Юпитер - грозный гигант
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Юпитер
 Исследователи
Станция "Juno"
Страница: Старт "Юноны" к Юпитеру, Юнона на подлете к Юпитеру, Выход на орбиту Юпитера (Part #1, Part #2), Первые результаты, Юпитер глазами Юноны;
Гигант Юпитер

Juno (Юнона) около Юпитера

Продление миссии


    6 июня Лаборатория реактивного движения объявила о продлении работы аппарата Juno («Юнона») на орбите вокруг Юпитера до июля 2021 г. Соответствующее решение приняла в апреле комиссия экспертов NASA на основании уже полученных научных результатов и представленной программы исследований.
    Межпланетная станция Juno, предназначенная для подробного изучения атмосферы и внутренней структуры Юпитера и космической среды вокруг него, была запущена 5 августа 2011 г.. Аппарат был выведен на орбиту вокруг планеты в ночь с 4 на 5 июля 2016 г.. Начальная полярная орбита имела высоту в перицентре около 4700 км и в апоцентре свыше 8 млн км при периоде обращения около 53 сут, причем Juno проходил перииовий в направлении с севера на юг.

Снимок Юпитера в районе Большого красного пятна. Север - справа, юг - слева. 10 июля 2017 г.
NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstadt/ Sean Doran
"ЮНОНА" (JUNO, NASA)

    Планировалось, что после двух первых витков 19 октября 2016 г. аппарат выполнит еще одно торможение в перицентре, чтобы снизить период обращения до 14 суток, однако этот маневр пришлось отменить из-за опасений за состояние клапанов подачи гелия наддува для бортовой двигательной установки. В сходной ситуации в декабре 2010 г. из-за отказа клапана японский зонд «Акацуки» не смог выйти на орбиту вокруг Венеры. Руководители проекта Juno решили не рисковать.
    Как следствие, вместо 37 витков вокруг планеты пришлось довольствоваться только 14 витками, последний из которых завершается 16 июля 2018 г. (см. таблицу) и с точки зрения науки будет десятым рабочим пролетом над Юпитером. Это существенно ограничило объем собираемой научной информации, но одновременно позволило провести интересные измерения на большом удалении от планеты. Кроме того, бортовая камера JunoCam, установленная главным образом с целью популяризации проекта, передала большое количество уникальных снимков ее полярных районов и отдельных деталей.

Прохождения перицентра орбиты Юпитера аппаратом Juno
Номер
Дата и время, UTC
Высота, км
Примечания
 PJ0
05.07.2016, 03:18
4700
Начало торможения для выхода на орбиту
 PJ1
27.08.2016, 13:44
4200
 PJ2
19.10.2016, 19:04
4180
Маневр перехода на рабочую орбиту отменен
 PJ3
11.12.2016, 17:04
2580
 PJ4
02.02.2017, 12:57
4300
 PJ5
27.03.2017, 08:52
4400
 PJ6
19.05.2017, 06:00
3500
 PJ7
11.07.2017, 01:55
3500
 PJ8
01.09.2017, 21:49
3500
 PJ9
24.10.2017, 18:36
...
Данные приняты 31 октября из-за соединения с Солнцем
 PJ10
16.12.2017, 18:48
...
 PJ11
07.02.2018, 14:36
3500
 PJ12
01.04.2018, 10:42
...
 PJ13
24.05.2018, 06:17
...
Примечание. Все времена даны по приходу радиосигнала на Землю ERT.
Прохождения перицентра орбиты Юпитера аппаратом Juno

    Аппарат и все его научные приборы работают нормально. Принятое решение обеспечивает финансирование проекта за период с февраля 2018 г., когда формально завершилась основная миссия Juno, до июля 2021 г., а также обработку научной информации до сентября 2022 г. включительно. За отведенное время станция должна выполнить все 32 научных пролета над планетой, которые предусматривались первоначальной программой. Работа Juno завершится тормозным маневром, который обеспечит падение аппарата в Юпитер - чтобы гарантировать спутники планеты от заражения земными микроорганизмами.
    «Уточненные планы для Juno позволят нам достичь первоначально намеченных научных целей, - говорит научный руководитель проекта Скотт Болтон (Scott Bolton) из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио. - В качестве бонуса более вытянутая орбита позволит нам продолжить изучение дальних областей магнитосферы Юпитера, включая ее хвост, южную часть и магнитопаузу... Мы также нашли радиационную обстановку на такой орбите менее жесткой, чем ожидали, и это благоприятствует не только нашему аппарату, но и приборам и качеству собираемых научных данных».
    Но что же удалось узнать ученым проекта Juno за два года в системе Юпитера? Проще всего ответить на этот вопрос словами С. Болтона, сказанными еще в мае 2017 г.: «Отправляясь сюда, мы знали, что Юпитер подбросит нам закрученных мячей... но их оказалось так много, что нам пришлось сделать шаг назад, чтобы переосмыслить этот совершенно новый Юпитер».

Видимая поверхность

    До Juno и земные телескопы, и камеры КА могли наблюдать Юпитер лишь от экватора до средних широт, в пределах деления на полосы и зоны с различной скоростью углового вращения. Полярные области планеты оставались terra incognita.
    И первые же снимки преподнесли сюрприз, ничуть не меньший, чем открытие гигантских шестиугольных вихрей над полюсами Сатурна. Как выяснилось, северный полюс Юпитера является одновременно центром мощного циклона размером примерно с Землю, вокруг которого плотно и довольно симметрично, примерно через 45°, расположены восемь циклонов меньшего размера - «всего лишь» от 4000 км до 4500 км в диаметре. Скорость ветра в этих вихрях достигает 350 км/ч.

Атмосферные вихри в северном умеренном поясе Юпитера. Снимок сделан 23 мая 2018 г. с расстояния 7900 км от облачного слоя планеты
"ЮНОНА" (JUNO, NASA)

    Сходная, хотя и не столь красивая картина огромных, трущихся друг о друга атмосферных вихрей, была найдена и в южной полярной области, но там циклонов-спутников не восемь, а только пять, и они крупнее - от 5500 км до 7000 км.
    Второй год ученые с интересом наблюдают за ними, пытаясь понять, насколько устойчивы эти конфигурации и меняются ли они со временем. «Вопрос в том, почему они не сливаются, - говорит Альберто Адриани (Alberto Adriani) из Института космической астрофизики и планетологии в Риме. - Мы знаем из данных Cassini, что Сатурн имеет по одному циклоническому вихрю на каждом из полюсов. Мы начинаем догадываться, что не все газовые гиганты созданы равными».
    11 апреля 2018 г. на сессии Европейского геофизического союза команда инфракрасной камеры JIRAM представила красивый трехмерный фильм, в котором удалось запечатлеть движение циклонов и антициклонов в северной полярной области.

На изображении с инфракрасной камеры JIRAM северный полюс Юпитера с центральным и восемью окружающими его циклонами. Яркие участки облаков имеют температуру -13°С, а наиболее темные -188°С
"ЮНОНА" (JUNO, NASA)

Большое красное пятно

    Траектория пролета 11 июля 2017 г. пролегала над Большим красным пятном (БКП) Юпитера - гигантским антициклоном, наблюдаемым с 1830 г. Изначально оно было в два с половиной раза больше Земли, но постепенно сокращалось в размере. К моменту прилета «Вояджеров» в 1979 г. оно соответствовало двум диаметрам Земли, а сейчас сократилось до 1.3 ее диаметра, то есть примерно до 16400 км.

На изображении показаны данные с шести каналов микроволнового радиометра MWR на борту космического аппарата Юнона. Данные получены во время шестой научной орбиты миссии (или перийовий 7), в ходе которой космический аппарат пролетел над Большим Красным Пятном Юпитера. Верхний слой схемы – это изображение в видимом свете, полученное камерой JunoCam. Инструмент MWR позволяет наблюдать более глубокие слои атмосферы Юпитера, чем это позволяют любые наблюдения с Земли. Каждый канал MWR позволяет заглянуть на все более глубокий уровень атмосферы ниже видимой облачной поверхности. Канал 1 чувствителен к микроволнам с большой длиной волны, а каждый последующий ко все более коротким. Практически на каждом наблюдаемом уровне видна крупномасштабная структура БКП.
"ЮНОНА" (JUNO, NASA)

    Juno прошел на высоте около 9000 км над БКП в 02:06 UTC, через 11 мин 33 сек после перицентра орбиты, и обнаружил, что объект имеет глубину около 300 км относительно верхней кромки облачности. Микроволновой радиометр MWR показал высокую температуру дна БКП, что легко объясняет свирепые ветры, регистрируемые в верхнем ярусе.

Грозовая активность

    б июня 2018 г. в журнале Nature команда Шеннона Брауна (Shannon Т. Brown) отчиталась об изучении молний в атмосфере Юпитера. Грозовые разряды планеты были впервые зафиксированы в радиодиапазоне двумя аппаратами Voyager и не были похожи на земные: они были слышны в килогерцовом радиодиапазоне, но не в мегагерцовом. Аппараты Galileo и Cassini не прибавили ясности, а вот микроволновой радиометр MWR на Juno впервые сумел зафиксировать грозовые разряды на мегагерцовых и гигагерцовых частотах - всего 377 событий в первых восьми пролетах у планеты. Ш. Браун связывает успех с малой высотой над Юпитером - порядка 2500 км в некоторых пролетах - и попаданием в «окна прозрачности» ионосферы планеты.

Молнии в районе северного полюса Юпитера в представлении художника
"ЮНОНА" (JUNO, NASA)

    В этом смысле молнии Юпитера похожи на земные, а вот в части географического распределения картина оказалась противоположной. Земные грозы наиболее интенсивны в тропиках, где максимально поступление энергии от Солнца и где поднимается вверх теплый влажный воздух. На Юпитере большая часть тепла генерируется самой планетой. Вблизи экватора совместное действие внутреннего и внешнего нагрева подавляет конвекцию, а в полярных районах, где Солнце мало нагревает атмосферу, конвекция происходит, грозовые облака формируются и генерируют электрические разряды с частотой до четырех в секунду.
    Нерешенным остается вопрос, почему большая часть разрядов регистрируется над северной полярной областью. Впрочем, это не единственный пример асимметрии планеты.

Внутреннее строение

    Видимая поверхность Юпитера является эллипсоидом с большой полуосью 71 450 км - по сути это уровень вершин аммиачных облаков Юпитера. Инфракрасная камера JIRAM «видит» на 50-70 км в глубину, что позволяет понять внутреннее строение и атмосферную динамику.
    Микроволновой радиометр MWR измеряет тепловое излучение, приходящее с глубины до 350-400 км. Из его данных, полученных еще на первом научном витке 27 августа 2016 г., следует, что в широтном поясе вблизи экватора аммиак отмечается вплоть до предела видимости, причем его концентрация растет. В то же время на других широтах пояса и зоны не прослеживаются в глубину так явственно и, похоже, эволюционируют по мере погружения в какие-то другие структуры.

Данные радиометра MWR по аммиаку. Красный - высокое содержание, синий - низкое
"ЮНОНА" (JUNO, NASA)

    Гравитационные данные, генерируемые при близких пролетах над планетой, дают возможность рассчитать нечетные и четные гравитационные гармоники и заглянуть еще глубже. Установлено, что гравитационное поле Юпитера имеет асимметрию между севером и югом, что, по-видимому, находит свое выражение в асимметрии струйных течений.
    На основании этих данных делаются попытки промоделировать потоки вещества в атмосфере и во внутренних областях планеты, получив их вероятный вертикальный профиль и зависимость глубины от широты.
    «До Juno мы не могли выбрать ни одну из спектра моделей внутреннего вращения Юпитера, потому что все они соответствовали данным наземных наблюдений и других межпланетных КА, - говорит Тристан Гийо (Tristan Guillot) из Университета Лазурного Берега (Франция). - Но благодаря поразительному улучшению точности, привнесенному гравитационными данными Juno, мы по существу решили этот вопрос: установлено, что зоны и пояса разных скоростей вращения атмосферы простираются на глубину примерно 3000 км. На этом уровне водород становится проводящим в достаточной степени, чтобы его увлекало в почти равномерное вращение мощное магнитное поле планеты».
    Последнее явление на языке науки называется магнитной диссипацией. В специальном выпуске Nature за 8 марта 2018 г. команда Гийо называет нижней границей зональных потоков глубину от 2000 км до 3500 км. Ниже ее дифференциальное вращение ослабевает по крайней мере на порядок, и планета начинает вращаться в первом приближении как твердое тело.
    Масса динамической атмосферы Юпитера, расположенной выше этой границы, оценивается в 1% от общей массы планеты - она оказалась значительно больше, чем предполагалось ранее. На Земле, кстати, атмосфера составляет лишь одну миллионную часть от массы всей планеты.
    Теперь, когда структура и состав верхних слоев Юпитера прояснились, ученые группы Гийо готовы к анализу его внутренней структуры. Пока известно лишь, что ядро планеты весьма крупное, значительно больше, чем кто-либо ожидал, но плохо очерченное. Предполагается, что оно находится в состоянии частичной расплавленности.

Магнитное поле

    Крайне интересным при близком рассмотрении оказалось магнитное поле Юпитера: очень сильное - его максимальная напряженность достигает 7.8 Гс, что примерно в 10 раз выше, чем на Земле, - и непохожее ни на что изученное ранее.
    11 апреля Джек Коннерни (Jack Connerney) из Корпорации космических исследований в Аннаполисе подтвердил полученные ранее данные о неравномерности магнитного поля Юпитера. «Это неровное распределение заставляет полагать, что источником поля является работа планетного динамо ближе к поверхности, над слоем металлического водорода», - напомнил ученый.
    Дж. Коннерни с соавторами спроецировали данные магнитных измерений с орбиты до поверхности планеты и вглубь до уровня, где должна работать «динамо-машина», создающая магнитное поле. Картина получилась весьма нерегулярная, с пиками и провалами интенсивности, и к тому же несимметричная. В средних широтах северного полушария находится зона, где магнитное поле сильное и положительное, а по бокам от нее - меньшее по интенсивности и отрицательное. В южном полушарии поле везде имеет отрицательную полярность и усиливается в направлении от экватора к полюсу.
    Как такое может происходить на вращающейся планете с более или менее жидкой внутренней областью, пока непонятно. Исследователи высоко оценивают полученный результат и называют его началом новой эры изучения планетных динамо.

Радиационные пояса

    11 декабря 2017 г. на сессии Американского геофизического союза в Новом Орлеане исследователи во главе с Хайди Беккер (Heidi Becker) сообщили об открытии нового радиационного пояса, проходящего над экваториальными широтами немногим выше границы облаков. Пояс содержит протоны и ионы кислорода и серы очень высоких энергий, так что скорость движения частиц приближается к скорости света. Ученые предполагают, что его составляют энергичные нейтральные атомы из газовых оболочек Ио и Европы, ионизированные при взаимодействии с верхней атмосферой планеты.

На графике показана новая радиационная зона вокруг Юпитера, расположенная над атмосферой вблизи экватора. Эта радиационная зона/пояс включает в себя энергичный водород, кислород и ионы серы, движущиеся с релятивистскими скоростями. Зона находится внутри ранее известных радиационных поясов Юпитера. Область обнаружена благодаря прибору JEDI космического аппарата Юнона и уникально близкой орбиты космического аппарата (во время перийовия Юнона приближается к Юпитеру на расстояние в 3400 км). Ученые миссии полагают, что источником частиц, формирующих эту зону являются быстрые нейтральные атомы (без заряда), исходящие из тонких атмосфер вокруг лун Юпитера Ио и Европы. Нейтральные атомы становятся ионами – атомами с электрическим зарядом, поскольку они теряют свои электроны при взаимодействии с верхним слоем атмосферы планеты. Юнона также обнаружила сигнатуры скопления высокоэнергетических тяжелых ионов на внутренних краях электронного радиационного пояса Юпитера. Ранее этот пояс содержал преимущественно электроны, движущиеся с почти световой скоростью. Сигнатура тяжелых ионов наблюдается на высоких широтах в электронном поясе – регионе ранее не исследованном космическими аппаратами. Происхождение и виды этих тяжелых ионов еще пока неясно. Камера-датчик SRU-1 регистрирует эти ионы в виде чрезвычайно высокого уровня шумы на изображениях, собранных в рамках радиационного мониторинга. Места, где были обнаружены тяжелые ионы, отмечены на графике двумя яркими точками вдоль траектории полета Юноны.
"ЮНОНА" (JUNO, NASA)

    «Чем ближе ты к Юпитеру, тем более странно становится, - прокомментировала X. Беккер. - Мы нашли [пояс] только потому, что... буквально пролетели сквозь него». Новый радиационный пояс был обнаружен при обработке данных прибора JEDI - детектора энергичных частиц на борту Juno.
    Кроме того, Juno нашел признаки существования тяжелых энергичных ионов у внутренних границ основного радиационного пояса, состоящего из релятивистских электронов. При пересечении его в высоких широтах, которые ранее не исследовались, наблюдается очень высокий уровень шума звездного датчика SRU-1 (Stellar Reference Unit). Радиационная группа накапливает соответствующие данные, но пока не может определить, каковы состав и происхождение этих частиц.

Полярные сияния

    Уже упомянутый JEDI вместе с ультрафиолетовым спектрографом UVS позволил ученым группы Барри Маука (Barry Mauk) из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса измерить электрические потенциалы, заставляющие электроны высыпаться в атмосферу Юпитера и создавать полярные сияния. Как выяснилось, они ускоряют частицы до 400 кэВ и в 10-30 раз выше авроральных потенциалов, зарегистрированных в земной магнитосфере.
    Не вполне понятно другое - почему они наблюдаются не всегда и почему самые яркие полярные сияния на Юпитере вызывают не они, а какие-то другие турбулентные процессы ускорения частиц. «Наши последние данные подсказывают, что, когда плотность мощности авроральной генерации повышается, процесс становится нестабильным и сменяется каким-то новым процессом ускорения», - пояснил Б. Маук по случаю публикации 7 сентября 2017 г. в Nature.

Изображение, созданное на основе данных полученных с помощью ультрафиолетового спектрометра (UVS) космического аппарата Юнона, демонстрирует траекторию его орбиты при пересечении области с полярным сиянием на Юпитере. На графике показано изменение энергии высокоэнергетических электронов. Сигнатура на графике с отметкой «inverted Vs» указывает на мощный электрический потенциал в магнитном поле, который ускоряет электроны в атмосфере до энергий, которые намного больше, чем то, что приводит к сильным полярным сияниям на Земле.
"ЮНОНА" (JUNO, NASA)

    «В течение многих десятилетий ученые предполагали, что стоит только спуститься ниже вершин облаков, ниже того уровня, куда доходят солнечные лучи, и Юпитер становится однородным, - говорит Скотт Болтон. - Будет все равно, куда вы смотрите, потому что во все стороны одно и то же. Однако мы нашли, что это все что угодно, кроме правды. Он совсем другой и очень сложный».
Автор: И. ЛИСОВ, "НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ"
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru