Планетарные учёные из Калифорнийского университета в Беркли утверждают, что на Юпитере действительно бывают градовые ливни из комьев грязи, сопровождающиеся мощными молниями. На самом деле градовые ливни из комьев грязи могут происходить на всех газовых планетах галактики, включая другие гигантские планеты нашей Солнечной системы — Сатурн, Уран и Нептун.  Идея "мясных шариков" была впервые выдвинута в 2020 году для объяснения неоднородностей в распределении газа аммиака в верхних слоях атмосферы Юпитера, которые были обнаружены как миссией NASA "Юнона", так и радиотелескопами на Земле. В то время аспирант Калифорнийского университета в Беркли Крис Моэкель и его научный руководитель Имке де Патер, почётный профессор астрономии, наук о Земле и планетах, считали эту теорию слишком сложной, чтобы быть реальной, и требующей очень специфических атмосферных условий. Крис Моэкель  прошлом году получил докторскую степень в Калифорнийском университете в Беркли, а сейчас работает исследователем в Лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли.

Мы с Имке оба подумали: "Этого не может быть". Чтобы объяснить это, должно совпасть так много факторов, что это кажется чем-то экзотическим. Я потратил три года, пытаясь доказать, что это не так. И я не смог это доказать.

Крис Моэкель, автор исследования

Подтверждение, опубликованное 28 марта в журнале Science Advances, появилось вместе с первой трёхмерной визуализацией верхних слоёв атмосферы Юпитера, которую недавно создали и описали Мокель и де Патер в статье, которая сейчас проходит экспертную оценку и опубликована на сервере препринтов arXiv.

Трёхмерная модель тропосферы Юпитера показывает, что большинство погодных систем на Юпитере неглубокие и простираются всего на 10–20 километров ниже видимой облачной "поверхности" планеты, радиус которой составляет 70 000 км. Большинство красочных вихревых узоров в полосах, окружающих планету, неглубокие. Однако некоторые погодные явления возникают гораздо глубже в тропосфере, перераспределяя аммиак и воду и, по сути, разделяя то, что долгое время считалось однородной атмосферой. К трём типам таких погодных явлений относятся вихри, похожие на ураганы, "горячие точки" в сочетании с богатыми аммиаком шлейфами, которые огибают планету в виде волн, и крупные штормы, которые порождают "кашицу" и молнии.

Каждый раз, когда вы смотрите на Юпитер, вы видите в основном его поверхность. Она неглубокая, но некоторые вещи — вихри и эти большие штормы — могут пробиваться сквозь неё.

Крис Моэкель, автор исследования

Ученый де Патер, который 10 лет назад обнаружил, что содержание аммиака снижается примерно до 50 километров, пояснил, что Юнона действительно показывает, что содержание аммиака снижается на всех широтах примерно до 150 километров, что действительно странно. По его словам, именно это явление Крис Моэкель пытается объяснить тем, что его штормовые системы уходят гораздо глубже, чем ожилала наука.

Определение состава планеты на основе наблюдений за облаками

Газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, и ледяные гиганты, такие как Нептун и Уран, являются основными объектами современных космических миссий и крупных телескопов, в том числе космического телескопа "Джеймс Уэбб", отчасти потому, что они могут помочь нам понять историю формирования нашей Солнечной системы и провести наземные наблюдения за далёкими экзопланетами, многие из которых являются большими и газовыми.

Поскольку астрономы могут наблюдать только верхние слои атмосферы далёких экзопланет, знание того, как интерпретировать химические признаки в этих наблюдениях, может помочь учёным получить представление о внутреннем строении экзопланет, даже похожих на Землю.

По сути, мы показываем, что верхние слои атмосферы на самом деле довольно плохо отражают то, что находится внутри планеты.

Крис Моэкель, автор исследования

Это происходит потому, что штормы, подобные тем, что создают "кашейки", перемешивают атмосферу таким образом, что химический состав верхних слоёв облаков не обязательно отражает состав более глубоких слоёв атмосферы. Юпитер вряд ли уникален в этом отношении. де патер указал, что этот процесс можно распространить на Уран, Нептун и экзопланеты.

Атмосфера Юпитера радикально отличается от земной. Она в основном состоит из водорода и гелия с небольшим количеством газообразных молекул, таких как аммиак и вода, которые тяжелее основной массы атмосферы. Атмосфера Земли состоит в основном из азота и кислорода. На Юпитере также бывают штормы, такие как Большое красное пятно, которые длятся веками. И пока газообразный аммиак и водяной пар поднимаются вверх, замерзают в капли, как снег, и непрерывно падают вниз, нет твёрдой поверхности, о которую они могли бы удариться. В какой момент капли перестают падать?

На Земле у вас есть поверхность, и дождь в конечном счёте падает на эту поверхность. Вопрос в том, что произойдёт, если убрать поверхность? Как далеко капли дождя упадут вглубь планеты? Именно это мы наблюдаем на планетах-гигантах.

Крис Моэкель, автор исследования

Этот вопрос на протяжении десятилетий вызывал интерес у учёных-планетологов, поскольку считается, что такие процессы, как дождь и штормы, являются основными вертикальными перемешивающими факторами в атмосферах планет. На протяжении десятилетий простое предположение о хорошо перемешанной атмосфере служило основой для выводов о внутреннем строении газовых гигантов, таких как Юпитер. Наблюдения с помощью радиотелескопов, в основном проведённые де Патером и его коллегами, показывают, что это простое предположение неверно.

Турбулентные верхние слои облаков могут заставить вас поверить, что атмосфера хорошо перемешана. Если вы посмотрите на верхнюю часть, то увидите, что она кипит, и подумаете, что кипит весь чайник. Но эти результаты показывают, что, хотя верхняя часть выглядит кипящей, под ней находится слой, который на самом деле очень спокойный и вялый.

Крис Моэкель, автор исследования

Микрофизика грибных шариков

По словам Моэкеля, на Юпитере большая часть водяных дождей и аммиачных снегопадов, по-видимому, циркулирует высоко в холодной атмосфере и испаряется при падении. Однако ещё до прибытия "Юноны" на Юпитер де Патер и её коллеги сообщили, что в верхних слоях атмосферы Юпитера не хватает аммиака. Однако они смогли объяснить эти наблюдения с помощью динамического и стандартного моделирования погоды, которое предсказывало выпадение аммиака в виде дождя во время гроз вплоть до водного слоя, где водяной пар конденсируется в жидкость.

Но радиолокационные наблюдения, проведённые "Юноной", показали, что области слабого перемешивания находятся на гораздо большей глубине, примерно до 150 км, и во многих из них наблюдается загадочное отсутствие аммиака, а также отсутствует известный механизм, который мог бы объяснить эти наблюдения. Это привело к предположениям, что вода и аммиачный лёд должны образовывать градины, которые выпадают из атмосферы и удаляют аммиак. Но оставалось загадкой, как могут образовываться градины, достаточно тяжёлые, чтобы падать на сотни километров в атмосфере. Чтобы объяснить, почему аммиак отсутствует в некоторых частях атмосферы Юпитера, учёный-планетолог Тристан Гийо предложил теорию, связанную с сильными штормами и мокрыми градинами, которые называются "кашей". Согласно этой идее, сильные восходящие потоки во время штормов могут поднимать крошечные ледяные частицы высоко над облаками — более чем на 60 километров.

На таких высотах лёд смешивается с парами аммиака, который действует как антифриз и превращает лёд в жидкую кашицу. По мере того как частицы продолжают подниматься и опускаться, они становятся крупнее — как градины на Земле — и в конечном итоге превращаются в комья размером с бейсбольный мяч. Эти "кашицы" могут удерживать большое количество воды и аммиака в соотношении 3 к 1. Из-за своего размера и веса они опускаются глубоко в атмосферу — намного ниже того места, где начался шторм, — унося с собой аммиак. Это помогает объяснить, почему аммиак, по-видимому, отсутствует в верхних слоях атмосферы: он опускается вниз и скрывается глубоко внутри планеты, где оставляет слабые следы, которые можно наблюдать с помощью радиотелескопов.

Однако этот процесс зависит от ряда конкретных условий. Штормы должны сопровождаться очень сильными восходящими потоками, около 100 метров в секунду, а частицы инея должны быстро смешиваться с аммиаком и становиться достаточно крупными, чтобы пережить падение.

По сути, путешествие снежного кома начинается примерно в 50–60 километрах под облачным слоем в виде капель воды. Капли воды быстро поднимаются на вершину облачного слоя, где они замерзают, а затем падают на планету с высоты более 100 километров, где они начинают испаряться и оседать на поверхности.

Крис Моэкель, автор исследования

Ученый указал, что система запускается глубоко под облачным слоем, поднимается до верхних слоёв атмосферы, а затем опускается вглубь планеты. Уникальные сигнатуры в радиоданных Juno для одного грозового облака убедили его и его коллег в том, что именно это и происходит. Крис Моэль заметил, что под облаком было небольшое пятно, которое выглядело либо как охлаждение, то есть таяние льда, либо как повышение уровня аммиака, то есть таяние и выделение аммиака. Тот факт, что оба объяснения были возможны только при наличии кашеобразных облаков, в конце концов убедил меня".

Скоординированные наблюдения за Юпитером

Ученые по всему миру регулярно наблюдают за Юпитером с помощью наземных телескопов, синхронизируя наблюдения с ближайшим приближением "Юноны" к планете каждые шесть недель. В феврале 2017 года и апреле 2019 года — в периоды, на которые приходятся две статьи, — исследователи использовали данные космического телескопа "Хаббл" (HST) и Очень большой антенной решётки (VLA) в Нью-Мексико, чтобы дополнить наблюдения "Юноны" и попытаться создать трёхмерную картину тропосферы.

Космический телескоп "Хаббл" в видимом диапазоне обеспечил измерение отражённого от вершин облаков света, в то время как радиотелескоп VLA исследовал область на десятки километров ниже облаков, чтобы получить глобальный контекст. Микроволновый радиометр "Юноны" исследовал глубинную атмосферу Юпитера в ограниченной области.

По сути, я разработал метод томографии, который использует радиолокационные наблюдения и превращает их в трёхмерную визуализацию той части атмосферы, которую видит Juno.

Крис Моэкель, автор исследования

Трёхмерная фотография этого участка Юпитера подтвердила, что большая часть погодных явлений происходит в верхних 10 километрах. Ученый добавил, сто слой водяной конденсации играет важнейшую роль в управлении динамикой и погодой на Юпитере. Только самые мощные штормы и волны могут прорваться сквозь этот слой. Мокель отметил, что его анализ атмосферы Юпитера был отложен из-за отсутствия общедоступных откалиброванных данных миссии "Юнона". Учитывая текущий уровень опубликованных данных, он был вынужден самостоятельно реконструировать методы обработки данных командой миссии — инструменты, данные и обсуждения, которые, если бы были опубликованы раньше, могли бы значительно ускорить независимые исследования и расширить участие учёных. С тех пор он сделал эти ресурсы общедоступными для поддержки будущих исследований.

Live Science рассказал о леденящей душу реальности превращения насекомых в зомби.

Фото и видео: YouTube / ScienceAtNASA; NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS/ Kevin M. Gill, with animation by Koji Kuramura and music by Vangelis; NASA / JPL-Caltech / SwRI/CNRS; Chris Moeckel and Imke de Pater, UC Berkeley