собирается стихать!
