На полюсах найбільших планет Сонячної системи, Юпітера та Сатурна, є дивовижні вихори. Науковці вивчили їх і дійшли висновку, що їхня форма пов’язана з процесами, що відбуваються глибоко всередині цих газових гігантів.
Загадки полярних вихорів
Протягом багатьох років космічні апарати спостерігали загадкові погодні явища на полюсах Юпітера та Сатурна. На цих двох планетах існують дуже різні типи полярних вихорів, що обертаються над полярними регіонами планети. На Сатурні один величезний полярний вихор, схоже, накриває північний полюс дивною шестикутною формою, тоді як на Юпітері центральний полярний вихор оточений вісьмома меншими вихорами, схожими на сковорідку зі змішаними рулетами з корицею.
Враховуючи, що обидві планети схожі у багатьох аспектах — вони приблизно однакового розміру і складаються з тих самих газоподібних елементів, — різка відмінність у їхніх полярних погодних умовах була давньою таємницею.
Тепер вчені з Массачусетського технологічного інституту визначили можливе пояснення того, як могли розвиватися дві різні системи. Їхні відкриття можуть допомогти зрозуміти не лише погодні умови на поверхні планет, а й процеси, що відбуваються під хмарами, глибоко в їхніх надрах.
У дослідженні, опублікованому цього тижня в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда моделює різні способи формування добре організованих патернів вихорів із випадкових стимулів на газовому гіганті. Серед широкого спектра правдоподібних конфігурацій планет команда виявила, що в деяких випадках течії об’єднувалися в один великий вихор, подібний до візерунка Сатурна, тоді як інші моделювання давали кілька великих циркуляцій, схожих на вихори Юпітера.
Нова теорія утворення вихорів
Після порівняння моделювань команда виявила, що патерни вихорів і питання, чи розвиває планета один чи кілька полярних вихорів, зводяться до однієї головної властивості: «м’якості» основи вихору, що пов’язано з внутрішнім складом. Вчені порівнюють окремий вихор із закрученим циліндром, що обертається крізь численні атмосферні шари планети.
Коли основа цього закрученого циліндра зроблена з м’яких, легших матеріалів, будь-який вихор, що виникає, може зрости лише до певного розміру. Остаточний візерунок тоді може дозволити існування кількох менших вихорів, подібних до тих, що на Юпітері. Натомість якщо основа вихору зроблена з твердіших, щільніших матеріалів, він може зрости значно більшим і потім поглинути інші вихори, формуючи один величезний вихор, подібний до гігантського циклону на Сатурні.
«Наше дослідження показує, що залежно від внутрішніх властивостей та м’якості дна вихору це впливає на тип рідини, який ви спостерігаєте на поверхні, — говорить автор дослідження Ванінг Канг, асистент професора в Департаменті наук про Землю, атмосферу та планети MIT (EAPS). — Я не думаю, що хтось робив цей зв’язок між поверхневим візерунком рідини та внутрішніми властивостями цих планет. Один із можливих сценаріїв полягає в тому, що у Сатурна твердіше дно, ніж у Юпітера».
Робота з погодними моделями
Нова робота авторів Канга та Ші була натхненна зображеннями Юпітера та Сатурна, зробленими місіями Juno та Cassini. Космічний апарат NASA Juno перебуває на орбіті Юпітера з 2016 року і зробив приголомшливі знімки північного полюса планети та її численних вихорів. На основі цих зображень вчені оцінюють, що кожен із вихорів Юпітера має величезні розміри, простягаючись приблизно на 3000 миль завширшки — майже половина ширини самої Землі.
Космічний апарат Cassini, перш ніж навмисне згоріти в атмосфері Сатурна у 2017 році, перебував на орбіті планети з кільцями впродовж 13 років. Його спостереження північного полюса Сатурна зафіксували один єдиний полярний вихор у формі шестикутника, завширшки близько 18 000 миль.
Ші та Канг вирішили визначити фізичний механізм, який пояснив би, чому на одній планеті може утворитися один вихор, у той час як на іншій спостерігається кілька вихорів. Для цього вони працювали з двовимірною моделлю динаміки поверхневих потоків. Хоча полярний вихор за своєю природою тривимірний, команда дійшла висновку, що можна точно відобразити еволюцію вихору у двох вимірах, оскільки швидке обертання Юпітера та Сатурна забезпечує рівномірний рух уздовж осі обертання.
Дійти до суті
Слідуючи цій логіці, команда розробила двовимірну модель еволюції вихорів на газовому гіганті, базуючись на рівнянні, яке описує, як крутиться рідина з часом. Це рівняння використовувалося у багатьох контекстах, зокрема для моделювання циклонів середніх широт на Землі. Науковці адаптували його для полярних районів Юпітера та Сатурна.
Команда застосувала свою двовимірну модель, щоб змоделювати, як рідина буде змінюватися з часом на газовому гіганті за різних сценаріїв. У кожному сценарії вчені змінювали розмір планети, її швидкість обертання, внутрішнє нагрівання та м’якість або жорсткість обертової рідини. Потім вони встановили випадкову умову «шуму», за якої рідина початково текла у випадкових візерунках поверхнею планети. Нарешті, вони спостерігали, як рідина змінювалася із часом з урахуванням специфічних умов сценарію.
У кількох різних симуляціях науковці спостерігали, що деякі сценарії розвивалися до утворення одного великого полярного вихору, як на Сатурні, тоді як інші утворювали кілька менших вихорів, подібних до юпітеріанських.
Єдиний механізм погоди та внутрішня будова планет
Після аналізу поєднань параметрів і змінних у кожному сценарії та їхнього впливу на кінцевий результат науковці дійшли висновку, що існує єдиний механізм, який пояснює формування одного або кількох вихорів. Коли випадкові рухи рідини починають об’єднуватися в окремі вихори, їхній максимальний розмір обмежується м’якістю дна вихору. Чим м’якіший або легший газ, що обертається на дні вихору, тим менший вихор у результаті, що дозволяє кільком вихорам меншого масштабу співіснувати на полюсі планети, подібно до тих, що існують на Юпітері. Навпаки, чим твердіше або щільніше дно вихору, тим більшою може стати система, до розміру, коли вона зрештою може повторювати кривину планети як один вихор планетарного масштабу, подібно до того, що на Сатурні.
Якщо цей механізм справді працює на обох газових гігантах, це може свідчити про те, що Юпітер може складатися з м’якших, легших матеріалів, тоді як Сатурн може містити важчі речовини у своїх надрах.
«Те, що ми бачимо з поверхні, візерунок потоку на Юпітері та Сатурні, може розповісти нам щось про їхню внутрішню будову, наприклад, наскільки м’яке дно, — говорять автори дослідження. — І це важливо, бо, можливо, під поверхнею Сатурна внутрішня частина багатша на метали й містить більше конденсованого матеріалу, що дозволяє їй забезпечувати сильнішу стратифікацію, ніж у Юпітера. Усе це поглиблює наше розуміння природи цих газових гігантів».
За матеріалами phys.org
