Юпитер оказался богаче кислородом, чем Солнце, показало моделирование. Это открытие поможет ученым уточнить картину формирования всех планет Солнечной системы.

«Это давняя дискуссия в планетологии. Она показывает, как современные вычислительные модели могут изменить наше понимание других планет», — говорит первый автор исследования Ян Джихён из Чикагского университета.

Облака и химия

О бурном небе Юпитера известно как минимум 360 лет. Именно тогда астрономы, глядя в первые телескопы, обнаружили Большое красное пятно — гигантский шторм вдвое больше Земли, бушующий уже несколько столетий. Он один из многих на планете: свирепые ветры и мощная облачность приводят к тому, что вся поверхность газового гиганта покрыта калейдоскопом штормов.

Но что именно скрывается под этими бурями, до сих пор достоверно неизвестно. Облака настолько плотные, что космический аппарат «Галилео» потерял связь с Землей при погружении в глубокие слои атмосферы в 2003 году. Нынешняя миссия, «Юнона», изучает планету с безопасного расстояния.

Измерения с орбиты позволяют определить состав верхних слоев атмосферы: аммиак, метан, гидросульфид аммония, воду, угарный газ и другие вещества. Ученые комбинируют эти данные со знаниями о химических реакциях, чтобы строить модели глубокой атмосферы Юпитера.

Однако в научном сообществе сохраняются разногласия по некоторым вопросам, например, о том, сколько воды — а значит, и кислорода — содержит планета. Ян увидел возможность применить новое поколение химического моделирования к этой сложной проблеме.

Химия атмосферы Юпитера невероятно сложна. Молекулы перемещаются между экстремально горячими условиями в глубине атмосферы и более холодными верхними слоями, меняя агрегатное состояние и превращаясь в другие вещества в ходе тысяч разных реакций. При этом необходимо также учитывать поведение облаков и капель жидкости.

Чтобы лучше описать все эти явления, ученые впервые объединили в одной модели химические и гидродинамические процессы, результатами чего поделились на страницах The Planetary Science Journal.

«Нужно и то, и другое. Химия важна, но она не учитывает капли воды или поведение облаков. Гидродинамика же слишком упрощает химию. Поэтому их объединение — ключевой момент», — объясняет Ян.

Элементарный состав

Один из результатов исследования — новая оценка содержания кислорода на Юпитере. По расчетам, планета, вероятно, содержит примерно в 1,5 раза больше кислорода, чем Солнце.

Ученые десятилетиями спорят об этом значении. Недавнее крупное исследование давало гораздо более низкую оценку — всего треть от солнечной. Знание этой величины особенно важно для понимания того, как сформировалась наша Солнечная система.

Все небесные тела (да и мы сами) состоят из одних и тех же элементов. Но в разных пропорциях — и эти различия могут служить подсказками для реконструкции картины формирования планет.

Например, образовался Юпитер там, где он сейчас, или возник ближе или дальше от Солнца и со временем переместился? Подсказки могут заключаться в том, что большая часть кислорода на планете связана в воде, которая замерзает — и ведет себя иначе, — если находится слишком далеко от солнечного тепла. Лед планетам аккрецировать проще, чем водяной пар.

В свою очередь, лучшее понимание, при каких условиях формируются планеты разных типов, поможет нам в поиске обитаемых миров за пределами Солнечной системы.

Модель также показала, что циркуляция в атмосфере Юпитера, вероятно, происходит вверх и вниз гораздо медленнее, чем долгое время считалось. «Наша модель указывает, что турбулентная диффузия должна быть в 35–40 раз слабее по сравнению со стандартными предположениями», — уточняет планетолог.

То есть молекулы неделями проходят через один слой атмосферы, а не за несколько часов.

«Это наглядно показывает, как много нам еще предстоит узнать о планетах, даже в нашей собственной Солнечной системе», — заключил Ян.