Раскрыта тайна «энергетического кризиса» Юпитера

Космические ученые из Университета Лестера работали с коллегами из Японского космического агентства (JAXA), Бостонского университета, Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT), чтобы раскрыть механизм, лежащий в основе нагрева атмосферы Юпитера.

Юпитер показан в видимом свете для контекста под художественным впечатлением от инфракрасного свечения верхних слоев атмосферы Юпитера. Яркость этого верхнего слоя атмосферы соответствует температурам от горячего до холодного в следующем порядке: белый, желтый, ярко-красный и, наконец, темно-красный. Полярные сияния — самые жаркие регионы, и изображение показывает, как тепло может уноситься ветрами от полярного сияния и вызывать нагревание всей планеты. Предоставлено: Дж. О & # 039; Донохью (JAXA) / Hubble / NASA / ESA / A. Саймон / Дж. Шмидт

Теперь, используя данные обсерватории Кека на Гавайях, астрономы создали наиболее подробную, но глобальную карту верхних слоев атмосферы газового гиганта, впервые подтвердив, что мощные полярные сияния Юпитера ответственны за нагрев всей планеты.

Доктор Джеймс О’Донохью — исследователь в JAXA, защитил докторскую диссертацию. в Лестере и является ведущим автором исследовательской работы. Он сказал:

«Мы впервые начали попытки создать глобальную тепловую карту самых верхних слоев атмосферы Юпитера в Университете Лестера. В то время сигнал не был достаточно ярким, чтобы обнаружить что-либо за пределами полярных регионов Юпитера, но с учетом уроков, извлеченных из этой работы, несколько лет спустя нам удалось сэкономить время на одном из крупнейших и наиболее конкурентоспособных телескопов на Земле.

«С помощью телескопа Кека мы составили карты температуры с необычайной детализацией. Мы обнаружили, что температуры начинаются очень высокими в пределах полярного сияния, как и ожидалось из предыдущей работы, но теперь мы могли наблюдать, что полярное сияние Юпитера, несмотря на то, что оно занимает менее 10% площади планеты, похоже, нагревает все это.

«Это исследование началось в Лестере и продолжалось в Бостонском университете и НАСА, а затем завершилось в JAXA в Японии. Сотрудники с каждого континента, работая вместе, сделали это исследование успешным, в сочетании с данными космического корабля НАСА Juno на орбите вокруг Юпитера и космического корабля Хисаки JAXA, космической обсерватории ».

Д-р Том Сталлард и д-р Хенрик Мелин работают в Школе физики и астрономии Лестерского университета. Доктор Сталлард добавил:

«В тонкой атмосфере на вершине каждой гигантской планеты в нашей солнечной системе была очень давняя загадка. С каждой космической миссией Юпитера, наряду с наземными наблюдениями за последние 50 лет, мы постоянно измеряли экваториальные температуры как слишком высокие.

«Этот« энергетический кризис »был давней проблемой — модели не могут правильно моделировать потоки тепла от полярного сияния, или есть какой-то другой неизвестный источник тепла около экватора?

«В этой статье описывается, как мы нанесли на карту эту область с беспрецедентной детализацией и показали, что на Юпитере экваториальный нагрев напрямую связан с полярным сиянием».

Полярные сияния возникают, когда заряженные частицы попадают в магнитное поле планеты. Они движутся по спирали вдоль силовых линий к магнитным полюсам планеты, ударяя по атомам и молекулам в атмосфере, высвобождая свет и энергию.

На Земле это приводит к характерному световому шоу, которое формирует Северное сияние и Австралис. На Юпитере материал, извергающийся из его вулканической луны Ио, приводит к самому мощному сиянию в Солнечной системе и огромному нагреву в полярных регионах планеты.

Хотя полярные сияния Юпитера долгое время были главным кандидатом на нагрев атмосферы планеты, наблюдения ранее не могли подтвердить или опровергнуть это до сих пор.

Предыдущие карты температуры верхних слоев атмосферы были сформированы с использованием изображений, состоящих всего из нескольких пикселей. Этого разрешения недостаточно, чтобы увидеть, как температура может измениться по всей планете, и дает мало подсказок относительно происхождения дополнительного тепла.

Ортографические прогнозы погрешностей в температуре ниже 5%. Длинные черно-белые пунктирные линии показывают главный авроральный овал Юпитера, короткие черно-белые пунктирные линии соответствуют магнитному следу Ио, а единственная толстая черная линия соответствует магнитному следу Амальтеи (как описано в основном тексте). ). Под температурной проекцией H3 + показан видимый компьютерный глобус Юпитера на основе изображений космического телескопа Хаббла. Изображение предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА и Научный институт космического телескопа. Обратите внимание, что Юпитер наклоняется по-разному в каждую дату, чтобы раскрыть разные особенности. Показанные линии координатной сетки по долготе и широте разнесены с шагом 60 ° и 10 ° соответственно. Медиана (и максимальная) процентили неопределенности составляют 2,2% (5%) для 14 апреля 2016 г. и 1,6% (5%) для 25 января 2017 г. b, Медиана юпитерианских температур H3 +, найденная для каждой широты по всем долготам. Столбики ошибок равны 1σ и показывают изменение температуры по всем долготам. Методы описывают процесс сопоставления, а таблица расширенных данных 1 показывает размеры пространственных интервалов, которые использовались в каждой проекции. Предоставлено: Университет Лестера.

Исследователи создали пять карт атмосферной температуры с разным пространственным разрешением, причем карта с самым высоким разрешением показывала измерение средней температуры для квадратов: два градуса долготы «высокий» и два градуса широты «широкий».

Команда исследовала более 10 000 отдельных точек данных, картируя только точки с погрешностью менее пяти процентов.

Модели атмосфер газовых гигантов предполагают, что они работают как гигантский холодильник, с тепловой энергией, оттянутой от экватора к полюсу и откладываемой в нижних слоях атмосферы в этих полюсных областях.

Эти новые открытия предполагают, что быстро меняющиеся полярные сияния могут направлять волны энергии против этого направленного к полюсу потока, позволяя теплу достигать экватора.

Наблюдения также показали область локализованного нагрева в субавроральной области, которую можно интерпретировать как ограниченную волну тепла, распространяющуюся к экватору, что можно интерпретировать как свидетельство процесса, приводящего к передаче тепла.

Планетарные исследования в Университете Лестера охватывают всю систему Юпитера, от магнитосферы и атмосферы планеты до разнообразных спутников.