Атмосфера Юпитера состоит примерно из 81% водорода и 18% гелия. Кроме водорода и гелия в атмосфере Юпитера найдены в виде примесей незначительное количество метана, аммиака, фосфора, водяного пара и разнообразных гидрокарбонатов. В целом же химический состав атмосферы всей планеты существенно не отличается от солнечного и имеет сходство с небольшой звездой.
Наиболее поразительной особенностью юпитерианской атмосферы является Большое Красное Пятно — колоссальный атмосферный вихрь, который был обнаружен земными наблюдателями более 150 лет назад. Большое Красное Пятно — овал размером 12 000 х 25 000 км (то есть два земных диска). Вещество в Большом Красном Пятне перемещается против часовой стрелки, делая полный оборот за 7 земных суток. Пятно смещается относительно среднего положения то в одну, то в другую сторону. Исследования показывают, что 100 лет назад его размеры были вдвое больше.
В 1938 году было зафиксировано формирование и развитие трех больших белых овалов вблизи 30° южной широты. Наблюдатели также отмечали серию маленьких белых овалов, которые также представляют собой вихри. Поэтому можно полагать, что Красное Пятно является не уникальным образованием, но самым мощным членом из семейства штормов. Исторические записи не обнаруживают подобных долго существующих систем в средних северных широтах. Имеются большие темные овалы вблизи 15° северной широты, но почему-то условия, необходимые для возникновения вихрей и последующего их превращения в устойчивые системы, подобные Красному Пятну, существуют только в Южном полушарии.
Иногда на Юпитере происходят столкновения таких больших циклонических систем. Одно из них имело место в 1975 году, в результате чего красный цвет Пятна поблек на несколько лет. И в настоящее время может произойти аналогичное столкновение Большого Красного Пятна и Большого Белого Овала. Белый Овал является частью пояса облаков, с периодом обращения меньшим, чем у Большого Красного Пятна. Овал начал тормозиться Большим Красным Пятном в конце февраля текущего года, и столкновение продолжалось целый месяц. Скорее всего, овал уцелеет, но нельзя исключить и того, что он будет или разрушен, или поглощен. Красный цвет Большого Красного Пятна — загадка для ученых, возможной причиной его могут служить химикалии, включающие фосфор. Фактически цвета и механизмы, создающие вид всей юпитерианской атмосферы, до сих пор еще плохо поняты и могут быть объяснены только при прямых измерениях ее параметров.
На мозаичном изображении, сделанном в июле 1979 года с расстояния 2,633,003 км, видна метеорологическая схожесть Большого Красного Пятна и Белого Овала. Внутренняя структура этих пятен совпадает, поскольку оба они вращаются как антициклоны.
«Пионеры»
Американский космический аппарат «Пионер-10», снабженный большим количеством специальной аппаратуры, стал первым космическим кораблем, в декабре 1973 года пересекшим пояс астероидов и достигшим окрестностей Юпитера, пройдя от него на расстоянии 130 300 км. Им были переданы на Землю первые, сделанные вблизи Юпитера, снимки его облачного покрова и поверхностей его лун, исследована его магнитосфера, радиационные пояса и атмосфера. В декабре 1974 года космический аппарат «Пионер-11» подошел к Юпитеру на расстояние 43 тыс. км, передал изображения высокого разрешения, выполнил измерения магнитного поля Юпитера и его взаимодействий с солнечным ветром и солнечной магнитосферой и представил данные об атмосфере планеты и поверхностях некоторых ее лун.
«Вояджеры»
В марте 1979-го американский космический аппарат «Вояджер-1», пролетая мимо Юпитера, передал обширные данные о его атмосфере, турбулентных штормах и об огромных молниях, вспыхивавших в его верхних облаках. Были также переданы уникальные снимки четырех больших лун Юпитера, обнаружено 3 новых спутника и открыты юпитерианские кольца. «Вояджер-2» подлетел к Юпитеру в июле 1979-го и передал фотографии планеты и ее спутников в дополнение к изобилию инструментальных данных. «Вояджер-2» предоставил изображения, на которых впервые были обнаружены вулканы на Ио, а помимо этого, было высказано предположение, что под ледяной коркой Европы расположен жидкий океан.
«Улисс»
Космический аппарат «Улисс» был сконструирован для изучения Солнца, а не Юпитера. Но для того чтобы достичь на своей сильно наклоненной орбите полюсов Солнца, ему нужна была мощная гравитационная «рогатка» от Юпитера, и он, проходя вблизи этой планеты, с большой эффективностью использовал свои инструменты для ее исследования — передал много данных о магнитосфере Юпитера, его радиационных поясах и плазменных областях. Теперь «Улисс» находится на высокой полярной орбите около Солнца и занимается исследованием светила.
«Кассини»
Основной задачей аппарата «Кассини» является исследование планеты Сатурн и его спутника Титана. На его борту находится зонд под названием «Гюйгенс». На орбите Сатурна зонд отделится от «Кассини» и начнет входить в атмосферу Титана с целью его исследования. «Кассини» несет на своем борту также множество научных инструментов, способных получать изображения видимой и инфракрасной областей спектра, исследовать космическую пыль и плазму, изучать магнитосферу и проводить другие научные исследования. Телеметрия от коммуникационной антенны, а также другие специальные передатчики будут использованы для того, чтобы выполнять наблюдения за атмосферой Титана и Сатурна и измерять поля гравитации планет и их спутников.
«Кассини» был запущен 13 октября 1997 года и, пролетая на расстоянии около 10 млн. км от Юпитера, в течение месяца вел съемку этой планеты в разных диапазонах длин волн. Полученные данные, передаваемые им на Землю, свидетельствовали о том, что на Юпитере происходят загадочные явления, которым пока нет четкого объяснения. Так, при съемке северной приполярной области Юпитера в ультрафиолетовых лучах было обнаружено непонятное темное пятно. «Кассини» снимал его в период с 1 октября по 15 декабря 2000 года, в результате чего получился целый фильм, из которого видно, что пятно немного перемещается, не выходя при этом из приполярной зоны. По мнению ученых, это скорее всего некая химическая неоднородность или вихрь. Пятно пространственно совпадает с центром рентгеновского полярного сияния Юпитера, поэтому специалисты полагают, что в этом пятне могут находиться молекулы углеводородных соединений, образованных при взаимодействии газов атмосферы Юпитера и заряженных частиц, в результате чего и появляется полярное сияние. По своим размерам пятно больше нашей Земли. В окрестностях Юпитера «Кассини» вел исследования магнитного поля этой планеты и окружающих ее радиационных поясов.
Видеопоследовательность, составленная из 1 200 снимков Юпитера, полученных «Кассини», позволяет судить о полярной погоде планеты-гиганта как о необычайно устойчивом явлении. «Кассини» вынужден был проводить фотосъемку в инфракрасном диапазоне для того, чтобы пробиться через верхний покров планеты и показать находящиеся под ним облака в черно-белом режиме. В видеопоследовательность длиной менее минуты были включены изображения, полученные за 70 дней.
Данные, записанные масс-спектрометром «Кассини» во время полета в окрестностях Юпитера, показывают, что в его окрестностях имеется огромное облако газа вулканического происхождения. Оно протянулось от Ио (самого близкого из четырех крупных спутников Юпитера) в сторону внешнего космоса на расстояние порядка 150 млн. км. Это плоды извержений многочисленных вулканов Ио.
«Галилео»
Американский космический аппарат «Галилео» непосредственно предназначен для исследования атмосферы и магнитосферы Юпитера и детального фотографирования его спутников. Он был сконструирован из трех сегментов, которые помогли сконцентрировать внимание на перечисленных аспектах: атмосферном зонде, невращающемся секторе орбитального аппарата, несущего камеру, и других датчиках, вращающихся в трех плоскостях главной секции, которая включает инструменты, сконструированные для измерения полей и частиц, в тот момент, когда «Галилео» будет лететь прямо через них. Разделение на две части необходимо для магнитосферных экспериментов, во время которых нужно сделать измерения при быстром вращении, обеспечив в то же время стабильность и фиксированную ориентацию для камеры и других детекторов.
Научные инструменты, измеряющие поля и частицы, вместе с главной антенной, энергетическим обеспечением, силовыми модулями и компьютерами установлены во вращающейся секции. Это — магнитометры, инструменты для обнаружения низкоэнергетичных заряженных частиц, плазменный волновой детектор, улавливающий генерируемые частицами волны, детектор высокоэнергетичных частиц, детектор космической и юпитерианской пыли, счетчик тяжелых ионов, приборы, оценивающие потенциальный риск от заряженных частиц, через потоки которых пролетает космический аппарат. Невращающаяся секция содержит инструменты и другое оборудование, деятельность которого зависит от стабильности и фиксированной ориентации: приборы для получения спектральных изображений атмосферы и химического анализа поверхности лун, ультрафиолетовый спектрометр, фотополяриметр-радиометр для измерения поглощенной и излученной энергии. Система камер дает изображения спутников Юпитера с разрешением от 20 до 1000 раз лучшим, чем были получены с «Вояджеров».
