Циркуляция атмосферы на Юпитере и Сатурне

Юпитер и Сатурн Юпитер и Сатурн

Находясь на расстоянии от Солнца около 5 а. е., Юпитер получает только 4% от потока солнечной энергии, приходящего к Земле, а Сатурн — еще вчетверо меньше. Более эффективны внутренние потоки тепла. С точки зрения атмосферной динамики эти планеты имеют большое сходство вследствие очень большой скорости их вращения, чем обусловлена, полосчатая структура на уровне наблюдаемой верхней границы облаков. Можно поэтому утверждать, что движения в атмосфере Сатурна носят примерно такой же характера как и в атмосфере Юпитера.

Астрономия приблизительно за сто лет накопила огромный наблюдательный материал, что позволило установить целый ряд важнейших закономерностей в структуре циркуляции на Юпитере. Много новых сведений принесли измерения, проведенные на космических аппаратах «Пионер-10 и 11» и особенно на аппаратах «Вояджер-1 и 2». Наиболее информативны цветные изображения, полученные при пролетах «Вояджеров». Последовательность снимков с высоким разрешением, передававшихся каждые два часа, дала возможность выявить интересные детали в свойствах движений и структуре облаков. Однако самым важным результатом этих недавних экспериментов следует в первую очередь считать тот факт, что основанные на гораздо более ограниченном материале представления о динамике атмосферы Юпитера в своих основных чертах оказались верными.

Характерным свойством движений на Юпитере является наличие зональной циркуляции тропических и умеренных широт. Эти течения хорошо описываются моделью геострофически сбалансированного термического ветра (об этих понятиях говорилось выше применительно к земной метеорологии), а сама циркуляция является осесимметричной, т. е. почти не имеющей отличий на различных долготах. Скорости восточных и западных ветров в зонах и поясах составляют от 50 до 150 м/с. На экваторе дует ветер в восточном направлении со скоростью около 100 м/с.

Структура зон и поясов различается характером вертикальных движений, от которых зависит формирование горизонтальных течений. В светлых зонах, температура которых ниже, движения восходящие, облака плотнее и располагаются на более высоких уровнях в атмосфере. В более темных (красно-коричневых) поясах с более высокой температурой движения нисходящие, они расположены глубже в атмосфере и закрыты менее плотными облаками. Восходящие течения в зонах, растекающиеся в противоположные стороны, под действием инерционной силы. Так, в зонах северного полушария поток, направленный к полюсу, будет отклоняться к востоку, а направленный к экватору — к западу. В зонах южного полушария картина обратная. Таким образом, на северной и южной границах зон с поясами развиваются встречные течения, возникают явления относительных «сдвигов», охватывающих области шириной порядка тысячи километров. Здесь скорости ветра максимальны. Энергия встречных течений приводит к возникновению вихрей.

Аналогичные феномены, включая атмосферные вихри в виде наблюдаемых крупных пятен, подобных БКП и белым овалам, обнаружены «Вояджерами-1 и 2» в атмосфере Сатурна. Они также имеют антициклоническую природу. Размеры одного из таких овалов достигают 7000x5000 км, а скорости движений на его периферии свыше 100 м/с. Эти образования, как и упорядоченная структура зон и поясов на Сатурне, однако, менее четко выражены из-за протяженного слоя надоблачной мелкодисперсной дымки. Между тем оказалось, что скорость ветра на экваторе Сатурна в несколько раз превышает скорости атмосферных движений в приэкваториальной зоне Юпитера, достигая почти 500 м/с. Если вспомнить, что линейные скорости, обусловленные суточным вращением планеты, на Юпитере и Сатурне примерно одинаковы (около 10 км/с на уровне облаков), причем на Юпитере даже немного выше, то причины данного явления остаются пока непонятными. Возможно, они связаны с тем, что в систему циркуляции на Сатурне вовлекаются более глубокие области атмосферы, с более интенсивной передачей момента количества движения в область экваториальных широт.

Существует определенное сходство механизмов циркуляции в атмосферах Юпитера и Сатурна с циркуляцией на Земле. Нужно, однако, иметь в виду и существенные различия. Они обусловлены в первую очередь тем, что на планетах-гигантах значительно меньше перепад температур между экватором и полюсом, который служит основным источником движений в земной атмосфере, и вместе с тем гораздо больше вклад внутренних источников тепла из недр. По этой причине не было обнаружено заметных различий в величине тепловых потоков на разных широтах по измерениям инфракрасного излучения с космических аппаратов.

Процессы вихревой неустойчивости являются одной из важнейших черт планетарной динамики на Юпитере и Сатурне. Поэтому необходимо подробнее рассмотреть особенности таких вихрей, наиболее ярким представителем которых служит БКП.

БКП имеет форму эллипса с полуосями в 15 и 5 тыс. км. Оно наблюдается уже около 300 лет, и в течение этого времени его размеры и контрастность неоднократно изменялись. За последние 15 лет оно трижды претерпевало изменение активности. То, что характер движений внутри БКП соответствует режиму антициклонической циркуляции, было найдено еще в конце 60-х годов XX века путем прослеживания в течение нескольких недель перемещения небольшой темной детали по периферии пятна. Тем не менее еще несколько лет спустя продолжали энергично обсуждаться другие гипотезы относительно его природы. К этому времени, правда, мало кто верил предположениям, что это громадный вулкан или остров, плавающий в плотной атмосфере. Более популярной оставалась гипотеза известного метеоролога Р. Хайда о том, что БКП представляет собой возмущение, возникающее при обтекании некоторого препятствия на твердой поверхности планеты (так называемую колонну Тейлора). Однако, помимо предположения о наличии у Юпитера такой поверхности (что ц тогда далеко не все считали очевидным), в этом случае нужно было также допустить, что его вращение происходит неравномерно. Ведь БКП не остается на одном месте, а нерегулярно дрейфует вдоль параллели, так что период его вращения отличается от периода вращения самой планеты. Установлено, что за сто лет наблюдений оно почти три раза обогнуло планету.

Предположение, что БКП — это свободный вихрь в атмосфере антициклонического типа, было выдвинуто Г. С. Голицыным и оказалось наиболее отвечающим современным представлениям. Исходя из простых соображений о росте энергии циркуляции со скоростью вращения и времени превращения энергии (которое на Юпитере по сравнению с Землей на много порядков больше), он получил оценку характерного периода для режима циркуляции на Юпитере в пределах от ста тысяч до миллиона лет. Атмосферные вихри, очевидно, существуют более ограниченное время, однако значительно большее, чем циклоны и антициклоны на Земле. Оценка для БКП дает время порядка нескольких тысяч лет, для более мелких вихрей — десятки лет. Следует подчеркнуть, что сам факт длительного сохранения таких конфигураций и всей структуры течений на диске Юпитера пока не имеет достаточно строгого теоретического обоснования и относится к наиболее трудным проблемам геофизической гидродинамики.

Период вращения внутри БКП составляет около 7 суток. Очень интересна динамика течений в его окрестности, которую оказалось возможным подробно исследовать по фотоснимкам с «Вояджеров». Малые пятна (подобные тем, по которым прослеживался характер циркуляции в БКП с Земли) обычно подходят к нему с востока. Некоторые из них сразу же отклоняются к северу и в дальнейшем захватываются направленным к востоку течением, уходя из зоны БКП. Другие дрейфуют на запад вдоль верхней границы, задерживаются на западном краю и затем либо уходят из зоны БКП дальше к западу, либо захватываются в его периферическое течение. На восточном краю пятно иногда расщепляется, и одна его часть продолжает вращение вокруг БКП, а другая дрейфует к востоку.

Наконец, в связи с обсуждением структуры и свойств БКП упомянем еще об одном интересном явлении, обнаруженном на Юпитере и Сатурне в областях зон, где, как мы уже говорили, происходит быстрый подъем газов из глубины за счет конвекции. Речь идет о периодически возникающих в экваториальных и средних широтах ярких белых облаках, — их образно называют «плюмажами», сравнивая тем самым с украшениями из перьев на головных уборах. Размеры таких облаков составляют несколько тысяч километров, внутри различаются отдельные элементы поперечником в 100—200 км. По своей морфологии они напоминают хорошо знакомые нам кучевые облака, сильно отличающиеся от диффузных волокнистых образований на окружающем их фоне, и существуют не более 100 часов, быстро исчезая. Судя по температуре, эти облака располагаются примерно на тех же уровнях, что и облачные структуры, состоящие из более темного материала, включая вершину БКП, которая холоднее поверхности пояса. Сам по себе этот факт кажется странным, поскольку с красно-коричневыми пятнами на юпитерианском диске, как и с аналогичного цвета поясами, обычно связывают области нисходящих движений, расположенные глубже в атмосфере, где температура выше.

Как объяснить это противоречие? Очевидно, механизмы образования «темных» облаков и «плюмажей» различны. Возникновение последних, возможно, обусловлено волновыми процессами (прохождением «гребней волн»), накладывающимися на основное зональное течение и усиливающими конвективную активность, подобно тому, что наблюдается в тропических широтах на Земле. В то же время предположение о наличии восходящих конвективных движений в областях красно-коричневых облаков, прежде всего в зоне БКП, может оказаться иллюзорным. На это как будто действительно указывают результаты анализа данных «Вояджеров», не обнаруживших заметного изменения высоты в структуре течений внутри БКП. Эта проблема, непосредственно связанная с происхождением и эволюцией вихрей в атмосферах Юпитера и Сатурна, еще ждет своего решения.

Планета Юпитер

Читайте в рубрике «Планета Юпитер»:

/ Циркуляция атмосферы на Юпитере и Сатурне