Naukowcy właśnie zakończyli najdłuższe w historii badanie atmosfery Jowisza. Basując na obserwacjach naziemnych oraz danych zebranych przez wiele misji kosmicznych NASA, w tym Voyagera i Cassini, to 40-letnie badanie może nam pomóc w nauczeniu się prognozowania pogody na Jowiszu i innych planetach Układu Słonecznego.
Jowisz jest piątą planetą od Słońca i największą planetą w Układzie Słonecznym. Jest gazowym olbrzymem o masie około dwa i pół razy większej niż wszystkie inne planety Układu Słonecznego razem wzięte. Jowisz ma gęstą atmosferę złożoną głównie z wodoru i helu i ma wiele charakterystycznych cech, w tym ciemne pasma zwane „pasami” i jasne pasma zwane „strefami”. Najbardziej znaną cechą Jowisza jest Wielka Czerwona Plama, gigantyczna burza szalejąca od setek lat. Jowisz ma ponad 80 znanych księżyców, z których cztery największe nazywane są księżycami Galileusza na cześć ich odkrywcy, Galileo Galilei. Te księżyce to Io, Europa, Ganimedes i Kallisto. Jowisz ma również kilka pierścieni, chociaż są one znacznie słabiej widoczne niż pierścienie Saturna.
Schemat układu pierścieni Jowisza przedstawiający cztery główne elementy. Dla uproszczenia Metis i Adrastea są przedstawione jako dzielące swoją orbitę. (W rzeczywistości Metis jest nieco bliżej Jowisza.) Źródło: Wikipedia
Naukowcy właśnie zakończyli najdłuższe w historii badanie śledzące temperatury w górnej troposferze Jowisza. Troposfera jest to warstwa atmosfery, w której występują zjawiska pogodowe na tej planecie i gdzie tworzą się charakterystyczne kolorowe pasy chmur. Badanie prowadzono przez cztery dekady, łącząc dane z obserwacji statków kosmicznych NASA i teleskopów naziemnych. Badacze odkryli nieoczekiwane wzorce zmian temperatur pasów i stref Jowisza w czasie. Zdaniem naukowców badanie to stanowi duży krok w kierunku lepszego zrozumienia, co wpływa na pogodę na największej planecie naszego Układu Słonecznego, a ostatecznie umożliwienia jej prognozowania.
Troposfera Jowisza ma wiele wspólnego z troposferą ziemską: tworzą się tam chmury i burze. Aby zrozumieć tę aktywność pogodową, naukowcy muszą zbadać pewne właściwości, w tym wiatr, ciśnienie, wilgotność i temperaturę. Od misji NASA Pioneer 10 i 11 w latach 70. XX wieku naukowcy wiedzieli, że generalnie niższe temperatury są związane z jaśniejszymi i bielszymi pasmami Jowisza (znanymi jako strefy), podczas gdy ciemniejsze brązowo-czerwone pasma (znane jako pasy) są obszarami wyższych temperatur. Nie dysponowali jednak zestawami obserwacji, które mogłyby dać wgląd w to, jak temperatury zmieniają się w długim okresie.
Zdjęcia Jowisza w podczerwieni z dodanym kolorem zostały wykonane przez Very Large Telescope Europejskiego Obserwatorium Południowego w 2016 roku. Kolory reprezentują temperaturę i zachmurzenie: obszary bardziej niebieskie są zimne i pochmurne, a obszary pomarańczowe są cieplejsze i bezchmurne. Źródło: ESO / L.N. Fletcher.
Przełomem w tej dziedzinie jest badanie opublikowane 19 grudnia w czasopiśmie „Nature Astronomy”. Naukowcy pokazują w nim obrazy jasnej poświaty w podczerwieni (niewidocznej dla ludzkiego oka), która pojawia się nad cieplejszymi rejonami atmosfery, pozwalając zmierzyć temperaturę Jowisza ponad kolorowymi chmurami. Naukowcy gromadzili te obrazy w regularnych odstępach czasu na trzech orbitach Jowisza wokół Słońca, z których każda trwa 12 ziemskich lat.
W trakcie swoich badań odkryli, że temperatury Jowisza rosną i spadają po określonych okresach, które nie są związane z porami roku ani żadnymi innymi znanymi cyklami. Jowisz ma słabo widoczne pory roku – nachylenie jego osi obrotu wynosi nieco ponad 3 stopnie, niewiele w porównaniu do nachylenia osi Ziemi wynoszącego 23,5 stopnia – więc naukowcy nie spodziewali się, że temperatury na Jowiszu będą się zmieniać w tak regularnych cyklach.
Badanie ujawniło również tajemniczy związek między zmianami temperatury w obszarach oddalonych od siebie o tysiące kilometrów: gdy temperatury rosły na określonych szerokościach geograficznych na półkuli północnej, spadały na tych samych szerokościach geograficznych na półkuli południowej – jak lustrzane odbicie równika.
Porównanie wyglądu Jowisza w podczerwieni wykonane instrumentem VISIR (po lewej) z bardzo ostrym zdjęciem amatorskim wykonanym w świetle widzialnym, pochodzącym z mniej więcej tego samego czasu (po prawej). Źródło: ESO/L.N. Fletcher/Damian Peach
To było najbardziej zaskakujące ze wszystkich – powiedział Glenn Orton, naukowiec w Jet Propulsion Laboratory NASA i główny autor badania. „Odkryliśmy związek między zmianami temperatur na bardzo odległych szerokościach geograficznych na Jowiszu. Jest to podobne do zjawiska, które obserwujemy na Ziemi, gdzie wzorce pogodowe i klimatyczne w jednym regionie mogą mieć zauważalny wpływ na pogodę w innym miejscu, przy czym wzorce zmienności wydają się być „połączone teleinformatycznie” na ogromne odległości przez atmosferę”.
Kolejnym wyzwaniem jest ustalenie, co powoduje te cykliczne i najwyraźniej zsynchronizowane zmiany.
Rozwiązaliśmy teraz jedną część układanki, a mianowicie, że atmosfera pokazuje te naturalne cykle – powiedział współautor Leigh Fletcher z University of Leicester w Anglii. Aby zrozumieć, co napędza te wzorce i dlaczego występują one w tych konkretnych skalach czasowych, musimy zbadać, co dzieje się zarówno powyżej, jak i poniżej warstw chmur.
Badając rejony równikowe, badacze odkryli, że zmiany temperatury warstw znajdujących się wyżej, w stratosferze, rosną i maleją w sposób odwrotny do tego, jak zachowują się temperatury w troposferze, co sugeruje, że zmiany w stratosferze wpływają na zmiany w troposferze i odwrotnie.
Profil atmosfery Jowisza zbudowany na podstawie pomiarów wykonanych przez misję Galileo. Zaznaczone są miejsca występowania różnych rodzajów chmur oraz temperatura i ciśnienie na różnych wysokościach. Źródło: Encyclopedia Britannica.
Orton i jego współpracownicy rozpoczęli swoje badania w 1978 roku. Obserwacje wykonywali na trzech dużych teleskopach na całym świecie: Very Large Telescope w Chile oraz NASA Infrared Telescope Facility oraz Teleskop Subaru w Obserwatoriach Maunakea na Hawajach. W ciągu pierwszych dwóch dekad badań Orton i jego koledzy z zespołu na zmianę podróżowali do tych obserwatoriów, zbierając informacje o temperaturach chmur Jowisza. Dopiero na początku XXI wieku niektóre z tych obserwacji można było wykonywać zdalnie. Potem przyszła najtrudniejsza część – połączenie wieloletnich obserwacji z kilku teleskopów i instrumentów naukowych w celu poszukiwania ukrytych wzorców. W tym czasie, do tych doświadczonych naukowców w ich długotrwałych badaniach dołączyło kilku stażystów, z których żaden nie urodził się w momencie rozpoczęcia badania(!)
Badania te mogą nie tylko nauczyć nas, jak przewidywać pogodę na Jowiszu, ale również przyczynić się do rozwoju modelowania klimatu za pomocą komputerowych symulacji cykli temperatur i ich wpływu na pogodę nie tylko dla Jowisza, ale dla wszystkich gigantycznych planet w naszym Układzie Słonecznym i poza nim.
Więcej informacji:
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Zdjęcie Jowisza wykonane przez misję Juno 25 lutego 2022 r. Widoczny jest cień rzucany przez Ganimedesa. Źródło: NASA
