Астрономія
Астрономія

Полярні сяйва нагріли атмосферу Юпітера

Інфрачервона спектроскопія Юпітера показала, що температура найбільшої планети значно знижується від полюсів до екватора. Причому під час вищої активності відповідального за створення полярних сяйв сонячного вітру, верхні шари атмосфери здатні розігрітися до температури у тисячу кельвінів. Спостереження за Юпітером проходили за допомогою спектрометра обсерваторії Кека та на думку вчених, їм вдалося побачити планету лише у середині цього глобального нагрівального процесу. Таке пояснення «юпітеріанській енергетичній кризі» планетологи опублікували у Nature.

Художнє зображення нагрівання Юпітера полярними сяйвами. J. O'Donoghue (JAXA) / Hubble / NASA / ESA / A. Simon / J. Schmidt

Художнє зображення нагрівання Юпітера полярними сяйвами. J. O'Donoghue (JAXA) / Hubble / NASA / ESA / A. Simon / J. Schmidt

Яку кризу переживає Юпітер?

Юпітер знаходиться достатньо далеко від Сонця — відстань до світила від планети складає 778,57 мільйона кілометрів або 5,2 астрономічної одиниці. Це приблизно у п'ять разів більше, ніж відстань від Сонця до Землі та точно недостатньо, щоб сонячним променям вдавалося прогрівати Юпітер до спостережуваних астрономами температур. За підрахунками, кількості одержуваного сонячного світла має вистачити, щоб нагріти верхні шари атмосфери всього до мінус 73 градусів за Цельсієм, однак температура сягає 426 градусів за Цельсієм, що вимагає наявності додаткового джерела нагрівання. Його пошуки і стали для астрономів «енергетичною кризою» Юпітера.

Можливими джерелами називали нагрівання гравітаційними чи акустичними хвилями, що здатні додатково нагрівати планету з нижніх шарів її атмосфери. Ще одним варіантом є нагрів за допомогою полярних сяйв, як це, наприклад, відбувається на Сатурні. Втім, кожний подібний механізм мав би свої маркери на глобальних мапах розподілу тепла на Юпітері, але відсутність загальнопланетних даних з високою роздільною здатністю унеможливлює їхній пошук. Так температурні мапи верхніх шарів атмосфери досі мають роздільну здатність всього два пікселі на широту 45-90 градусів у кожній півкулі, що ускладнюють оцінку нагрівання планети та не викривають необхідних чи то полярних сяйв, чи то акустичних, чи то гравітаційних хвиль.

Як полярні сяйва можуть нагріти планету?

Полярні сяйва виникають завдяки взаємодії частинок сонячного вітру та магнітного поля планети: заряджені частинки рухаються до полюсів, де стикаються з атмосферою, що і викликає характерне світіння та нагрів атмосфери. У магнітних полярних регіонах внаслідок взаємодії магнітосфери з атмосферою може виникати величезна кількість енергії, яку може планетою розносити вітрами. Внесок полярних сяйв у нагрів атмосфери Землі зовсім невеликий, однак магнітне поле Юпітера набагато потужніше, а через його природу — він газовий гігант — цьому випромінюванню має бути легше поширюватися далі. Хоча ми не знаємо, чи здатні вітри перерозподіляти тепло від юпітеріанських полярних сяйв, враховуючи надзвичайну активність атмосфери з огляду на швидкість обертання планети. Також варто зазначити, що оскільки Юпітер все ж достатньо далеко від Сонця, полярні сяйва на ньому спричиняє не стільки сонячний вітер, скільки матеріал, що викидається з його вулканічного супутника Іо.

Використовуючи модель магнітного поля, дослідники побудували лінії овальної форми на полярних областях Юпітера, кожна з них відображає слід ліній магнітного поля, які проходять від планети до певної відстані в екваторіальній площині. Так вчені побачили, що між північними широтами і екватором температура знижується від 1000 до 600 кельвінів, що свідчить про розподіл тепла саме від полярних сяйв, причому їхній вплив завершується всього у межах декількох градусів від головного овалу. Також на нагрівання впливає є стиснення магнітосфери Юпітера у відповідь на високий динамічний тиск, який чиниться сонячним вітром — події магнітосферного стиснення можуть привести до тимчасового локального підвищення температури на 50-175 кельвінів. Під час спостережень 25 січня вчені виявили, що динамічний тиск був більш ніж на порядок вище протягом дня спостережень, порівняно з квітневими даними. І оскільки вважається, що загальна потужність полярних сяйв позитивно корелює з тривалістю спокійних умов сонячного вітру перед стисненням, на думку астрономів, вони спостерігали середину глобального нагрівального явища.

Температура верхніх шарів атмосфери Юпітера на час спостережень та виділені вченими овальні області полярних сяйв. J. O'Donoghue  et al. / Nature, 2021

Температура верхніх шарів атмосфери Юпітера на час спостережень та виділені вченими овальні області полярних сяйв. J. O'Donoghue et al. / Nature, 2021

Що побачив спектрометр?

У своїй роботі група астрономів досліджувала дані зі спектрометра ближнього інфрачервоного діапазону обсерваторії Кека NIRSPEC, який спостерігав за Юпітером протягом п'яти годин двома різними ночами в квітні 2016 і січні 2017. Так вони відстежували концентрацію електрично заряджених іонівH3+ від полюсів планети до екватора, а ці дані поєднали з побудованими мапами магнітосфери Юпітера. Завдяки цьому вдалося зафіксувати імпульс тепла після появи полярного сяйва, а також побачити, що західні юпітеріанські вітри виявилися значно слабшими, що дасть змогу поширити тепло. Вчені виявили, що температура неухильно знижується від полярних сяйв до екватора, а верхні шари атмосфери Юпітера переважно нагріваються у середньому зі швидкістю 620 метрів на секунду, із мінімумом у 500 та максимумом у 1500 метрів на секунду. Це означає, що електричні струми від полярних сяйв здатні нагрівати верхні шари атмосфери планети і приводити в рух вітри, які, в свою чергу, поширюють тепло далі.

Поширення іоносферних збурень подібні до того, як це відбувається в іоносфері Землі (300-1000 метрів на секунду), але набагато перевищує екваторіальні швидкості, зареєстровані на Сатурні (100 метрів на секунду), та змодельовані раніше для Юпітера у діапазоні 180 метрів на секунду. Спектроскопія також вказала на дивну локалізовану область далеко від полярного сяйва — довгу смугу нагрівання. Це може бути пов'язано з тим, що заряджені частинки мають тут вищу середню енергію у порівнянні з іншими регіонами і тому проникають глибше на нижчих і відповідно холодніших висотах. Або, як альтернативна версія, ця гаряча структура могла з'явитися у наслідок короткострокової одиничної події, коли єдина хвиля гарячого потоку направилася до екватора, поки довкола атмосферні маси повернулися у свій основний стан.