Большое Красное Пятно — это постоянная область высокого давления в атмосфере Юпитера , создающая антициклонический шторм , который является крупнейшим в Солнечной системе . Это самая узнаваемая особенность на Юпитере из-за его красно-оранжевого цвета, происхождение которого до сих пор неизвестно. Расположенное в 22 градусах к югу от экватора Юпитера , оно создает скорость ветра до 432 км/ч (268 миль/ч). Впервые оно было замечено в сентябре 1831 года, и с тех пор по 1878 год, когда начались непрерывные наблюдения, было зарегистрировано 60 наблюдений. [1] [2] Похожее пятно наблюдалось с 1665 по 1713 год; если это тот же шторм, то он существует уже по крайней мере 359 лет, [3] но исследование, проведенное в 2024 году, предполагает, что это не так. [4]
Большое Красное Пятно, возможно, существовало до 1665 года, но возможно, что нынешнее пятно было впервые замечено только в 1830 году и было хорошо изучено только после яркого появления в 1879 году. Шторм, который наблюдался в 17 веке, мог отличаться от шторма, который существует сегодня. [5] Длительный разрыв отделяет период его текущего изучения после 1830 года от его открытия в 17 веке. Неизвестно, рассеялось ли и преобразовалось ли первоначальное пятно, исчезло ли оно или просто были плохие данные наблюдений. [6]
Первое наблюдение Большого Красного Пятна часто приписывают Роберту Гуку , который описал пятно на планете в мае 1664 года. Однако вполне вероятно, что пятно Гука находилось не только в совершенно другом поясе (Северном экваториальном поясе, в отличие от нынешнего расположения Большого Красного Пятна в Южном экваториальном поясе ), но и в тени транзитной луны, скорее всего, Каллисто . [7] Гораздо более убедительным является описание «постоянного пятна» Джованни Кассини в следующем году. [8] Из-за колебаний видимости пятно Кассини наблюдалось с 1665 по 1713 год, но 48-летний перерыв в наблюдениях делает идентичность двух пятен неубедительной. Более короткая история наблюдений старого пятна и более медленное движение, чем у современного пятна, затрудняют вывод о том, что они являются одним и тем же. [9]
Небольшая загадка касается пятна на Юпитере, изображенного на полотне Донато Крети 1711 года , которое выставлено в Ватикане . [10] [11] Часть серии панелей, на которых различные (увеличенные) небесные тела служат фоном для различных итальянских сцен, и все они контролировались астрономом Эустакио Манфреди для точности, картина Крети является первым известным изображением Большого Красного Пятна как красного (хотя и поднятого до северного полушария Юпитера из-за оптической инверсии, присущей телескопам той эпохи). Ни одна особенность Юпитера не была явно описана в письменном виде как красная до конца 19-го века. [11]
Большое Красное Пятно наблюдалось с 5 сентября 1831 года. К 1879 году было зарегистрировано более 60 наблюдений. [1] С тех пор, как оно стало известным в 1879 году, оно находится под постоянным наблюдением.
Исследование исторических наблюдений, проведенное в 2024 году, предполагает, что «постоянное пятно», наблюдавшееся с 1665 по 1713 год, может быть не тем же самым, что и современное Большое Красное Пятно, наблюдаемое с 1831 года. Предполагается, что первоначальное пятно исчезло, а позже образовалось другое пятно, которое и наблюдается сегодня. [4]
25 февраля 1979 года [12] , когда космический аппарат Voyager 1 находился на расстоянии 9 200 000 км (5 700 000 миль) от Юпитера, он передал первое детальное изображение Большого Красного Пятна. Были видны детали облаков размером до 160 км (100 миль) в поперечнике. Красочный волнистый рисунок облаков, видимый слева (западнее) Красного Пятна, представляет собой область необычайно сложного и изменчивого волнового движения.
В 21 веке было замечено, что основной диаметр Большого Красного Пятна уменьшается в размерах. В начале 2004 года его длина была примерно вдвое меньше, чем столетием ранее, когда оно достигло размера 40 000 км (25 000 миль), что примерно в три раза больше диаметра Земли. При нынешних темпах уменьшения оно станет круглым к 2040 году. Неизвестно, как долго просуществует пятно, и является ли изменение результатом нормальных колебаний. [13] В 2019 году Большое Красное Пятно начало «шелушиться» по своему краю, при этом фрагменты шторма откалывались и рассеивались. [14] Сокращение и «шелушение» подпитывали предположения некоторых астрономов о том, что Большое Красное Пятно может рассеяться в течение 20 лет. [15] Однако другие астрономы полагают, что видимый размер Большого Красного Пятна отражает его облачный покров, а не размер фактического, лежащего в основе вихря, и они также полагают, что явления шелушения можно объяснить взаимодействием с другими циклонами или антициклонами, включая неполное поглощение более мелких систем; если это так, то это будет означать, что Большому Красному Пятну не грозит опасность рассеивания. [16]
Меньшее пятно, обозначенное как Овал BA , которое образовалось в марте 2000 года в результате слияния трех белых овалов, [17] приобрело красноватый цвет. Астрономы назвали его Малым Красным Пятном или Красным Младшим. По состоянию на 5 июня 2006 года Большое Красное Пятно и Овал BA, по-видимому, приближались к сближению. [18] Штормы проходят друг мимо друга примерно каждые два года, но прохождение в 2002 и 2004 годах не имело большого значения. Эми Саймон-Миллер из Центра космических полетов Годдарда предсказала, что штормы пройдут максимально близко 4 июля 2006 года. Она работала с Имке де Патер и Филом Маркусом из Калифорнийского университета в Беркли, а также с командой профессиональных астрономов, начиная с апреля 2006 года, чтобы изучить штормы с помощью космического телескопа Хаббл ; 20 июля 2006 года два шторма были сфотографированы обсерваторией Gemini, проходящими мимо друг друга без сближения. [19] В мае 2008 года третий шторм стал красным. [20]
Космический аппарат Juno , вышедший на полярную орбиту вокруг Юпитера в 2016 году, пролетел над Большим Красным Пятном во время его близкого сближения с Юпитером 11 июля 2017 года, сделав несколько снимков шторма с расстояния около 8000 км (5000 миль) над поверхностью. [21] [22] В течение всей миссии Juno космический аппарат продолжал изучать состав и эволюцию атмосферы Юпитера, особенно его Большого Красного Пятна. [21]
Большое Красное Пятно не следует путать с Большим Темным Пятном, особенностью, обнаруженной вблизи северного полюса Юпитера в 2000 году космическим аппаратом Кассини-Гюйгенс . [23] В атмосфере Нептуна также есть особенность, называемая Большим Темным Пятном . Последняя особенность была заснята Вояджером-2 в 1989 году и, возможно, была атмосферной дырой, а не штормом. Она исчезла в 1994 году, хотя похожее пятно появилось дальше на севере.
Большое Красное Пятно Юпитера вращается против часовой стрелки с периодом около 4,5 земных суток [24] или 11 юпитерианских суток по состоянию на 2008 год. Имея ширину 16 350 км (10 160 миль) по состоянию на 3 апреля 2017 года, Большое Красное Пятно в 1,3 раза больше диаметра Земли. [21] Верхние части облаков этого шторма находятся примерно на 8 км (5 миль) выше окружающих верхних частей облаков. [25] Шторм продолжает существовать на протяжении столетий, потому что нет планетарной поверхности (только мантия водорода ), которая могла бы обеспечить трение; циркулирующие газовые вихри сохраняются в атмосфере в течение очень долгого времени, потому что нет ничего, что могло бы противостоять их угловому моменту. [26]
Инфракрасные данные давно указывают на то, что Большое Красное Пятно холоднее (и, следовательно, находится выше по высоте), чем большинство других облаков на планете. [27] Однако верхняя атмосфера над штормом имеет существенно более высокую температуру, чем остальная часть планеты. Акустические (звуковые) волны, поднимающиеся от турбулентности шторма ниже, были предложены в качестве объяснения нагревания этой области. [28] Акустические волны распространяются вертикально до высоты 800 км (500 миль) над штормом, где они разрушаются в верхних слоях атмосферы, преобразуя энергию волн в тепло. Это создает область верхней атмосферы, которая имеет температуру 1600 К (1330 °C; 2420 °F) — на несколько сотен кельвинов теплее, чем остальная часть планеты на этой высоте. [28] Эффект описывается как «разбивающиеся [...] океанские волны о пляж». [29]
Тщательное отслеживание атмосферных особенностей выявило циркуляцию Большого Красного Пятна против часовой стрелки еще в 1966 году, наблюдения убедительно подтвердились первыми покадровыми съемками с пролетов Вояджера . [30] Пятно ограничено скромным восточным струйным течением на юге и очень сильным западным на севере. [31] Хотя ветры по краю пятна достигают пика около 432 км/ч (268 миль/ч), течения внутри него кажутся застойными, с небольшим притоком или оттоком. [32] Период вращения пятна со временем уменьшился, возможно, как прямой результат его постоянного уменьшения в размерах. [33]
Широта Большого Красного Пятна была стабильной на протяжении всего периода хороших записей наблюдений, обычно изменяясь примерно на градус. Однако его долгота подвержена постоянным изменениям, включая 90-дневное продольное колебание с амплитудой ~1°. [34] [35] Поскольку Юпитер не вращается равномерно на всех широтах, астрономы определили три различные системы для определения долготы. Система II используется для широт более 10 градусов и изначально была основана на среднем периоде вращения Большого Красного Пятна 9 ч 55 мин 42 с. [36] Однако, несмотря на это, пятно «пересекало» планету в Системе II по крайней мере 10 раз с начала 19 века. Скорость его дрейфа резко изменилась за эти годы и была связана с яркостью Южного экваториального пояса и наличием или отсутствием Южного тропического возмущения. [37]
Большое Красное Пятно Юпитера (БКП) представляет собой антициклон эллиптической формы, возникающий на 22 градуса ниже экватора в южном полушарии Юпитера. [39] Самый большой антициклонический шторм (~16 000 км) в нашей солнечной системе, о его внутренней глубине и структуре известно немного. [40] Видимые изображения и отслеживание облаков с помощью наблюдений на месте определили скорость и завихренность БКП, который расположен в тонком антициклоническом кольце на 70–85% радиуса и расположен вдоль самого быстрого движущегося на запад струйного течения Юпитера. [41] Во время миссии НАСА «Юнона» в 2016 году были получены данные о гравитационной сигнатуре и тепловом инфракрасном [41] [42] , которые дали представление о структурной динамике и глубине БКП. [40] [41] В июле 2017 года космический аппарат Juno провел второй проход GRS для сбора сканирований GRS с помощью микроволнового радиометра (MWR), чтобы определить, насколько далеко GRS простирается к поверхности конденсированного слоя H 2 O. [40] Эти сканирования MWR показали, что вертикальная глубина GRS простирается примерно на 240 км ниже уровня облаков, с предполагаемым падением атмосферного давления до 100 бар. [40] [41] Два метода анализа, которые ограничивают собранные данные, - это подход Маскона , который обнаружил глубину ~290 км, и подход Слепяна, показывающий, что ветер простирается до ~310 км. [40] Эти методы, наряду с данными MWR о гравитационной сигнатуре, предполагают, что зональные ветры GRS по-прежнему увеличиваются со скоростью 50% от скорости жизнеспособного уровня облаков, прежде чем начнется затухание ветра на более низких уровнях. Эти данные по скорости затухания ветра и гравитации указывают на то, что глубина GRS составляет от 200 до 500 км. [40]
Тепловые инфракрасные изображения и спектроскопия БКП, полученные аппаратами Galileo и Cassini, проводились в 1995–2008 годах с целью обнаружения термических неоднородностей во внутреннем вихре структуры БКП. [41] Предыдущие карты температур в инфракрасном диапазоне, полученные с миссий Voyager , Galileo и Cassini, показали, что БКП представляет собой структуру антициклонического вихря с холодным ядром внутри восходящего более теплого кольца; эти данные показывают градиент температуры БКП. [39] [41] Более глубокое понимание температуры атмосферы Юпитера, непрозрачности аэрозольных частиц и состава аммиачного газа было получено с помощью тепловых инфракрасных изображений: на протяжении десятилетий собиралась прямая корреляция реакций видимых слоев облаков, термического градиента и картирования состава с данными наблюдений. [39] [41] В декабре 2000 года изображения с высоким пространственным разрешением, полученные с помощью Galileo, атмосферной турбулентной области к северо-западу от GRS, показали тепловой контраст между самой теплой областью антициклона и областями к востоку и западу от GRS. [41] [43]
Вертикальная температура структуры БКП ограничена диапазоном 100–600 мбар, при этом вертикальная температура ядра БКП составляет приблизительно 400 мбар давления [ необходимо уточнение ] , что на 1,0–1,5 К намного теплее, чем области БКП на востоке-западе, и на 3,0–3,5 К теплее, чем области на севере-юге от края структуры. [41] Эта структура согласуется с данными, собранными с помощью изображений VISIR (VLT Mid-Infrared Imager Spectrometer на ESO Very Large Telescope), полученных в 2006 году; это показало, что БКП физически присутствовало в широком диапазоне высот, которые встречаются в диапазоне атмосферного давления 80–600 мбар, и подтверждает результат теплового инфракрасного картирования. [41] [42] [45] Для разработки модели внутренней структуры GRS, миссия Cassini Composite Infrared Spectrometer (CIRS) и наземные пространственные изображения составили карту состава аэрозолей фосфина и аммиака (PH 3 , NH 3 ) и парагидроксибензойной кислоты в антициклонической циркуляции GRS. [41] [46] Изображения, которые были получены с помощью CIRS и наземных изображений, отслеживают вертикальное движение в атмосфере Юпитера по спектрам PH 3 и NH 3. [39] [41]
Самые высокие концентрации PH 3 и NH 3 были обнаружены к северу от периферийного вращения GRS. Они помогли определить движение струи на юг и продемонстрировали доказательства увеличения высоты столба аэрозолей с давлением в диапазоне от 200 до 500 мбар. [41] [47] Однако данные о составе NH 3 показывают, что существует значительное истощение NH 3 ниже видимого слоя облаков на южном периферийном кольце GRS; эта более низкая непрозрачность связана с узкой полосой проседания атмосферы. [41] Низкая непрозрачность аэрозоля в среднем ИК-диапазоне, наряду с градиентами температуры, разницей высот и вертикальным движением зональных ветров, связаны с развитием и устойчивостью вихреобразования. [41] Более сильное проседание атмосферы и композиционные асимметрии GRS предполагают, что структура демонстрирует некоторую степень наклона от северного края к южному краю структуры. [41] [48] Глубина и внутренняя структура БКП постоянно менялись на протяжении десятилетий; [40] однако до сих пор нет логического обоснования того, что ее глубина составляет 200–500 км, но струйные течения, которые обеспечивают силу, питающую вихрь БКП, находятся значительно ниже основания структуры. [40] [41]
Неизвестно, что является причиной красноватого цвета Большого Красного Пятна. Гипотезы, подкрепленные лабораторными экспериментами, предполагают, что это может быть вызвано химическими продуктами, созданными в результате солнечного ультрафиолетового облучения гидросульфида аммония [49] и органического соединения ацетилена , которое производит красноватый материал — вероятно, сложные органические соединения, называемые толинами . [50] Большая высота расположения соединений также может способствовать окраске. [51]
Большое Красное Пятно сильно варьируется по оттенку, от почти кирпично-красного до бледно-лососевого или даже белого. Пятно иногда исчезает, становясь заметным только через впадину Красного Пятна, которая является его местоположением в Южном Экваториальном Поясе (SEB). Его видимость, по-видимому, связана с SEB; когда пояс ярко-белый, пятно имеет тенденцию быть темным, а когда он темный, пятно обычно светлое. Эти периоды, когда пятно темное или светлое, происходят с нерегулярными интервалами; с 1947 по 1997 год пятно было темнее всего в периоды 1961–1966, 1968–1975, 1989–1990 и 1992–1993. [6]
Годдарда
Марк Леффлер и Реджи Хадсон проводили лабораторные исследования, чтобы выяснить, могут ли космические лучи, один из типов излучения, которое попадает в облака Юпитера, химически изменять гидросульфид аммония, образуя новые соединения, которые могли бы объяснить цвет пятна.