Что мы знаем о Юпитере, благодаря Juno

Почти два года на орбите у планеты-гиганта Юпитера работает автоматическая межпланетная станция NASA Juno. Несмотря на технические проблемы, станция собрала немало интересных данных, наснимала изобилие красочных фото и значительно приблизилась к целям своего исследования — узнать, что скрывается в облачных недрах самой большой планеты Солнечной системы. 

Juno (Юнона — жена Юпитера в римской мифологии, бэкроним Jupiter Near-polar Orbiter) прибыла к планете-гиганту в июне 2016 года. С тех пор она вращается вокруг планеты по сильно вытянутой эллиптической орбите, которая позволяет пролетать над полюсами. Juno — второй искусственный спутник Юпитера, первый — Galilleo — летал в плоскости экватора и изучал естественные спутники.

Благодаря новой орбите, позволяющей осуществить тесные сближения и осмотр издалека, Juno получает уникальную информацию. Комплект научных приборов предназначен для изучения газовых недр планеты. В него входят ультрафиолетовый и инфракрасный спектрометры, радар микроволнового излучения, детекторы космических частиц и плазмы. Магнитометр предназначается для изучения мощного магнитного поля планеты, а цветная камера — для съемки верхнего слоя атмосферы. При помощи радиокомплекса для связи с Землей проводится изучение гравитационного поля планеты, которое влияет на скорость полета космического аппарата.

В отличие от большинства дальних космических станций, Juno оборудована солнечными батареями, которые раскинулись на огромную площадь 64 м2. На расстоянии Юпитера поступление энергии от Солнца составляет примерно 4% от земного уровня, поэтому солнечные батареи Juno вырабатывают примерно столько энергии, сколько выдаст обычная земная солнечная батарея для дачи площадью 3 м2. Такое решение было вынужденным, так как у NASA закончился плутоний-238, который использовали для радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Последние запасы изотопа, в 90-е годы купленные в России, ездят по Марсу в составе марсохода Curiosity и полетели ко внешним пределам Солнечной системы в зонде New Horizons. Сейчас NASA возобновило производство плутония-238, но временно перешло на солнечную энергию.

Juno находится на вытянутой орбите вокруг Юпитера, ближайшая точка полета над облачным слоем планеты-гиганта проходит на высоте 4200 км, а дальняя — на расстоянии 8 млн км. Полный облет станция совершает за 53,5 земных дня. Предварительный план полета предполагал сокращение эллипса орбиты, до расстояния от 4200 км до 3 млн км. План пришлось менять, когда Juno столкнулась с техническими проблемами. Заело два клапана на гелиевых баках наддува топливных баков. Двигатель не смог выполнить маневр торможения и понижения орбиты, поэтому пришлось оставаться на переходной. Благодаря новой орбите возможно продление миссии аппарата, так как на ней меньше воздействие радиационных поясов планеты, и бортовая электроника с научными приборами прослужит дольше. Летом 2018 года ученые рассмотрят возможности продления научной деятельности Juno.

С лета 2016 года до мая 2018-го Juno совершила двенадцать оборотов по своей орбите и смогла передать новые данные о распределении атмосферных слоев планеты, проникнуть под облачное покрывало полюсов Юпитера, открыть новый радиационный пояс и узнать о неожиданной связи недр гиганта с его магнитным полем. Все желающие имеют доступ к архиву снимков цветной камеры Juno, и энтузиасты самостоятельно занимаются их обработкой, создавая настоящие художественные полотна. Примеры таких работ можно найти на каналах авторов: Björn Jónsson, Seán Doran, Roman Tkachenko.

Наиболее эффектные картины тайфунов в инфракрасном диапазоне получились у полюса Юпитера. Один центральный полярный тайфун планеты окружен восемью другими стабильными тайфунами, причем они плохо заметны при взгляде «невооруженным глазом» и находятся на глубине.

Юпитер — не единственная планета Солнечной системы с постоянными атмосферными структурами на полюсе. Венера обладает парой тайфунов, которую тоже рассмотрели на облачной глубине в инфракрасном диапазоне. Полюс Сатурна украшает правильный шестиугольник, и хотя точно не установлены причины его возникновения, но экспериментально подтверждена возможность формирования шести тайфунов вокруг одного центрального.

Принес Юпитер сюрпризы и у более изученного экватора. Оказалось, что светлая экваториальная полоса — это поток аммиака, который поднимается из более глубокого слоя.

Ранее считалось, что верхняя атмосфера планеты-гиганта на глубину до 100 км однородна, теперь же ясно, что это не так.

Происхождение коричневых и оранжевых оттенков в атмосфере пока неизвестно, по одной из гипотез — это углеводороды, которые меняют свой цвет под воздействием солнечного ультрафиолета. Другое возможное соединение — гидросульфид аммония, желтоватая соль на основе азота, серы и водорода. Белые облака — это кристаллы аммиака. Скорость движения встречных потоков ветра достигает 360 км/ч.

Знаменитое Красное пятно Юпитера — это большой тайфун, который возникает на стыке встречных атмосферных потоков в южном полушарии. Тайфун поднимается на восемь километров выше окружающих облаков, и уходит в недра планеты. Красное пятно имеет около 16 тыс км в поперечнике, то есть больше диаметра Земли, оно наблюдается почти 200 лет, и за это время сократило свои размеры вдвое, постепенно уменьшаясь и сегодня. По краю Красного пятна дуют ветры на скоростях до 430 км/ч, но внутри движение медленнее. Причины возникновения и длительной стабильности Большого красного пятна Юпитера не известны, возможно это как-то связано с неоднородностью магнитного поля планеты.

Магнитное поле Юпитера сложнее в северном полушарии планеты, где между экватором и полюсом наблюдается обширная область высокой напряженности магнитного поля, которая падает к северному полюсу. Южнее экватора магнитное поле также имеет неоднородности, в том числе в районе Красного пятна. Как считается, магнитное поле возникает от токов, протекающих во внешнем ядре Юпитера, состоящего из жидкого «металлического» водорода, который формируется в условиях высокого давления на глубине ниже 15 тыс км.

Магнитное поле планеты-гиганта, взаимодействуя с солнечным ветром, а также плазмой и заряженными частицами, которые выбрасываются с естественных спутников, формирует мощные радиационные пояса. Радиационные пояса Земли пополняются в основном от Солнца, у Юпитера же главный источник ионизирующего излучения — выбросы газов с Ио и других больших спутников: Европы, Ганимеда, Каллисто. Ио располагается ближе всех к Юпитеру и является самым вулканически активным телом в Солнечной системе: постоянно там извергаются десятки вулканов, и Juno смогла увидеть их в инфракрасном диапазоне.

Пролетая на близком расстоянии от облачной поверхности планеты, Juno смогла уточнить характеристики радиационных поясов и даже обнаружить новый. Три луны Юпитера вращаются внутри радиационных поясов, которые представляют угрозу для электроники и будущих покорителей космоса. Электроны и тяжелые заряженные частицы: протоны, ионы различных газов, обладающие высокой энергией и скоростью вращаются вокруг планеты-гиганта на расстояниях до 1 млн км. Оказалось, что и на близком расстоянии от планеты в плоскости экватора имеется радиационный пояс, наполненный ионами водорода, кислорода и серы, которые движутся на скоростях близких к скорости света. Ближе к полюсам ожидалась встреча с элементами радиационного пояса наполненного легкими и быстрыми электронами. Но и там Juno зарегистрировала наличие тяжелых заряженных частиц, которые создают большой шум в приборах.

Хотя Юпитер — газовый гигант и не имеет твердой поверхности, но он далеко не весь наполнен облачными тайфунами. Так называемый «погодный слой» Юпитера, который демонстрирует эффекты атмосферной динамики, простирается вглубь примерно на 3 тыс км. Дальше высокое давление и температура превращает основной компонент атмосферы планеты-гиганта — водород — в электропроводящую жидкость. Благодаря электропроводности жидкий «океан» Юпитера попадает в зависимость от мощного магнитного поля планеты, и ветер «погодного слоя» уже не властен над ним. Глубже 3 тыс км планета ведет себя как твердое тело, что установлено при помощи анализа гравитационного поля. Предполагается, что у Сатурна облачный «погодный слой» должен быть еще толще, а у коричневых карликов, которые тоже родственны Юпитеру — наоборот, тоньше.

Исследование Юпитера продолжается. Пока не обработаны все накопленные Juno данные, и возможно продление миссии аппарата на год и более, поэтому впереди новые открытия, разгадки и новые тайны из недр самой большой планеты Солнечной системы.