Облака Юпитера — теперь в 3D

Считается, что верхний слой облаков на Юпитере состоит из аммиака, гидросульфида аммония и водяного льда, причём состав облаков и их отражательные свойства систематически меняются с высотой. С 2016 года за юпитерианскими облаками следит станция «Юнона». Астрономы использовали некоторые из многочисленных снимков облаков с «Юноны» в видимом диапазоне для создания 3D-модели облачного покрова. Снимки, сделанные аппаратом с интервалом в несколько минут, использовались для создания стереопар, то есть пар изображений, смещённых по углу зрения, которые позволяют увидеть трёхмерную структуру рельефа облаков.

Снимки получены с широкоугольной камеры JunoCam. Она работает в видимом диапазоне и наблюдает не только облака, но и молнии на планете. Этот инструмент на самом деле не настолько важен для астрономов по сравнению с другим научным оборудованием станции. Его включение в комплект аппаратуры в основном определялось желанием «показать красивые картинки» — в буквальном смысле. Назначение снимков с камеры — привлечь общественность к миссии «Юнона» и проводимым исследованиям Юпитера и его спутников. Возможность популярно рассказать о космических исследованиях и заинтересовать этой темой публику — это одно из значимых направлений работы астрономов, которым не следует пренебрегать: ведь в конечном итоге это влияет и на государственное финансирование астрономических исследований. Кроме того, это влияет и на развитие гражданской науки. В данном случае усилия в том числе математиков, но непрофессиональных астрономов позволили продемонстрировать, как «игрушечная» камера «Юноны» может заниматься научными исследованиями.

«Юнона» совершает облёты Юпитера с некоторой достаточно высокой скоростью, делая по пути снимки (как на заглавной картинке). Основная идея построения «трёхмерных юпитерианских облаков» в том, что станция может делать снимки с небольшими временными интервалами в несколько минут, пока облачный покров не успевает сильно сместиться, но за это время сам аппарат проделывает значительный путь, и может сделать два снимка одного и того же участка под разными углами. Эта техника использует эффект параллакса — так фотографы с незапамятных времён получали стереоскопические изображения, фотографируя объект с разных точек. В эпоху аэрофотосъёмки этот же метод использовался для создания стереоизображений поверхности Земли. В случае Юпитера вопрос, однако, в том, каким образом мы по излучению от участка облака можем определить его высоту, а также обеспечим неподвижность сцены при перемещении камеры.

Облака, разумеется, движутся, причём со скоростью ураганного ветра. Поэтому последовательные снимки камер «Юноны» прежде всего дают смещение различных их участков, то есть позволяют определить скорость перемещения воздушных слоёв. Для этого использовались наблюдения научного инструментария «Юноны»: такие фотографии, полученные при предыдущих облётах, дают картину «розы ветров» в атмосфере. Во время последних облётов облака, разумеется, также двигались, и наблюдаемые смещения должны в качестве главного эффекта давать перемещение атмосферных масс. Но особенности траектории облётов позволили выделить эффекты второго порядка. Некоторые ясно различимые структуры в облаках смещались так, как если бы мы рассматривали их как предметы на разных расстояниях под разным углом. А значит, видимое смещение на разных снимках содержит две составляющих: собственное перемещение облаков и искомое угловое смещение при параллаксе. Два эффекта можно было бы систематически разделить на всём массиве снимков при помощи надлежащей обработки изображений. Вероятно, у астрономов до этого пока не дошли руки, учитывая «игрушечный» характер снимков с JunoCam, и это может стать темой будущих исследований.

Следующая идея 3D-реконструкции заключается в том, что на высоту может указывать и интенсивность отражённого от участка облака света. Более яркие облака находятся выше, а свет от более глубоких слоёв лучше поглощается, в частности, из-за наличия метана. Поскольку состав атмосферы систематически меняется с высотой, по оттенкам белого цвета в принципе можно откалибровать снимки по высоте, определив относительную высоту различных участков. Далее подбираются пары снимков аппарата с необходимым временным лагом поменьше (не более нескольких минут), перепроецируются с учётом предполагаемого собственного смещения облаков и самого аппарата — и получаются рабочие стереопары, из которых можно создавать трёхмерную компьютерную визуализацию одним из многочисленных имеющихся способов. В идеале можно получить цифровые карты рельефа, или DEM-модели (Digital Elevation Model) так, как это делается при помощи спутниковой съёмки на Земле с аппаратов LandSat или подобных. «Юнона» получила необходимые для 3D-модели снимки во время 43-го облёта Юпитера на высоте около 13,5 тысяч километров над верхней границей облаков. В отличие от наземных телескопов, только «Юнона» может видеть облака так близко, то есть посмотреть на них под разными углами (создать нужную базу параллакса). Подробнее про создание трёхмерной модели облаков и астрофизические предположения в её основе можно узнать из доклада авторов на конференции EPSC-2022 (EuroPlanet Science Congress, сентябрь 2022 года).