Полярные бури на Юпитере и Сатурне выявили глубокие различия в атмосфере

Две крупнейшие планеты Солнечной системы – Юпитер и Сатурн – имеют много общего. Они сделаны из очень похожего материала, вращаются с одинаковой скоростью и одинаково излучают внутреннее тепло. Черт возьми, они даже оба накапливают спутники одинаковым образом.

Однако есть разница между планетами, которая уже давно озадачивает ученых: гигантские вихревые штормы, окружающие их полюса.

Сатурн имеет по одной огромной буре на каждом полюсе.

На каждом полюсе Юпитера доминирует один большой шторм, окруженный диадемой меньших.

Связано: Мы, возможно, наконец узнаем, как странные полярные бури Юпитера остаются вместе

Теперь пара ученых-планетологов думает, что они, возможно, разгадали загадку. Все зависит от того, как штормы формируются и соединяются с недрами планеты: обеспечивает ли атмосфера свободный рост, как это делает атмосфера Сатурна, или же она эффективно налагает ограничения на размер штормов, как у Юпитера.

В модели команды это сводится к тому, насколько сильно штормы связаны с более глубокими слоями.

«Наше исследование показывает, что в зависимости от внутренних свойств и мягкости дна вихря это будет влияет на тип структуры жидкости, которую вы наблюдаете на поверхности», — говорит ученый-планетолог Ванин Кан из Массачусетского технологического института.

«Я не думаю, что кто-либо установил связь между структурой жидкости на поверхности и внутренними свойствами этих планет. Одним из возможных сценариев может быть то, что у Сатурна более твердое дно, чем у Юпитера».

О погоде на Юпитере и Сатурне ходят легенды. На каждой планете преобладает пухлая газообразная атмосфера, на каждой планете бушуют бурные штормы, мощные полосы ветра и густые облака, которые закручиваются в узоры, напоминающие абстрактный экспрессионизм.

Обе планеты были объектом специальных кампаний по наблюдению космических аппаратов: Кассини для Сатурна и Юнона для Юпитера. Эти новаторские исследования показали, что, несмотря на все их сходство, две планеты имеют свои собственные уникальные конфигурации полярных бурь.

«Люди потратили много времени, расшифровывая различия между Юпитером и Сатурном», — говорит ученый-атмосферник Цзяру Ши из Массачусетского технологического института. «Планеты примерно одинакового размера и состоят в основном из водорода и гелия. Непонятно, почему их полярные вихри такие разные».

Чтобы выяснить это, двое ученых разработали двумерную модель динамики поверхностных жидкостей, чтобы воспроизвести поверхностные вихри, наблюдаемые на обеих планетах.

«В быстро вращающейся системе движение жидкости имеет тенденцию быть равномерным вдоль оси вращения», — говорит Канг. «Итак, нас мотивировала идея о том, что мы можем свести трехмерную динамическую задачу к двумерной задаче, потому что структура жидкости не меняется в трехмерном пространстве. Это делает задачу в сотни раз быстрее и дешевле для моделирования и изучения».

На газовых планетах-гигантах гигантские штормы рождаются из более мелких движущихся строительных блоков, таких как конвекция, которые становятся все больше и больше. Однако их конечный размер определяется различными ограничениями, в том числе глубиной слоев атмосферы, силой, с которой атмосфера перемешивается (феномен, называемый «принуждением») и скоростью, с которой рассеивается трение.

Ши и Канг обнаружили, что порядок достижения этих пределов имеет огромное значение в вихревых узорах, которые возникают на видимой поверхности атмосферы.

Атмосфера Юпитера достаточно глубока и энергична, чтобы возникло множество вихрей. форма, но ранняя турбулентность не позволяет им слиться в один большой вихрь, поэтому они проявляются как удивительно геометрическая пицца пепперони из полярных штормов.

Другими словами, согласно модели, слои Юпитера слабее, его воздействие сильнее, поскольку он излучает тепло из своего центра, и энергия не истощается так быстро из-за трения. В совокупности это означает, что дискретная структура шторма остается нетронутой на поверхности.

Напротив, атмосфера Сатурна имеет более глубокие слои. Там либо более слабое воздействие уменьшает глубокую турбулентность, либо больше энергии теряется на трение, либо сочетание того и другого устраняет барьер, препятствующий слиянию вихрей, поэтому все штормы сталкиваются в один гигантский.

И на все это может повлиять плотность нижнего слоя, в котором формируется вихрь. Это не совсем убедительное доказательство, но результаты команды позволяют предположить, что характер полярных бурь на каждой из планет может содержать подсказки об окружающей среде, в которой они сформировались.

«То, что мы видим с поверхности, рисунок жидкости на Юпитере и Сатурне, может рассказать нам кое-что о внутренней части, например, насколько мягкое дно», — говорит Ши.

«И это важно, потому что, возможно, под поверхностью Сатурна внутренняя часть более обогащена металлами и содержит больше металлов. конденсируемый материал, что позволяет ему обеспечивать более сильную стратификацию, чем Юпитер. Это расширит наше понимание этих газовых гигантов».

Исследование опубликовано в Трудах Национальной академии наук.