Великое Красное Пятно Юпитера: История и Современные Изменения

Введение

Большое красное пятно – это устойчивая область высокого давления в атмосфере Юпитера, порождающая антициклонический шторм, являющийся самым крупным в Солнечной системе. Это наиболее узнаваемая деталь на Юпитере благодаря своему красно-оранжевому цвету, происхождение которого до сих пор не установлено. Расположенное на 22 градуса южнее экватора Юпитера, оно характеризуется скоростью ветра до 432 км/ч. Считается, что наблюдения, сделанные в период с 1665 по 1713 год, относятся к тому же шторму; если это так, то он существует уже не менее 350 лет. В следующий раз его наблюдали в сентябре 1831 года, после чего было зафиксировано 60 наблюдений до 1878 года, когда начались систематические наблюдения.

Первые замечания

Большое Красное Пятно могло существовать и до 1665 года, однако возможно, что нынешнее пятно впервые заметили лишь в 1830 году, а детально изучили только после его заметного проявления в 1879 году. Буря, наблюдавшаяся в XVII веке, могла отличаться от современной. Значительный промежуток времени отделяет период его современных исследований, начавшийся после 1830 года, от его открытия в XVII веке. Неизвестно, рассеялось ли первоначальное пятно и сформировалось вновь, померкло ли оно, или же качество наблюдений было просто недостаточным. Гораздо более убедительным является описание Джованни Кассини «постоянного пятна» в следующем году. При колебаниях видимости пятно Кассини наблюдалось с 1665 по 1713 год, но 48-летний разрыв в наблюдениях не позволяет однозначно утверждать об идентичности этих двух пятен. Более старое пятно имеет более короткую историю наблюдений и двигалось медленнее, чем современное, что затрудняет заключение о их тождестве. Небольшая загадка связана с изображением пятна на Юпитере на холсте Донато Крети 1711 года, хранящемся в Ватикане. Эта картина является частью серии панелей, на которых различные (увеличенные) небесные тела служат фоном для итальянских сцен, и за точностью всех изображений следил астроном Эвстахио Манфреди. Картина Крети – первое известное изображение Большого Красного Пятна красным (хотя и смещённое в северное полушарие Юпитера из-за оптической инверсии, свойственной телескопам той эпохи). Ни одна деталь на Юпитере не была явно описана как красная в письменных источниках до конца XIX века. С момента его заметного проявления в 1879 году за ним ведётся непрерывное наблюдение.

Конец XX и XXI века

25 февраля 1979 года, когда космический аппарат «Вояджер-1» находился вблизи Юпитера, он передал первое детальное изображение Большого Красного Пятна. Были видны детали облаков размером всего около 160 километров. Цветной, волнистый рисунок облаков слева (на западе) от Красного Пятна представляет собой область исключительно сложного и изменчивого волнового движения. В XXI веке наблюдается уменьшение основного диаметра Большого Красного Пятна. К началу 2004 года его длина составляла примерно половину от размера столетием ранее, когда он достигал величины около 30 000 километров, что примерно в три раза превышало диаметр Земли. При текущей скорости уменьшения он станет круглым к 2040 году. Неизвестно, как долго просуществует пятно, или является ли это изменение результатом нормальных колебаний. В 2019 году Большое Красное Пятно начало «расслаиваться» по краям, с отрывом и рассеиванием фрагментов шторма. Уменьшение размера и «расслоение» подстегнули предположения некоторых астрономов о том, что Большое Красное Пятно может рассеяться в течение 20 лет. Однако другие астрономы полагают, что видимый размер Большого Красного Пятна отражает его облачное покрытие, а не размер фактического, лежащего в основе вихря, и что явления расслоения можно объяснить взаимодействием с другими циклонами или антициклонами, включая неполное поглощение меньших систем; если это так, то Большому Красному Пятну не угрожает рассеивание. Меньшее пятно, обозначенное как Овал BA, образовавшееся в марте 2000 года в результате слияния трех белых овалов, приобрело красноватый оттенок. Астрономы назвали его Малым Красным Пятном или Красным Младшим. По состоянию на 5 июня 2006 года Большое Красное Пятно и Овал BA приближались друг к другу. Штормы проходят мимо друг друга примерно каждые два года, но прохождения 2002 и 2004 годов не имели существенного значения. Эми Саймон Миллер из Центра космических полетов Годдарда предсказала, что наиболее близкое прохождение штормов произойдет 4 июля 2006 года. Она работала с Имке де Патер и Филом Маркусом из Калифорнийского университета в Беркли, а также с группой профессиональных астрономов, начиная с апреля 2006 года, для изучения штормов с помощью космического телескопа «Хаббл»; 20 июля 2006 года две бури были сфотографированы обсерваторией Джемини, проходящими друг мимо друга без сближения. В мае 2008 года третий шторм стал красным. Космический аппарат «Юнона», вышедший на полярную орбиту вокруг Юпитера в 2016 году, пролетел над Большим Красным Пятном во время его близкого подхода к Юпитеру 11 июля 2017 года, сделав несколько изображений шторма с расстояния около 8047 километров над поверхностью. На протяжении всей миссии «Юнона» космический аппарат продолжал изучать состав и эволюцию атмосферы Юпитера, особенно его Большого Красного Пятна. В атмосфере Нептуна также существует образование, называемое Большим Темным Пятном. Это образование было зафиксировано «Вояджером-2» в 1989 году и, возможно, представляло собой атмосферное отверстие, а не шторм. К 1994 году оно исчезло, хотя похожее пятно появилось дальше на север.

On 25 February 1979, when the Voyager 1 spacecraft was from Jupiter, it transmitted the first detailed image of the Great Red Spot. Cloud details as small as across were visible. The colorful, wavy cloud pattern seen to the left (west) of the Red Spot is a region of extraordinarily complex and variable wave motion. In the 21st century, the major diameter of the Great Red Spot has been observed to be shrinking in size. At the start of 2004, its length was about half that of a century earlier, when it reached a size of , about three times the diameter of Earth. At the present rate of reduction, it will become circular by 2040. It is not known how long the spot will last, or whether the change is a result of normal fluctuations. In 2019, the Great Red Spot began "flaking" at its edge, with fragments of the storm breaking off and dissipating. The shrinking and "flaking" fueled speculation from some astronomers that the Great Red Spot could dissipate within 20 years. However, other astronomers believe that the apparent size of the Great Red Spot reflects its cloud coverage and not the size of the actual, underlying vortex, and they also believe that the flaking events can be explained by interactions with other cyclones or anticyclones, including incomplete absorptions of smaller systems; if this is the case, this would mean that the Great Red Spot is not in danger of dissipating. A smaller spot, designated Oval BA, formed in March 2000 from the merging of three white ovals, has turned reddish in color. Astronomers have named it the Little Red Spot or Red Jr. As of 5 June 2006, the Great Red Spot and Oval BA appeared to be approaching convergence. The storms pass each other about every two years, but the passing of 2002 and 2004 were of little significance. Amy Simon Miller, of the Goddard Space Flight Center, predicted the storms would have their closest passing on 4 July 2006. She worked with Imke de Pater and Phil Marcus of UC Berkeley as well as a team of professional astronomers beginning in April 2006 to study the storms using the Hubble Space Telescope; on 20 July 2006, the two storms were photographed passing each other by the Gemini Observatory without converging. In May 2008, a third storm turned red. The Juno spacecraft, which entered into a polar orbit around Jupiter in 2016, flew over the Great Red Spot upon its close approach to Jupiter on 11 July 2017, taking several images of the storm from a distance of about 5000 mile (8047 km) above the surface. Over the duration of the Juno mission, the spacecraft continued to study the composition and evolution of Jupiter's atmosphere, especially its Great Red Spot. There is also a feature in the atmosphere of Neptune called the Great Dark Spot. The latter feature was imaged by Voyager 2 in 1989 and may have been an atmospheric hole rather than a storm. It was no longer present as of 1994, although a similar spot had appeared farther to the north.

Механическая динамика

Большое Красное Пятно Юпитера вращается против часовой стрелки, с периодом около 4,5 земных дней, или 11 юпитерианских дней, по состоянию на 2008 год. По состоянию на 3 апреля 2017 года ширина Большого Красного Пятна в 1,3 раза превышает диаметр Земли. Вершины облаков этой бури примерно выше окружающих облачных вершин. Буря продолжает существовать на протяжении веков, поскольку отсутствует планетарная поверхность (только мантия водорода), обеспечивающая трение; циркулирующие газовые вихри сохраняются в атмосфере очень долгое время, так как ничто не противодействует их угловому моменту. Инфракрасные данные давно указывают на то, что Великое Красное Пятно холоднее (и, следовательно, находится выше по высоте), чем большинство других облаков на планете. Однако верхняя атмосфера над бурей имеет значительно более высокую температуру, чем остальная часть планеты. Акустические (звуковые) волны, возникающие из-за турбулентности бури внизу, были предложены в качестве объяснения нагрева этого региона. Акустические волны распространяются вертикально до высоты выше бури, где они разрушаются в верхних слоях атмосферы, преобразуя энергию волн в тепло. Это создает область верхней атмосферы, которая на несколько сотен кельвинов теплее, чем остальная часть планеты на этой высоте. Тщательное отслеживание атмосферных образований показало циркуляцию Большого Красного Пятна против часовой стрелки еще в 1966 году, что было убедительно подтверждено первыми таймлапс-видео, полученными при пролетах аппаратов "Вояджер". Пятно ограничено умеренным восточным струйным течением к югу и очень сильным западным к северу. Хотя скорость ветра вокруг края пятна достигает примерно , течения внутри него кажутся застойными, с небольшим притоком или оттоком. Период вращения пятна со временем уменьшается, возможно, как прямое следствие его постоянного уменьшения в размерах. Широта Большого Красного Пятна оставалась стабильной на протяжении всего периода качественных наблюдений, обычно изменяясь примерно на один градус. Однако его долгота подвержена постоянным изменениям, включая 90-дневные продольные колебания с амплитудой около 1°. Поскольку Юпитер не вращается равномерно на всех широтах, астрономы определили три различные системы для определения долготы. Система II используется для широт более 10 градусов и изначально основывалась на среднем периоде вращения Большого Красного Пятна – 9ч 55м 42с. Тем не менее, пятно "обогнало" планету в системе II по крайней мере 10 раз с начала XIX века. Его скорость дрейфа значительно изменилась за эти годы и связана с яркостью Южного экваториального пояса и наличием или отсутствием Южного тропического возмущения.

Jupiter's Great Red Spot rotates counterclockwise, with a period of about 4.5 Earth days, or 11 Jovian days, as of 2008. Measuring in width as of 3 April 2017, the Great Red Spot is 1.3 times the diameter of Earth. The cloud tops of this storm are about above the surrounding cloud tops. The storm has continued to exist for centuries because there is no planetary surface (only a mantle of hydrogen) to provide friction; circulating gas eddies persist for a very long time in the atmosphere because there is nothing to oppose their angular momentum. Infrared data has long indicated that the Great Red Spot is colder (and thus higher in altitude) than most of the other clouds on the planet. The upper atmosphere above the storm, however, has substantially higher temperatures than the rest of the planet. Acoustic (sound) waves rising from the turbulence of the storm below have been proposed as an explanation for the heating of this region. The acoustic waves travel vertically up to a height of above the storm where they break in the upper atmosphere, converting wave energy into heat. This creates a region of upper atmosphere that is —several hundred kelvins warmer than the rest of the planet at this altitude. Careful tracking of atmospheric features revealed the Great Red Spot's counterclockwise circulation as far back as 1966, observations dramatically confirmed by the first time lapse movies from the Voyager fly bys. The spot is confined by a modest eastward jet stream to its south and a very strong westward one to its north. Though winds around the edge of the spot peak at about , currents inside it seem stagnant, with little inflow or outflow. The rotation period of the spot has decreased with time, perhaps as a direct result of its steady reduction in size. The Great Red Spot's latitude has been stable for the duration of good observational records, typically varying by about a degree. Its longitude, however, is subject to constant variation, including a 90 day longitudinal oscillation with an amplitude of ~1°. Because Jupiter does not rotate uniformly at all latitudes, astronomers have defined three different systems for defining longitude. System II is used for latitudes of more than 10 degrees and was originally based on the average rotational period of the Great Red Spot of 9h 55m 42s. Despite this, however, the spot has "lapped" the planet in System II at least 10 times since the early 19th century. Its drift rate has changed dramatically over the years and has been linked to the brightness of the South Equatorial Belt and the presence or absence of a South Tropical Disturbance.

Внутренняя глубина и структура

Большое красное пятно Юпитера (GRS) — эллиптический антициклон, возникающий на 22 градусах южной широты, в южном полушарии Юпитера. Это крупнейший антициклонический шторм (~16 000 км) в нашей Солнечной системе, и о его внутренней глубине и структуре известно немного. Данные видимой съемки и отслеживания облаков, полученные в результате непосредственных наблюдений, позволили определить скорость и вихревость GRS, который расположен в тонком антициклоническом кольце на 70–85% радиуса и вдоль самой быстрой западной струи Юпитера. В ходе миссии NASA Juno 2016 года были получены данные гравитационных аномалий и теплового инфракрасного излучения, которые пролили свет на структурную динамику и глубину GRS. Вертикальная температура структуры GRS ограничена диапазоном 100–600 мбар, при этом вертикальная температура ядра GRS составляет примерно 400 мбар, что на 1,0–1,5 K теплее, чем в восточной и западной частях GRS, и на 3,0–3,5 K теплее, чем в северной и южной частях структуры. Для разработки модели внутренней структуры GRS, композитный инфракрасный спектрометр (CIRS) миссии Cassini и наземные пространственные изображения были использованы для картирования состава аэрозолей фосфина и аммиака (PH3, NH3) и пара-гидроксибензойной кислоты в антициклонической циркуляции GRS. Изображения, полученные с помощью CIRS и наземной съемки, отслеживают вертикальные движения в атмосфере Юпитера по спектрам PH3 и NH3. Однако данные о составе NH3 показывают значительное уменьшение концентрации NH3 ниже видимого слоя облаков на южном периферическом кольце GRS; эта пониженная непрозрачность связана с узкой полосой атмосферного опускания. Глубина и внутренняя структура GRS постоянно меняются на протяжении десятилетий, а также играет роль органическое соединение ацетилен, которое образует красноватый материал — вероятно, сложные органические соединения, называемые толинами. Высота расположения этих соединений также может способствовать окраске. Большое красное пятно сильно варьируется в оттенках, от почти кирпично-красного до бледно-лососевого или даже белого. Иногда пятно исчезает, становясь заметным только благодаря углублению Красного пятна, которое является его местоположением в Южном экваториальном поясе (SEB). Его видимость, по-видимому, связана с SEB: когда пояс ярко-белый, пятно обычно темное, а когда пояс темный, пятно обычно светлое. Эти периоды, когда пятно темное или светлое, происходят через нерегулярные промежутки времени; с 1947 по 1997 год пятно было наиболее темным в периоды 1961–1966, 1968–1975, 1989–1990 и 1992–1993 годов.

Jupiter's Great Red Spot (GRS) is an elliptical shaped anticyclone, occurring at 22 degrees below the equator, in Jupiter's southern hemisphere. The largest anticyclonic storm (~16,000 km) in our solar system, little is known about its internal depth and structure. Visible imaging and cloud tracking from in situ observation determined the velocity and vorticity of the GRS, which is located in a thin anticyclonic ring at 70–85% of the radius and is located along Jupiter's fastest westward moving jet stream. During NASA's 2016 Juno mission, gravity signature and thermal infrared data were obtained that offered insight into the structural dynamics and depth of the GRS. The vertical temperature of the structure of the GRS is constrained between the 100–600 mbar range, with the vertical temperature of the GRS core is approximately 400 mbar of pressure, being 1.0–1.5 K, much warmer than regions of the GRS to the east–west, and 3.0–3.5 K warmer than regions to the north–south of the structures edge. To develop a model of the internal structure of the GRS the Cassini mission Composite Infrared Spectrometer (CIRS) and ground based spatial imaging mapped the composition of the phosphine and ammonia aerosols (PH3, NH3) and para hydroxybenzoic acid within the anticyclonic circulation of the GRS. The images that were collected from the CIRS and ground based imaging trace the vertical motion in the Jovian atmosphere by PH3 and NH3 spectra. However, the NH3 composition data shows that there is a major depletion of NH3 below the visible cloud layer at the southern peripheral ring of the GRS; this lower opacity is relative to a narrow band of atmospheric subsidence. The GRS depth and internal structure has been constantly changing over decades; and the organic compound acetylene, which produces a reddish material—likely complex organic compounds called tholins. The high altitude of the compounds may also contribute to the coloring. The Great Red Spot varies greatly in hue, from almost brick red to pale salmon or even white. The spot occasionally disappears, becoming evident only through the Red Spot Hollow, which is its location in the South Equatorial Belt (SEB). Its visibility is apparently coupled to the SEB; when the belt is bright white, the spot tends to be dark, and when it is dark, the spot is usually light. These periods when the spot is dark or light occur at irregular intervals; from 1947 to 1997, the spot was darkest in the periods 1961–1966, 1968–1975, 1989–1990, and 1992–1993.