Атмосфе́ра Юпи́тера — газовая оболочка, окружающая Юпитер. Является крупнейшей планетной атмосферой в Солнечной системе. Преимущественно состоит из водорода и гелия. Другие элементы присутствуют в небольших количествах в составе соединений, таких как метан, аммиак, сероводород и вода. Состав атмосферы подобен составу всей планеты в целом.
Атмосфера Юпитера не имеет чёткой нижней границы — она плавно переходит в океан из жидкого водорода. Различают следующие слои атмосферы (снизу вверх): тропосфера, стратосфера, термосфера и экзосфера. Самый нижний слой — тропосфера — содержит сложную систему из облаков и туманов, включая слои аммиака, гидросульфида аммония и воды. Верхние аммиачные облака, наблюдаемые на «поверхности» Юпитера, организованы в многочисленные полосы, параллельные экватору, и ограниченные сильными зональными атмосферными потоками (ветрами), известными как «струи». Полосы имеют различную окраску: более тёмные полосы принято называть «поясами», а светлые — «зонами». Зоны — это области восходящих потоков, имеющих меньшую температуру нежели пояса — области нисходящих потоков.
Происхождение структуры из полос и струй достоверно неизвестно, предложено две модели этой структуры. В поверхностной модели предполагается, что это поверхностные явления над стабильными внутренними областями. В глубинной модели предполагается, что полосы и струи — поверхностные проявления глубинной циркуляции, протекающей в юпитерианской мантии, которая состоит из молекулярного водорода и организована в виде системы цилиндров.
В атмосфере Юпитера происходят разнообразные активные явления, такие как нестабильность полос, вихри (циклоны и антициклоны), бури и молнии. Вихри выглядят как крупные красные, белые и коричневые пятна (овалы). Два крупнейших пятна — Большое красное пятно (БКП) и овал BA — имеют красноватый оттенок. Они, как и большинство других крупных пятен, являются антициклонами. Маленькие антициклоны обычно бывают белыми. Предполагается, что глубина вихрей не превышает нескольких сотен километров.
Расположенное в южном полушарии БКП — крупнейший из известных в Солнечной системе вихрей. В пределах этого вихря могло бы разместиться несколько планет размером с Землю, и он существует уже по крайней мере 350 лет. Овал BA, который находится южнее БКП и в три раза меньше последнего, представляет собой красное пятно, сформировавшееся в 2000 году при слиянии трёх белых овалов.
На Юпитере постоянно бушуют сильные бури с грозами. Буря — результат влажной конвекции в атмосфере, связанной с испарением и конденсацией воды. Это участки сильного восходящего движения воздуха, которое приводит к формированию ярких и плотных облаков. Бури формируются главным образом в областях поясов. Разряды молний на Юпитере гораздо сильнее, чем на Земле, однако их меньше, поэтому средний уровень грозовой активности близок к земному.
Вертикальная структура
Атмосфера Юпитера делится на 4 уровня (приведены в порядке увеличения высоты): тропосфера, стратосфера, термосфера и экзосфера. В отличие от атмосферы Земли, атмосфера Юпитера не имеет мезосферы. На Юпитере нет твёрдой поверхности, и самый нижний уровень атмосферы — тропосфера — плавно переходит в водородный океан мантии. Чётких границ между жидкостью и газом не наблюдается, потому что температура и давление на этом уровне много выше критических точек для водорода и гелия. Водород становится сверхкритической жидкостью примерно при давлении в 12 бар.
Так как нижняя граница атмосферы не известна точно, уровень давления в 10 бар, на 90 км ниже давления в 1 бар, с температурой около 340 К, считается основанием тропосферы. В научной литературе уровень давления в 1 бар обычно выбирается как нулевая точка для высот «поверхности» Юпитера. Как и на Земле, у верхнего уровня атмосферы — экзосферы — нет чётко определённой границы. Плотность её постепенно уменьшается, и экзосфера плавно переходит в межпланетное пространство приблизительно в 5000 км от «поверхности».
Вертикальные вариации температур в юпитерианской атмосфере схожи с земными. Температура тропосферы уменьшается с высотой, пока не достигает минимума, называемого тропопаузой, которая представляет собой границу между тропосферой и стратосферой. На Юпитере тропопауза приблизительно на 50 км выше видимых облаков (или уровня в 1 бар), где давление и температура близки к 0,1 бар и 110 К. В стратосфере температура повышается до приблизительно 200 К при переходе в термосферу и при высоте и давлении в около 320 км и 1 мкбар. В термосфере температура продолжает повышаться, в конечном счёте достигая 1000 К приблизительно на высоте в 1000 км и при давлении в 1 нанобар.
Для тропосферы Юпитера характерна сложная структура облаков. Верхние облака, расположенные на уровне давления 0,6—0,9 бар, состоят из аммиачного льда. Предполагается, что существует более низкий слой облаков, состоящий из гидросульфида аммония (или сульфида аммония) (между 1—2 бар) и воды (3—7 бар). Это точно не облака из метана, поскольку температура там слишком высока для его конденсации. Водяные облака формируют самый плотный слой облаков и оказывают сильное влияние на динамику атмосферы. Это результат высокой конденсационной теплоты воды и её более высокого содержания в атмосфере по сравнению с аммиаком и сероводородом (кислород более часто встречающийся химический элемент, чем азот или сера). Различные тропосферные (200—500 мбар) и стратосферные (10—100 мбар) слои тумана расположены выше основного слоя облаков. Последние состоят из конденсировавшихся тяжёлых полициклических ароматических углеводородов или гидразина, которые образуется в стратосфере (1—100 мкбар) под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения на метан или аммиак. Обилие метана относительно молекулярного водорода в стратосфере 10−4, тогда как отношение других углеводородов, например этана и ацетилена, к молекулярному водороду — около 10−6.
Термосфера Юпитера расположена на уровне давления ниже 1 мкбар и ей свойственны такие явления, как свечение атмосферы, полярное сияние и рентгеновское излучение. В пределах этого уровня атмосферы увеличение плотности электронов и ионов формируют ионосферу. Причины преобладания в атмосфере высоких температур (800—1000 К) полностью не объяснены; текущие модели не предусматривают температуру выше 400 K. Это может быть следствием адсорбции высоко-энергетической солнечной радиации (ультрафиолетовой или рентгеновской), нагреванием заряженных частиц от ускорения в магнитосфере Юпитера, или рассеиванием вверх-распространяющихся гравитационных волн. В низких широтах и полюсах термосфера и экзосфера являются источниками рентгеновского излучения, что впервые наблюдалось ещё Обсерваторией Эйнштейна в 1983 году. Энергетические частицы из магнитосферы Юпитера являются причиной ярких авроральных овалов, которые окружают полюса. В отличие от земных аналогов, которые появляются лишь во время магнитных штормов, полярные сияния в атмосфере Юпитера наблюдаются постоянно. Термосфера Юпитера — единственное место за пределами Земли, где обнаружен трёхатомный ион (H₃+). Этот ион вызывает сильную эмиссию в средней инфракрасной части спектра на длинах волн между 3 и 5 мкм и выступает в роли главного охладителя термосферы.
Химический состав Распространённость элементов в соотношении с водородом на Юпитере и СолнцеЭлементСолнцеЮпитер/Солнце He/H 0,0975 0,807 ± 0,02 Ne/H 1,23 0,10 ± 0,01 Ar/H 3,62 2,5 ± 0,5 Kr/H 1,61 2,7 ± 0,5 Xe/H 1,68 2,6 ± 0,5 C/H 3,62 2,9 ± 0,5 N/H 1,12 3,6 ± 0,5 (8 бар) 3,2 ± 1,4 (9—12 бар) O/H 8,51 0,033 ± 0,015 (12 бар) 0,19—0,58 (19 бар) P /H 3,73 0,82 S/H 1,62 2,5 ± 0,15 Изотопное соотношение на Юпитере и Солнце отношение Солнце Юпитер 13C/12C 0,011 0,0108 ± 0,0005 15N/14N <2,8 2,3 ± 0,3 (0,08—2,8 бар) 36Ar/38Ar 5,77 ± 0,08 5,6 ± 0,25 20Ne/22Ne 13,81 ± 0,08 13 ± 2 ³He/4He 1,5 ± 0,3 1,66 ± 0,05 D/H 3,0 ± 0,17 2,25 ± 0,35 Состав атмосферы Юпитера подобен составу всей планеты в целом. Атмосфера Юпитера изучена наиболее полно относительно прочих атмосфер газовых гигантов, так как непосредственно была зондирована спускаемым космическим аппаратом Галилео, который был запущен в атмосферу Юпитера 7 декабря 1995 года. Прочими источниками информации о составе юпитерианской атмосферы служат наблюдения Инфракрасной космической обсерватории (ISO), межпланетных зондов Галилео и Кассини, а также данные наземных наблюдений.
Два основных компонента атмосферы Юпитера — молекулярный водород и гелий. Относительное количество гелия по отношению к молекулярному водороду по числу молекул и его массовая доля, , ненамного ниже первичного значения по Солнечной системе. Причина этого не до конца ясна, но, будучи плотнее водорода, большая часть гелия может конденсироваться в ядро Юпитера. Атмосфера содержит также немало простых соединений, например воду, метан (CH₄), сероводород (H₂S), аммиак (NH₃) и фосфин (PH₃). Их относительное количество в глубокой (ниже 10 бар) тропосфере подразумевает, что атмосфера Юпитера в 3—4 раза богаче углеродом, азотом, серой и, возможно, кислородом чем Солнце. Количество благородных газов, таких как аргон, криптон и ксенон, превосходит количество таковых на Солнце (см. таблицу), тогда как неона явно меньше. Другие химические соединения, арсин (AsH₃) и герман (GeH₄), присутствуют только в следовых количествах. Верхняя атмосфера Юпитера содержит малые относительные количества простых углеводородов: этана, ацетилена, и диацетилена, которые формируются под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации и заряженных частиц, прибывающих из магнитосферы Юпитера. Диоксид углерода, моноксид углерода и вода в верхней части атмосферы, как полагают, обязаны своим присутствием столкновениям с атмосферой Юпитера комет, таких, как комета Шумейкеров-Леви 9. Вода не может прибывать из тропосферы, потому что тропопауза, действующая как холодная ловушка, эффективно препятствует поднятию воды до уровня стратосферы.
Наземные наблюдения, а также наблюдения с бортов космических аппаратов привели к улучшению знаний об изотопном соотношении в атмосфере Юпитера. По данным на июль 2003 года, принятое значение для относительного количества дейтерия — , что вероятно представляет собой первичное значение для протосолнечной туманности, из которой и сформировалась Солнечная система. Соотношение изотопов азота 15N и 14N в атмосфере Юпитера составляет 2,3, что на треть ниже, чем в земной атмосфере (3,5). Последнее открытие особо существенно, так как предыдущие теории формирования Солнечной системы полагали, что земные значения для изотопов азота были первичны.
Зоны, пояса и вихри
Видимая поверхность Юпитера делится на множество полос параллельных экватору. Есть два типа полос: относительно светлые зоны и затемнённые пояса. Широкая экваториальная зона (EZ) простирается примерно между широтами 7°S и 7°N. Выше и ниже EZ — Северные и Южные экваториальные пояса (NEB и SEB), простирающиеся до 18°N и 18°S соответственно. Дальше от экватора лежат Северные и Южные тропические зоны (NtrZ и STrZ). Такое неизменное чередование поясов и зон продолжается до 50°S и N, где их видимые проявления становятся несколько менее заметными. Пояса вероятно продолжаются примерно до 80° на север или юг по направлению к полюсам.
Разница в окрасе между зонами и поясами заключается в различиях между непрозрачностью облаков. Концентрация аммиака в зонах выше, что приводит к появлению более плотных облаков из аммиачного льда на бо́льших высотах, а это, в свою очередь, делает зоны светлее. С другой стороны, облака поясов являются более тонкими и расположены на меньших высотах. Верхняя тропосфера более холодная в зонах и более тёплая в поясах. Точная природа веществ, которые делают зоны и пояса Юпитера такими «красочными», неизвестна, но они могут включать сложные соединения серы, фосфора и углерода.