Juno раскрывает тайны Юпитера
16:00 09/03/2018
0 👁 1 231
В выпуске Nature от 8 марта опубликовано четыре статьи с результатами исследований Юпитера при помощи космического аппарата (КА) Juno.
Три статьи посвящены изучению внутреннего строения Юпитера — фактически, главной задаче Juno. До сих пор о строении планеты-гиганта было известно очень мало. Новые результаты основаны на измерении доплеровского смещения сигнала Juno, регистрируемого на Земле.
Вариации в смещении характеризуют изменения орбитальной скорости Juno, связанные с тонкой структурой гравитационного поля Юпитера.
Определив из наблюдений за КА гравитационное поле планеты, мы хотим восстановить то распределение плотности в её недрах, которым это поле создаётся. Для решения подобных задач гравитационное поле, точнее гравитационный потенциал представляют в виде разложения в ряд по сферическим функциям, коэффициенты которого соответствуют различным гармоникам, то есть различным видам отклонения формы планеты от сферической симметрии.
Зональными гармониками описываются отклонения от сферической формы, зависящие только от широты (то есть обладающие осевой симметрией), секториальными — отклонения, зависящие только от долготы.
Тессеральные гармоники зависят и от широты, и от долготы. Поскольку от распределения вещества в теле Юпитера можно ожидать осевой симметрии, основной вклад в его гравитационный потенциал вносят зональные гармоники.
При этом чётные зональные гармоники характеризуют отклонения планеты от сферической формы, симметричные относительно плоскости экватора, а нечётные зональные гармоники характеризуют асимметрию южного и северного полушарий .
Полярная орбита Juno позволяет хорошо определять именно зональные гармоники.
Модели внутреннего строения Юпитера предсказывают, что основной вклад в его гравитационное поле вносит компонент с твердотельным вращением, обладающий осевой симметрией и симметрией относительно плоскости экватора, который описывается чётными зональными гармониками.
Наличие ветров, дующих с разными скоростями на разных широтах, приводит к дополнительным искажениям формы Юпитера, что отражается и на его гравитационном потенциале. Нечётные зональные гармоники указывают на асимметрию гравитационного поля северной и южной половинок Юпитера, отражающую различную динамику течений вещества в двух полушариях планеты.
Исследование чётных зональных гармоник позволило оценить важность течений вещества, которые в обоих полушариях происходят одинаково. Сравнив измеренные зональные гармоники с предсказаниями различных моделей внутреннего строения Юпитера, авторы оценили глубину, до которой дифференциальное вращение вещества Юпитера (в частности, приводящее к появлению светлых и тёмных полос на его поверхности) вносит заметные искажения в форму планеты.
Эта глубина оказалась равной примерно 3000 км.
Масса вещества, вовлечённого в дифференциальные движения, составляет примерно 1% массы Юпитера (три массы Земли).
Глубже вещество вращается твердотельно, несмотря на свою жидкую природу. Твердотельность жидкости обеспечивается высокой степенью её ионизации и взаимодействием с магнитным полем Юпитера.
Ещё одним отражением асимметрии северного и южного полушарий Юпитера являются различные свойства течения вещества в окрестностях полюсов планеты, чему посвящена четвёртая статья.
При помощи Juno эти окрестности впервые удалось рассмотреть детально. Согласно численным моделям, при приближении к полюсам зональные течения должны сменяться турбулентными циклоническими вихрями. Наблюдения Juno подтвердили эту картину, однако циклоны вблизи полюсов планеты оказались неожиданно долгоживущими, а их взаимное расположение — неожиданно регулярным.
На северном полюсе планеты располагается северный полярный циклон (NPC) диаметром около 4000 км, центр которого смещён относительно географического полюса примерно на полградуса.
Вокруг NPC выстроено ещё восемь циклонов примерно того же размера (от 4000 до 4600 км), угловые расстояния между которыми варьируются от 43° до 47°, то есть картина вполне регулярная. Регулярности ей добавляют и чередующиеся широты циклонов — четыре циклона (через один) расположены на северной широте 83.3°, четыре циклона (через один) расположены на северной широте 82.5°. Южный полярный циклон (SPC) смещён относительно географического полюса на 1–2° и окружён пятью циклонами, которые расположены менее регулярно, чем северные, с взаимными угловыми расстояниями от 65° до 80°. Они также более крупны, с размерами от 5600 до 7000 км.
Интересной особенностью и северных, и южных полярных вихрей является их стабильность и неподвижность. За семь месяцев наблюдений положения вихрей если и изменились, то очень незначительно. Сохранились в неизменности также и их очертания; прежние детали остались на месте, новых деталей не появилось. Хотя наиболее протяжёнными структурными деталями (спиральными ветвями) вихри практически касаются друг друга, за семь месяцев не проявилось никаких признаков слияния.
Дмитрий Вибе. Доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН