На полюсах крупнейших планет Солнечной системы, Юпитера и Сатурна, есть удивительные вихри. Ученые изучили их и пришли к выводу, что их форма связана с процессами, происходящими глубоко внутри этих газовых гигантов.
Загадки полярных вихрей
В течение многих лет пролетающие космические аппараты наблюдали загадочные явления погоды на полюсах Юпитера и Сатурна. На этих двух планетах существуют очень разные типы полярных вихрей, вращающихся над полярными регионами планеты. На Сатурне один огромный полярный вихрь, похоже, покрывает северный полюс странной шестиугольной формой, тогда как на Юпитере центральный полярный вихрь окружен восемью меньшими вихрями, похожими на сковороду со смешанными рулетами с корицей.
Учитывая, что обе планеты схожи во многих аспектах — они примерно одинакового размера и состоят из тех же газообразных элементов — резкое отличие в их полярных погодных условиях было давней тайной.
Теперь ученые из Массачусетского технологического института определили возможное объяснение того, как могли развиваться две разные системы. Их открытия могут помочь понять не только погодные условия на поверхности планет, но и процессы, происходящие под облаками, глубоко в их недрах.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда моделирует разные способы формирования хорошо организованных паттернов вихрей из случайных стимулов на газовом гиганте. Среди широкого спектра правдоподобных конфигураций планет команда обнаружила, что в некоторых случаях течения объединялись в один большой вихрь, похожий на узор Сатурна, тогда как другие моделирования давали несколько крупных циркуляций, похожих на вихри Юпитера.
Новая теория образования вихрей
После сравнения моделирований команда обнаружила, что паттерны вихрей и вопросы, развивает ли планета один или несколько полярных вихрей, сводятся к одному главному свойству: мягкости основы вихря, что связано с внутренним составом. Ученые сравнивают отдельный вихрь с закрученным цилиндром, вращающимся через многочисленные атмосферные слои планеты.
Когда основание этого закрученного цилиндра сделано из более мягких, легких материалов, любой возникающий вихрь может вырасти только до определенного размера. Окончательный узор тогда может позволить существование нескольких меньших вихрей, подобных Юпитеру. Зато если основа вихря сделана из более твердых, более плотных материалов, он может возрасти значительно больше и затем поглотить другие вихри, формируя один огромный вихрь, подобный гигантскому циклону на Сатурне.
«Наше исследование показывает, что в зависимости от внутренних свойств и мягкости дна вихря это влияет на тип жидкости, который вы наблюдаете на поверхности, — говорит автор исследования Ванинг Канг, ассистент профессора в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах MIT (EAPS). — Я не думаю, что кто-то делал эту связь между поверхностным узором жидкости и внутренними свойствами этих планет. Один из возможных сценариев заключается в том, что у Сатурна более твердое дно, чем у Юпитера».
Работа с погодными моделями
Новая работа авторов Канга и Ши была вдохновлена изображениями Юпитера и Сатурна, сделанными миссиями Juno и Cassini. Космический аппарат NASA Juno находится на орбите Юпитера с 2016 года и сделал потрясающие снимки северного полюса планеты и ее многочисленных вихрей. На основе этих изображений ученые оценивают, что каждый из вихрей Юпитера имеет огромные размеры, простираясь примерно на 3000 миль в ширину — почти половина ширины самой Земли.
Космический аппарат Cassini, прежде чем умышленно сгореть в атмосфере Сатурна в 2017 году, находился на орбите планеты с кольцами в течение 13 лет. Его наблюдение северного полюса Сатурна зафиксировали один единственный полярный вихрь в форме шестиугольника, шириной около 18 000 миль.
Ши и Канг решили определить физический механизм, который объяснил бы, почему на одной планете может образоваться один вихрь, в то время как на другой наблюдается несколько вихрей. Для этого они работали с двумерной моделью динамики поверхностных потоков. Хотя полярный вихрь по своей природе трехмерный, команда пришла к выводу, что можно точно отразить эволюцию вихря в двух измерениях, поскольку быстрое вращение Юпитера и Сатурна обеспечивает равномерное движение вдоль оси вращения.
Дойти до сути
Следуя этой логике, команда разработала двумерную модель эволюции вихрей на газовом гиганте, основываясь на уравнении, которое описывает, как вращается жидкость со временем. Это уравнение использовалось во многих контекстах, в частности для моделирования циклонов средних широт на Земле. Ученые адаптировали его для полярных районов Юпитера и Сатурна.
Команда применила свою двумерную модель, чтобы смоделировать, как жидкость будет меняться со временем на газовом гиганте при различных сценариях. В каждом сценарии ученые изменяли размер планеты, ее скорость вращения, внутренний нагрев и мягкость или жесткость вращающейся жидкости. Затем они установили случайное условие «шума», при котором жидкость изначально текла случайными узорами по поверхности планеты. Наконец, они наблюдали, как жидкость менялась со временем с учетом специфических условий сценария.
В нескольких различных симуляциях ученые наблюдали, что некоторые сценарии развивались до образования одного большого полярного вихря, как на Сатурне, в то время как другие образовывали несколько меньших вихрей, подобных юпитерианским.
Единственный механизм погоды и внутреннее строение планет
После анализа сочетаний параметров и переменных в каждом сценарии и их влияния на конечный результат ученые пришли к выводу, что существует единый механизм, объясняющий формирование одного или нескольких вихрей. Когда случайные движения жидкости начинают объединяться в отдельные вихри, их максимальный размер ограничивается мягкостью дна вихря. Чем мягче или легче газ, вращающийся на дне вихря, тем меньше вихрь в результате, что позволяет нескольким вихрям меньшего масштаба сосуществовать на полюсе планеты, подобно тем, что существуют на Юпитере. Наоборот, чем тверже или плотнее дно вихря, тем больше может стать система, до размера, когда она в конечном итоге может повторять кривизну планеты как один вихрь планетарного масштаба, подобно тому, что на Сатурне.
Если этот механизм действительно работает на обоих газовых гигантах, это может свидетельствовать о том, что Юпитер может состоять из более мягких, более легких материалов, тогда как Сатурн может содержать более тяжелые вещества в своих недрах.
«То, что мы видим с поверхности, узор потока на Юпитере и Сатурне, может рассказать нам что-то об их внутреннем строении, например, насколько мягкое дно, — говорят авторы исследования. — И это важно, потому что, возможно, под поверхностью Сатурна внутренняя часть богаче металлами и содержит больше конденсированного материала, что позволяет ей обеспечивать более сильную стратификацию, чем у Юпитера. Все это углубляет наше понимание природы этих газовых гигантов».
По материалам phys.org
