Wyobraź sobie, że Slushee ™ złożony z amoniaku i wody zamkniętych w twardej skorupce lodu wodnego. Teraz wyobraź sobie te inkrustowane lodowe kulki, nazwane „mushballami”, padając jak grad podczas burzy, oświetlone intensywnymi błyskami błyskawicy.
Planetarni naukowcy z University of California w Berkeley twierdzą teraz, że na Jowisza istnieją na Jowisza. W rzeczywistości na wszystkich planetach Galaktyki mogą wystąpić gradowe hailstorms w galaktyce, w tym w innych gigantycznych planach Układu Słonecznego, Saturn, Uran i Neptune.
Idea Mushballs została początkowo przedstawiona w 2020 r. W celu wyjaśnienia nierówności w rozmieszczeniu gazu amoniaku w górnej atmosferze Jowisza, które zostały wykryte zarówno przez misję Juno NASA, jak i radiowe teleskopy na Ziemi.
W tym czasie, absolwent UC Berkeley, Chris Moeckel i jego doradca, Imke de Pater, profesor Emerita z astronomii oraz nauk o ziemi i planetarnej, uznali teorię zbyt skomplikowaną, aby była realna, wymagając wysoce specyficznych warunków atmosferycznych.
„Imke i ja powiedzieliśmy:„ Nie ma mowy na świecie ” – powiedział Moeckel, który otrzymał doktorat UC Berkeley. w zeszłym roku i jest teraz badaczem w UC Berkeley's Space Sciences Laboratory. „Tak wiele rzeczy musi się spotkać, aby to wyjaśnić, wydaje się to tak egzotyczne. Zasadniczo spędziłem trzy lata, próbując udowodnić, że to źle. I nie mogłem udowodnić, że to źle”.
Potwierdzenie, poinformowane 28 marca w czasopiśmie Science Advances, pojawiło się wraz z pierwszą wizualizacją 3D górnej atmosfery Jowisza, którą Moeckel i De Pater niedawno stworzyli i opisują w artykule, który jest obecnie poddawany wzajemnej oceny i jest publikowany na serwerze Preprint Arxiv.
Obraz 3D troposfery Jowisza pokazuje, że większość systemów pogodowych na Jowisza jest płytka, osiągając zaledwie 10 do 20 kilometrów poniżej widocznego pokładu chmur lub „powierzchni” planety, która ma promień 70 000 km. Większość kolorowych, wirujących wzorów w pasmach otaczających planetę jest płytka.
Jednak pewna pogoda pojawia się znacznie głębiej w troposferze, redystrybuując amoniak i wodę i zasadniczo niezmieszając to, co od dawna uważano za jednolitą atmosferę. Trzy rodzaje odpowiedzialnych zdarzeń pogodowych to wiry podobne do huraganu, hotspoty w połączeniu z bogatymi w amoniak pióropusze, które owijają się wokół planety w strukturze falowej i dużych burz, które generują mushball i błyskawicę.
„Za każdym razem, gdy patrzysz na Jowisza, to głównie poziom powierzchni” – powiedział Moeckel. „Jest płytki, ale kilka rzeczy – wiry i te wielkie burze – mogą się przebijać”.
„Juno naprawdę pokazuje, że amoniak jest wyczerpany na wszystkich szerokościach geograficznych do około 150 kilometrów, co jest naprawdę dziwne” – powiedział De Pater, który odkrył 10 lat temu, że amoniak został wyczerpany do około 50 km. „To właśnie Chris próbuje wyjaśnić, gdy swoje systemy burzowe idą znacznie głębiej niż się spodziewaliśmy”.
Wnioskowanie składu planety z obserwacji chmur
Giganci gazowi, tacy jak Jowisz i Saturn oraz lodowe giganci, tacy jak Neptune i Uran, są głównym celem obecnych misji kosmicznych i dużych teleskopów, w tym Space Telescope Jamesa Webba, częściowo dlatego, że mogą nam pomóc zrozumieć historię naszego układu słonecznego i gruntu prawdy w odległych egzoplanetach, z których wiele jest dużych i zgrzytowych. Ponieważ astronomowie widzą tylko górną atmosferę odległego egzoplanet, wiedza o tym, jak interpretować sygnatury chemiczne w tych obserwacjach, może pomóc naukowcom wnioskować o szczegółach wnętrz egzoplanetowych, nawet w przypadku planetów podobnych do ziemi.
„Zasadniczo pokazujemy, że szczyt atmosfery jest w rzeczywistości dość złym przedstawicielem tego, co jest na planecie” – powiedział Moeckel.
To dlatego, że burze takie jak te, które tworzą musushballs niezmieszają atmosferę, dzięki czemu skład chemiczny chmur niekoniecznie odzwierciedla kompozycję głębiej w atmosferze. Jowisz raczej nie będzie wyjątkowy.
„Możesz to po prostu rozszerzyć na Uran, Neptune – z pewnością również na egzoplanety” – powiedział De Pater.
Atmosfera na Jowiszie różni się radykalnie od tej na Ziemi. Jest przede wszystkim wykonany z wodoru i gazu helowego o śladowych ilości cząsteczek gazowych, takich jak amoniak i woda, które są cięższe niż atmosfera luzem. Atmosfera Ziemi to głównie azot i tlen. Jupiter ma również burze, podobnie jak Wielki Czerwony punkt, które trwają od stuleci. I podczas gdy pary gazowe amoniaku i pary wody rosną, zamraża się w kropelki, takie jak śnieg, i nieustannie pada deszcz, nie ma stałej powierzchni do uderzenia. W którym momencie krople deszczu przestają spadać?
„Na Ziemi masz powierzchnię, a deszcz w końcu uderzy w tę powierzchnię” – powiedział Moeckel. „Pytanie brzmi: co się stanie, jeśli zabierzesz powierzchnię? Jak daleko krople deszczowe wpadają na planetę? To właśnie mamy na gigantycznych planach”.
To pytanie wzbudza zainteresowanie naukowców planet od dziesięcioleci, ponieważ uważa się, że procesy takie jak deszcz i burze są głównymi pionowymi mikserami atmosfery planetarnej. Przez dziesięciolecia proste założenie dobrze wymieszanej atmosfery skierowało wnioski na temat wewnętrznego składu gigantycznych planet, takich jak Jowisz.
Obserwacje przez teleskopy radiowe, w większości prowadzone przez De Pater i współpracowników, pokazują, że to proste założenie jest fałszywe.
„Turbulentne chmurki doprowadziłyby cię do przekonania, że atmosfera jest dobrze mieszana” – powiedział Moeckel, wywołując analogię gotującego garnka z wodą. „Jeśli spojrzysz na górę, zobaczysz, że jest gotowany i zakładasz, że cały garnek się wrząca. Ale te odkrycia pokazują, że chociaż górna część wygląda na gotowanie, poniżej znajduje się warstwa, która jest naprawdę bardzo stabilna i ospała”.
Mikrofizyka papki
Moeckel powiedział, że na Jowisza większość deszczu wodnego i śniegu amoniaku wynosi wysoko w zimnej atmosferze i odparowuje. Jednak jeszcze przed przybyciem Juno do Jowisza, De Pater i jej koledzy zgłosili górną atmosferę pozbawioną amoniaku. Byli jednak w stanie wyjaśnić te obserwacje poprzez dynamiczne i standardowe modelowanie pogodowe, które przewidywało deszcz amoniaku w burzach aż do warstwy wody, gdzie pary wodne kondensuje się w ciecz.
Ale obserwacje radiowe przez Juno prześledziły regiony słabego mieszania się znacznie większej głębokości, do około 150 km, z wieloma obszarami zagadkowanymi zubożonymi amoniakiem i brakiem znanego mechanizmu, który mógłby wyjaśnić obserwacje. Doprowadziło to do propozycji, że woda i lód amoniaku muszą tworzyć grad, które wypadają z atmosfery i usuwać amoniak. Ale to była tajemnica, jak mogły powstać grad, które były wystarczająco ciężkie, aby wpaść setki kilometrów w atmosferę.
Aby wyjaśnić, dlaczego brakuje amoniaku w części atmosfery Jowisza, naukowiec planetarny Tristan Guillot zaproponował teorię z udziałem gwałtownych burz i bluszczych hailstonów o nazwie Mushballs. W tym pomyśle silne prognozy podczas burz mogą podnieść małe cząsteczki lodu wysoko nad chmurami – ponad 60 kilometrów w górę. Na tych wysokościach lód miesza się z oparą amoniaku, która działa jak przeciw zamarzaniu i topi lód w bluzy. Gdy cząsteczki nadal rosną i upadają, rosną – jak grad na ziemi – ostatecznie stają się kuballami wielkości softballów.
Te mushball mogą uwięzić duże ilości wody i amoniaku o stosunku 3 do 1. Ze względu na ich rozmiar i wagę wpadają głęboko w atmosferę – znacznie poniżej miejsca, w którym zaczęła się burza – niosąc ze sobą amoniak. Pomaga to wyjaśnić, dlaczego w górnej atmosferze nie ma amoniaku: jest wciągany i ukryty głęboko w planecie, gdzie pozostawia słabe podpisy, które należy zaobserwować za pomocą teleskopów radiowych.
Proces ten zależy jednak od szeregu określonych warunków. Burze muszą mieć bardzo silne prognozy, około 100 metrów na sekundę, a cząsteczki błotniste muszą szybko mieszać się z amoniakiem i rosną wystarczająco duże, aby przetrwać upadek.
„Podróż Mushball zasadniczo zaczyna się około 50 do 60 kilometrów poniżej pokładu chmur, gdy kropelki wody. Krople wody szybko się zbliżają do góry na talii chmur, gdzie zamarzają, a następnie spadają ponad stu kilometrów na planecie, gdzie zaczynają odparować i depozyt materiał” – powiedział Moeckel. „Tak więc, zasadniczo, ten dziwny system, który zostaje uruchomiony daleko poniżej pokładu chmur, idzie aż do szczytu atmosfery, a następnie zatapi się głęboko w planecie”.
Unikalne podpisy w danych radiowych Juno dla One Storm Cloud przekonały go i jego kolegów, że tak się dzieje.
„Pod chmurą było małe miejsce, które albo wyglądało jak chłodzenie, to znaczy ulepszenie lodu lub wzmocnienie amoniaku, to znaczy topienie i uwalnianie amoniaku” – powiedział Moeckel. „To fakt, że każde wyjaśnienie było możliwe tylko w przypadku Mushballs, które ostatecznie mnie przekonały”.
The radio signature could not have been caused by water raindrops or ammonia snow, according to paper co-author Huazhi Ge, an expert in cloud dynamics on giant planets and a postdoctoral fellow at the California Institute of Technology in Pasadena.
„Papier naukowy pokazuje, obserwacyjnie, że proces ten najwyraźniej jest prawdą, wbrew mojej najlepszej chęci znalezienia prostszej odpowiedzi” – powiedział Moeckel.
Skoordynowane obserwacje Jowisza
Naukowcy na całym świecie obserwują Jowisza regularnie z naziemnymi teleskopami, w czasie, aby zbiegać się z najbliższym podejściem Juno do planety co sześć tygodni. W lutym 2017 r. I kwietnia 2019 r. – okresy objęte dwoma artykułami – naukowcy wykorzystali dane zarówno z teleskopu kosmicznego Hubble'a (HST), jak i bardzo dużej tablicy (VLA) w Nowym Meksyku, aby uzupełnić obserwacje Juno w celu stworzenia obrazu 3D troposfery. HST, przy widocznych długościach fali, zapewniał pomiary odbitego światła z wierzchołków chmur, podczas gdy VLA, teleskop radiowy, sondował dziesiątki kilometrów poniżej chmur, aby zapewnić globalny kontekst. Radiometr mikrofalowy Juno badał głęboką atmosferę Jowisza w ograniczonym regionie atmosfery.
„Zasadniczo opracowałem metodę tomografii, która przyjmuje obserwacje radiowe i zamienia je w trójwymiarowe renderowanie tej części atmosfery, która jest widziana przez Juno”-powiedział Moeckel.
Zdjęcie 3D tego jednego pokosu Jowisza potwierdziło, że większość pogody dzieje się w górnych 10 kilometrach.
„Warstwa kondensacji wody odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu dynamiki i pogody na Jowisza” – powiedział Moeckel. „Tylko najpotężniejsze burze i fale mogą przebić się przez tę warstwę.
Moeckel zauważył, że jego analiza atmosfery Jowisza była opóźniona z powodu braku dostępnych publicznie skalibrowanych produktów danych z misji Juno. Biorąc pod uwagę bieżący poziom opublikowanych danych, został zmuszony do niezależnego odtworzenia metod przetwarzania danych zespołu misji – narzędzi, danych i dyskusji, które, jeśli zostaną udostępnione wcześniej, mogły znacznie przyspieszyć niezależne badania i poszerzyć udział naukowy. Od tego czasu udostępnił te zasoby publicznie wspierać przyszłe działania badawcze.
Prace zostały częściowo sfinansowane przez nagrodę obserwacji systemu słonecznego (SSO) od NASA (80NSSC18K1003).