Моложе, чем предполагали: Численные модели проясняют происхождение и долголетие Большого Красного Пятна на Юпитере
Исследователи Университета Страны Басков (UPV / EHU), Политехнического университета Каталонии BarcelonaTech (UPC) и Суперкомпьютерного центра Барселоны (CNS-BSC) провели всестороннее исследование Большого Красного Пятна Юпитера. Они проанализировали исторические наблюдения, начиная с 17 века, и разработали численные модели для объяснения длительности и природы этого уникального атмосферного образования.
Большое Красное Пятно Юпитера (GRS) является, одной из самых известных и узнаваемых атмосферных структурой в Солнечной системе. Его поражающие размеры (в настоящее время диаметр GRS равен диаметру Земли) и красноватый цвет, выделяющийся на фоне бледных облаков планеты, делают его хорошо различимым даже в небольшие телескопы.
GRS представляет собой гигантский антициклонический вихрь, по периферии которого дуют ветры со скоростью до 450 км/ч. Это крупнейший и древнейший вихрь, существующий в атмосферах планет Солнечной системы. Однако его возраст остаётся предметом дискуссий, а механизм, приведший к его формированию, до сих пор не до конца ясен.
Корни спекуляций о происхождении GRS восходят к первым телескопическим наблюдениям, сделанным астрономом Джованни Доменико Кассини в 1665 году. Тогда Кассини обнаружил тёмный овальный объект на той же широте, что и современное GRS, и назвал его «Постоянным пятном» (PS), поскольку это образование наблюдалось им и другими астрономами вплоть до 1713 года.
Затем астрономы потеряли след PS на 118 лет, пока в 1831 году и в последующие годы С. Швабе вновь не зафиксировал чёткую овальную структуру, совпадающую по широте с GRS. Это можно рассматривать как первое наблюдение нынешнего Большого Красного Пятна, возможно, на стадии его формирования. С тех пор GRS постоянно наблюдается с помощью наземных телескопов и различных космических миссий, посещавших Юпитер.
В ходе исследования авторы проанализировали эволюцию размеров, структуры и движений как Постоянного пятна, наблюдавшегося Кассини, так и современного Большого Красного Пятна. Для этого они использовали исторические источники, относящиеся к середине 17 века, вскоре после изобретения телескопа.
«Наши измерения размеров и характеристик движения убедительно показывают, что нынешнее Большое Красное Пятно едва ли является тем самым Постоянным пятном, которое наблюдал Кассини. Скорее всего, Постоянное пятно исчезло где-то между серединой 18-го и 19-го веков, и в этом случае современное Красное Пятно существует уже как минимум 190 лет», — пояснил Агустин Санчес-Лавега, профессор физики UPV / EHU, возглавлявший это исследование.
Интересно, что размер Красного Пятна, составлявший в 1879 году около 39 000 километров по длинной оси, со временем уменьшился примерно до 14 000 километров, при этом оно стало более округлым.
Кроме того, начиная с 1970-х годов, это уникальное метеорологическое явление на Юпитере тщательно изучалось в ходе ряда космических миссий.
Недавно различные инструменты на борту космической миссии «Юнона», находящейся на орбите Юпитера, показали, что Большое Красное Пятно является относительно неглубоким и тонким образованием по сравнению с его горизонтальными размерами. По вертикали его протяжённость составляет около 500 километров, как пояснил Агустин Санчес-Лавега.
Чтобы понять, каким образом мог образоваться этот гигантский атмосферный вихрь, исследовательские команды из UPV / EHU и UPC провели численное моделирование на суперкомпьютерах, таких как MareNostrum IV в Суперкомпьютерном центре Барселоны (BSC), входящем в Испанскую суперкомпьютерную сеть (RES). Учёные использовали два дополняющих друг друга типа моделей, чтобы изучить поведение тонких вихрей в атмосфере Юпитера.
На этой планете преобладают мощные ветровые течения, которые текут по параллелям, меняя своё направление с широтой. К северу от Большого Красного Пятна ветры дуют на запад со скоростью 180 км/ч, а к югу на восток со скоростью 150 км/ч. Этот огромный сдвиг скорости ветра с севера на юг является ключевым фактором, позволяющим вихрю расти.
В ходе исследования были рассмотрены различные механизмы, которые могли бы объяснить происхождение Большого Красного Пятна, включая возможность возникновения из гигантской супербури, подобной тем, что изредка наблюдаются на планете-близнеце Сатурне, или слияние множества более мелких вихрей, вызванное сдвигом ветра. Однако результаты показали, что хотя в обоих случаях может формироваться антициклонический вихрь, его характеристики по форме и динамике всё же будут отличаться от современного Большого Красного Пятна.
«Мы также считаем, что если бы произошло одно из этих необычных явлений, то астрономы того времени, несомненно, зафиксировали бы его или его последствия в атмосфере», — сказал Санчес-Лавега.
В третьей серии численных экспериментов исследовательская группа изучила возможность генерации Большого Красного Пятна из-за известной нестабильности ветров, которая, как полагают, способна создавать вытянутую область, окружающую и удерживающую эти ветры. Такая область могла бы представлять собой зарождающееся Красное Пятно, последующее сжатие которого привело бы к появлению компактного и быстро вращающегося Большого Красного Пятна, наблюдаемого в конце 19 века. Образование крупных вытянутых областей уже наблюдалось при возникновении других мощных вихрей на Юпитере.
«Наше компьютерное моделирование на суперкомпьютерах показало, что вытянутые ячейки будут стабильны, если они будут вращаться вокруг периферии Большого Красного Пятна со скоростью, соответствующей ветрам на Юпитере, как и ожидалось, если они формируются из-за этой нестабильности», — пояснил соавтор исследования Энрике Гарсиа-Мелендо.
Используя два различных подхода к численному моделированию, исследователи пришли к выводу, что если скорость вращения Красного Пятна будет ниже, чем у окружающих ветров, то оно распадётся, что сделает невозможным образование устойчивого вихря. А если скорость будет слишком высокой, то его свойства будут отличаться от наблюдаемых сегодня характеристик Большого Красного Пятна.
Дальнейшие исследования будут направлены на попытки воспроизвести сокращение размеров Большого Красного Пятна с течением времени, чтобы более подробно выяснить физические механизмы, лежащие в основе его долговечности. Также учёные попытаются предсказать, распадётся ли Большое Красное Пятно и исчезнет, когда достигнет предельных размеров, как это могло произойти с Постоянным пятном, наблюдавшимся Кассини, или же оно стабилизируется на каком-то пределе размера и сможет продолжать существовать ещё долгие годы.