На Юпитере обнаружен уникальный атмосферный феномен — так называемые "mushballs", или «грибные шары», которые представляют собой ледяные комки из смеси аммиака и воды, заключенные в твердую оболочку из водяного льда. Эти образования, по сути, являются аналогами градин, но с совершенно иной химией и физикой, чем на Земле. Их существование подтвердили планетологи Калифорнийского университета в Беркли, зафиксировав бурные ливни из mushballs, сопровождающиеся мощнейшими молниями.
Гипотеза о существовании mushballs была впервые выдвинута в 2020 году для объяснения необычного распределения аммиака в верхней атмосфере Юпитера. На тот момент специалисты опирались на данные миссии NASA Juno и наблюдения с радиотелескопов. Ведущими исследователями выступили аспирант Крис Мёкель и профессор-эмерит Имке де Патер. Изначально идея встретила скепсис из-за крайне сложных и специфических условий, необходимых для образования mushballs.
Доказательства были опубликованы 28 марта в журнале Science Advances. Мёкель и де Патер впервые создали трехмерную визуализацию верхних слоев атмосферы Юпитера, о которой говорится в препринте на arXiv (статья находится на рецензировании). Этот анализ показал, что большинство погодных систем планеты являются очень «мелкими» — их глубина составляет всего 10–20 км ниже видимого облачного слоя, в то время как радиус Юпитера — около 70 000 км. Однако часть бурь проникает значительно глубже, перераспределяя аммиак и воду по разным слоям атмосферы.
Ученые выделяют три типа глубоких атмосферных явлений: вихри, похожие на ураганы; горячие точки с аммиачными струями, имеющими волновую структуру; и крупные бури, именно в которых формируются mushballs и возникают разряды молний. Ключевое наблюдение: по данным Juno, аммиак исчезает на всех широтах на глубинах до 150 км (ранее де Патер определяла границу лишь в 50 км), а новые модели Мёкеля позволяют объяснить столь сильное вымывание этого газа именно за счет вертикального перемешивания в ходе штормов.
Газовые и ледяные гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — критичны для понимания истории формирования солнечной системы и атмосферы экзопланет, которые теперь изучаются с помощью телескопа имени Джеймса Уэбба. Однако химический состав, наблюдаемый в верхних слоях их атмосфер, может не отражать истинного состава глубин из-за «размешивания» веществ бурями. Такой эффект обязательно нужно учитывать при анализе и других планет.
Сравнение с атмосферой Земли демонстрирует разительные отличия: если на Земле воздушная оболочка состоит в основном из азота и кислорода, то на Юпитере преобладают водород и гелий, а аммиак и вода — тяжелые компоненты. Кроме того, у Юпитера нет твердой поверхности, и любые осадки, включая mushballs, падают до тех пор, пока не испарятся, не достигая «почвы».
Ранее предполагалось, что атмосфера Юпитера хорошо перемешана, однако радионаблюдения, выполненные де Патер и коллегами, выявили многоуровневую структуру: турбулентные процессы происходят в верхних слоях, а ниже атмосфера становится более стабильной и инертной.
Подробную микрофизику mushballs впервые описал планетолог Тристан Гийо. Согласно его теории, мощные штормы с вертикальными потоками до 100 м/с поднимают ледяные частицы на высоту более 60 км. Аммиак в виде пара действует как антифриз, образуя жидкие аммиачно-водные капли. Эти капли вырастают до размеров мягкого теннисного мяча и включают воду и аммиак в соотношении примерно 3:1. Mushballs, становясь тяжелыми, начинают падать, унося с собой аммиак в глубокие слои атмосферы.
Микроволновые данные Juno показали характерные радиоподписи, которые объясняются только процессом образования mushballs: либо это охлаждение и плавление льда, либо повышение концентрации аммиака. Этот вывод подтвержден Мёкелем, де Патер и экспертом по динамике облаков Хуажи Ге из Калтеха.
Для верификации результатов проводились глобальные скоординированные наблюдения во время близких пролётов Juno (раз в шесть недель), особенно в феврале 2017 и апреле 2019 года. Использовались данные с телескопа Hubble (оптический диапазон), радиотелескопа Very Large Array (заглядывал на десятки километров под облака), а также микроволнового радиометра Juno. Мёкель разработал метод томографии для создания трёхмерных «срезов» атмосферы, позволивших увидеть, что основная погода ограничена верхними 10 км, а лишь сильнейшие бури и волны способны проникать глубже.
Исследования были осложнены отсутствием общедоступных откалиброванных данных Juno, поэтому Мёкель самостоятельно восстановил методики обработки и сделал их открытыми для научного сообщества.
Открытие mushballs на Юпитере коренным образом изменяет представления о погоде на гигантских планетах и требует пересмотра интерпретации наблюдаемых атмосферных сигналов не только в Солнечной системе, но и на экзопланетах.
Гипотеза о существовании mushballs была впервые выдвинута в 2020 году для объяснения необычного распределения аммиака в верхней атмосфере Юпитера. На тот момент специалисты опирались на данные миссии NASA Juno и наблюдения с радиотелескопов. Ведущими исследователями выступили аспирант Крис Мёкель и профессор-эмерит Имке де Патер. Изначально идея встретила скепсис из-за крайне сложных и специфических условий, необходимых для образования mushballs.
Доказательства были опубликованы 28 марта в журнале Science Advances. Мёкель и де Патер впервые создали трехмерную визуализацию верхних слоев атмосферы Юпитера, о которой говорится в препринте на arXiv (статья находится на рецензировании). Этот анализ показал, что большинство погодных систем планеты являются очень «мелкими» — их глубина составляет всего 10–20 км ниже видимого облачного слоя, в то время как радиус Юпитера — около 70 000 км. Однако часть бурь проникает значительно глубже, перераспределяя аммиак и воду по разным слоям атмосферы.
Ученые выделяют три типа глубоких атмосферных явлений: вихри, похожие на ураганы; горячие точки с аммиачными струями, имеющими волновую структуру; и крупные бури, именно в которых формируются mushballs и возникают разряды молний. Ключевое наблюдение: по данным Juno, аммиак исчезает на всех широтах на глубинах до 150 км (ранее де Патер определяла границу лишь в 50 км), а новые модели Мёкеля позволяют объяснить столь сильное вымывание этого газа именно за счет вертикального перемешивания в ходе штормов.
Газовые и ледяные гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — критичны для понимания истории формирования солнечной системы и атмосферы экзопланет, которые теперь изучаются с помощью телескопа имени Джеймса Уэбба. Однако химический состав, наблюдаемый в верхних слоях их атмосфер, может не отражать истинного состава глубин из-за «размешивания» веществ бурями. Такой эффект обязательно нужно учитывать при анализе и других планет.
Сравнение с атмосферой Земли демонстрирует разительные отличия: если на Земле воздушная оболочка состоит в основном из азота и кислорода, то на Юпитере преобладают водород и гелий, а аммиак и вода — тяжелые компоненты. Кроме того, у Юпитера нет твердой поверхности, и любые осадки, включая mushballs, падают до тех пор, пока не испарятся, не достигая «почвы».
Ранее предполагалось, что атмосфера Юпитера хорошо перемешана, однако радионаблюдения, выполненные де Патер и коллегами, выявили многоуровневую структуру: турбулентные процессы происходят в верхних слоях, а ниже атмосфера становится более стабильной и инертной.
Подробную микрофизику mushballs впервые описал планетолог Тристан Гийо. Согласно его теории, мощные штормы с вертикальными потоками до 100 м/с поднимают ледяные частицы на высоту более 60 км. Аммиак в виде пара действует как антифриз, образуя жидкие аммиачно-водные капли. Эти капли вырастают до размеров мягкого теннисного мяча и включают воду и аммиак в соотношении примерно 3:1. Mushballs, становясь тяжелыми, начинают падать, унося с собой аммиак в глубокие слои атмосферы.
Микроволновые данные Juno показали характерные радиоподписи, которые объясняются только процессом образования mushballs: либо это охлаждение и плавление льда, либо повышение концентрации аммиака. Этот вывод подтвержден Мёкелем, де Патер и экспертом по динамике облаков Хуажи Ге из Калтеха.
Для верификации результатов проводились глобальные скоординированные наблюдения во время близких пролётов Juno (раз в шесть недель), особенно в феврале 2017 и апреле 2019 года. Использовались данные с телескопа Hubble (оптический диапазон), радиотелескопа Very Large Array (заглядывал на десятки километров под облака), а также микроволнового радиометра Juno. Мёкель разработал метод томографии для создания трёхмерных «срезов» атмосферы, позволивших увидеть, что основная погода ограничена верхними 10 км, а лишь сильнейшие бури и волны способны проникать глубже.
Исследования были осложнены отсутствием общедоступных откалиброванных данных Juno, поэтому Мёкель самостоятельно восстановил методики обработки и сделал их открытыми для научного сообщества.
Открытие mushballs на Юпитере коренным образом изменяет представления о погоде на гигантских планетах и требует пересмотра интерпретации наблюдаемых атмосферных сигналов не только в Солнечной системе, но и на экзопланетах.
