Новое компьютерное моделирование показало, что вода в атмосфере Юпитера распределена крайне неравномерно. Дожди и мощные турбулентные потоки уносят влагу на десятки километров вглубь планеты, из-за чего в одних областях концентрация воды может быть в десять раз выше, чем в других.

Влияние Юпитера на Солнечную систему

Юпитер — первая сформировавшаяся планета в нашей Солнечной системе. Его огромная масса и сильная гравитация существенно повлияли на орбиты Земли и других планет. Понимание того, сколько воды содержится на Юпитере и где она находится, важно для разгадки происхождения воды на Земле — вопроса, который до сих пор остается открытым в планетологии. Ранее миссии, такие как Galileo в 1990-х годах, обнаружили воду в экваториальных областях Юпитера, однако оставалось неясным, можно ли считать эти данные репрезентативными для всей планеты.

Сложности изучения атмосферы Юпитера

Внешний вид Юпитера с его закрученными полосами и гигантскими вихрями — результат сложной динамики атмосферы. Эта красота создает серьезные трудности для измерения химического состава на глубине. Космический аппарат NASA Juno, работающий сейчас на орбите газового гиганта, в том числе призван определить общее количество воды. Новое исследование помогает понять, в каких именно областях следует проводить измерения для получения наиболее точных результатов. Подобные сложности могут возникнуть и при изучении ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, где конденсируются другие вещества, например, метан.

Новая модель гидрологического цикла Юпитера

Чтобы разобраться в процессах распределения воды, специалисты из Калифорнийского технологического института создали новую модель гидрологического цикла Юпитера. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследователи использовали компьютерную симуляцию высокого разрешения, воспроизводящую условия в средних широтах газового гиганта. Модель охватывала область атмосферы шириной 45 000 километров и длиной 60 000 километров, простираясь от глубин с давлением 87 бар до верхних слоев с давлением 0,002 бара.

В расчетах учитывались ключевые особенности Юпитера: его быстрое вращение (сутки длятся всего 10 земных часов) и особенности гидрологического цикла — как водяной пар конденсируется, образуя облака, выпадает в виде осадков и затем снова испаряется на глубине. В начальных условиях предполагалось, что глубоко в атмосфере вода распределена равномерно, а ее количество втрое превышает солнечное содержание кислорода.

Результаты моделирования: сложная структура влаги

Симуляция показала, что турбулентные потоки и дожди формируют сложную трехмерную структуру распределения влаги. Осадки уносят воду глубоко под видимый слой облаков, осушая верхние слои и делая нижнюю атмосферу более влажной на глубине десятков километров. Этот процесс создает вертикальную неоднородность. Затем крупномасштабные вихри и волны перемешивают воздушные массы по горизонтали, но не случайным образом.

На движение воздушных потоков сильно влияет вращение планеты. Динамику этих процессов описывает физическая величина, известная как потенциальная завихренность. Модель показала, что именно она управляет перемешиванием воды по широтам. В результате на уровне давления в семь бар содержание воды может различаться более чем в десять раз: в одних областях ее концентрация оказывается ниже солнечной, а в других — заметно выше. Это объясняет, почему локальные измерения не дают полного представления о запасах воды на всей планете.

Значение исследования для будущих миссий

Исследование прояснило, почему вода на Юпитере распределена столь неравномерно. Это результат сложного взаимодействия между осадками, создающими вертикальное разделение, и мощными атмосферными вихрями, перемешивающими влагу по широте.

Модель предполагает, что для точного измерения общего количества воды зондами необходимо опускаться на глубину, где испаряются все выпадающие осадки. Эти выводы помогут в интерпретации данных миссии Juno и планировании будущих аппаратов для изучения других газовых гигантов Солнечной системы.