Новое исследование атмосферы Юпитера, основанное на беспрецедентно детальной модели, выявило неожиданно высокое содержание кислорода в облаках планеты-гиганта. Согласно результатам симуляции, проведённой учёными из Чикагского университета и Лаборатории реактивного движения NASA, облачные слои Юпитера содержат примерно в полтора раза больше кислорода, чем Солнце.

Модель, впервые объединившая химические и гидродинамические процессы, также показала, что перемещение молекул в атмосфере планеты происходит значительно медленнее, чем предполагалось ранее. Эти данные могут предоставить новые ключи к пониманию формирования не только Юпитера, но и других планет Солнечной системы. Определение состава планет является фундаментальным для раскрытия механизмов их образования. В частности, содержание углерода и кислорода указывает на то, в какой области протопланетного диска сформировалась планета и как она эволюционировала. Измерение количества молекул, содержащих атомы кислорода, таких как вода, метан и аммиак, служит одним из основных способов характеристики планет. Для Юпитера, сыгравшего ключевую роль в истории Солнечной системы, измерение кислородсодержащих молекул и химическая характеристика его атмосферы уже несколько десятилетий остаются важным направлением исследований. Однако определение обилия кислорода в глубоких слоях атмосферы Юпитера представляет сложную задачу. Вода, являющаяся основным кислородсодержащим веществом, подвергается конденсации и сложным гидродинамическим процессам, что затрудняет точные измерения по всем атмосферным слоям. Облака Юпитера, как и земные, содержат воду, но они гораздо плотнее и образуют настолько толстые слои, что ни один космический зонд до сих пор не смог провести прямые измерения на глубине. Атмосферный спускаемый модуль миссии NASA «Галилео» потерял связь с Землёй при попытке погружения в 2003 году. Зонд «Юнона» с 2016 года исследует атмосферу газового гиганта с орбиты, собирая данные на безопасном расстоянии. Его измерения позволили получить информацию о составе верхних слоёв атмосферы, указав, например, на наличие аммиака, метана, гидросульфида аммония, воды и монооксида углерода. Эти данные затем использовались для построения моделей нижних слоёв атмосферы. Однако существующие модели расходятся в оценках количества воды и, следовательно, кислорода. Некоторые указывают, что содержание кислорода на Юпитере ниже, чем на Солнце, в то время как другие предполагают обратное. Новое исследование предлагает свежий взгляд на эту проблему благодаря созданию модели с беспрецедентным разрешением. Химия атмосферы Юпитера чрезвычайно сложна: молекулы циркулируют от нижних слоёв с экстремально высокими давлением и температурой до более холодных верхних слоёв, что приводит к изменению их состояния и тысячам различных химических реакций. Предыдущие модели, учитывавшие химическую сложность, часто упускали из виду поведение облаков и содержащихся в них капель воды, тогда как гидродинамические модели недостаточно учитывали химию. «Химия важна, но она не учитывает капли воды и поведение облаков. Одна лишь гидродинамика слишком упрощает химию. Поэтому важно их объединить», — пояснила ведущий автор исследования, постдокторант Чикагского университета Джихён Ян. Чтобы повысить точность моделирования, Ян и её коллеги впервые интегрировали химию и гидродинамику в единую модель, используя двумерную гидродинамическую модель для симуляции микрофизики атмосферы и вертикального переноса, а также автоматизированный генератор химических сетей, зависящих от давления и температуры. Результаты моделирования показывают, что атмосфера Юпитера содержит почти в полтора раза больше кислорода, чем Солнце. Подтверждение этого значения стало бы значительным шагом в понимании формирования Солнечной системы. Анализ также свидетельствует, что молекулы в атмосфере газового гиганта перемещаются через определённые слои гораздо медленнее, чем считалось. Модель предполагает, что диффузия может быть в 35–40 раз медленнее предыдущих оценок. Это означает, что одной молекуле могут потребоваться недели, чтобы пересечь определённый атмосферный слой, а не часы, как предполагалось ранее. «Это наглядно показывает, как много нам ещё предстоит узнать о планетах даже в нашей собственной Солнечной системе», — заключает эксперт.