На протяжении многих лет пролетающие мимо космические аппараты фиксировали загадочные погодные явления на полюсах Юпитера и Сатурна. На этих планетах наблюдаются совершенно разные типы полярных вихрей — гигантских атмосферных водоворотов, вращающихся над полярными областями. На Сатурне северный полюс венчает один колоссальный вихрь, и он имеет любопытную шестиугольную форму. А вот на Юпитере центральный вихрь окружен восемью меньшими, словно сковорода с кружащимися булочками с корицей.

Оба гиганта во многом похожи — они имеют схожие размеры и состоят из одних и тех же газов. Поэтому столь разительное отличие в их полярной погоде долгое время оставалось загадкой.

Теперь ученые из MIT, возможно, нашли объяснение тому, как сформировались эти две разные системы. Их открытие поможет понять не только поверхностные погодные явления, но и то, что скрывается глубоко в недрах планет под толщей облаков.

В исследовании, опубликованном на этой неделе в издании Proceedings of the National Academy of Sciences, команда смоделировала различные способы формирования упорядоченных вихревых структур из случайных возмущений в атмосфере газового гиганта — огромной планеты, состоящей в основном из газов, как Юпитер и Сатурн. Среди множества возможных конфигураций планет ученые обнаружили, что в одних случаях потоки сливаются в один огромный вихрь, подобный сатурнианскому, а в других — образуют несколько крупных циркуляций, как на Юпитере.

Сравнив симуляции, команда пришла к выводу, что формирование одного или нескольких вихрей зависит от одного ключевого свойства: «мягкости» основания вихря, которое связано с составом недр планеты. Ученые сравнивают отдельный вихрь с вращающимся цилиндром, пронизывающим атмосферные слои. Если основание этого водоворота состоит из более легкого и податливого материала, вихрь не может разрастись слишком сильно. В итоге формируется система из нескольких меньших вихрей, как на Юпитере. Если же основание вихря более плотное и жесткое, он способен поглотить соседей и превратиться в монстра-циклон, подобный тому, что царит на Сатурне.

Наше исследование показывает, что тип атмосферной структуры, который мы видим на поверхности, зависит от внутренних свойств планеты и мягкости основания вихря», — говорит один из авторов работы, ассистент-профессор MIT Ваньин Кан. «Полагаю, эту связь между поверхностными структурами и внутренними свойствами планет еще никто не прослеживал. Одна из возможных причин — дно у Сатурна может быть тверже, чем у Юпитера.

Ведущий автор исследования — аспирант MIT Цзяру Ши.

История вопроса

Новая работа Кан и Ши была вдохновлена снимками с миссий «Юнона» и „Кассини“. С 2016 года аппарат NASA „Юнона“ вращается вокруг Юпитера и передает впечатляющие изображения его северного полюса с множеством вихрей. Каждый из них огромен — около 4800 км в поперечнике, что почти вдвое меньше диаметра Земли.

«Кассини», прежде чем сгореть в атмосфере Сатурна в 2017 году, 13 лет изучал окольцованную планету и зафиксировал на ее северном полюсе один шестиугольный вихрь шириной примерно 29 000 км.

Ученые долго ломали голову над различиями между Юпитером и Сатурном, — отмечает Ши. — Планеты похожи по размеру и составу, в основном это водород и гелий. Непонятно, почему их полярные вихри так различаются.

Моделирование

Ши и Кан решили выявить физический механизм, объясняющий этот феномен. Они создали двумерную модель динамики поверхностных потоков.

Несмотря на трехмерную природу вихрей, ученые предположили, что быстрая ротация Юпитера и Сатурна выравнивает движение вдоль оси вращения, позволяя работать с упрощенной 2D-моделью.

В быстро вращающейся системе движение жидкости вдоль оси вращения стремится к однородности, — объясняет Кан. — Это позволило нам свести сложную трехмерную задачу к двумерной, что в сотни раз ускорило и удешевило моделирование.

Команда адаптировала известное уравнение, описывающее эволюцию вращающейся жидкости, к условиям полярных регионов газовых гигантов. Они провели множество симуляций, варьируя параметры: размер планеты, скорость вращения, внутренний нагрев, а также жесткость или мягкость вращающейся среды. Начальным условием был хаотичный поток, который затем эволюционировал.

Результат

Результаты симуляций разделились: в одних случаях формировался один гигантский вихрь, в других — несколько меньших. Ключевым фактором оказалась именно мягкость основания вихря. Более легкая и мягкая среда ограничивает рост вихря, позволяя сосуществовать нескольким структурам. Более плотная и жесткая среда, напротив, позволяет одному вихрю разрастись до планетарных масштабов.

Если этот механизм верен, то внутренности Юпитера, вероятно, состоят из более легкого и податливого материала, а в недрах Сатурна преобладает более плотное и тяжелое вещество.

То, что мы видим на поверхности Юпитера и Сатурна — эти атмосферные узоры — может рассказать нам о внутреннем строении, о том, насколько мягко или твердо «дно» этих планет», — говорит Ши. — Это важно, потому что, возможно, под поверхностью Сатурна больше металлов и конденсируемых материалов, что создает более сильную стратификацию, чем на Юпитере.

Поскольку Юпитер и Сатурн в остальном так похожи, разница в их полярной погоде была загадкой, — комментирует профессор геофизической гидродинамики Института Вейцмана и член научной группы миссии «Юнона» Йохай Каспи, не участвовавший в исследовании. — Работа Ши и Кан выявляет неожиданную связь между этими различиями и „мягкостью“ глубоких недр планет, предлагая новый способ картирования ключевых внутренних свойств, формирующих их атмосферы.

Реальная польза этого исследования выходит далеко за рамки любопытства о далеких планетах.

• Во-первых, оно создает новый диагностический инструмент. Теперь, наблюдая за атмосферными узорами на экзопланетах-гигантах, мы можем делать первые предположения о составе и структуре их недр, недоступных прямому наблюдению. Это как научиться определять начинку конфеты, лишь внимательно рассмотрев узор на ее фантике.
• Во-вторых, физические принципы, описанные в модели — взаимодействие вращающихся потоков с нижней границей разной «мягкости» — универсальны. Они могут быть применены для лучшего понимания динамики земной атмосферы и океана, где роль „дна“ играют горные массивы или морское дно, влияющие на формирование и траектории циклонов и океанических течений.

Таким образом, работа прокладывает мост между планетологией и земной климатологией.

Основное замечание касается существенного упрощения — использования двумерной модели для описания сложнейшей трехмерной системы. Хотя аргумент о выравнивании потоков вдоль оси вращения в быстро вращающихся телах физически обоснован, он игнорирует возможные важные вертикальные взаимодействия между слоями атмосферы с разными свойствами (например, смена фаз веществ, конвективные потоки). «Мягкость дна» — это остроумная, но пока очень абстрактная метафора. Ее точное соответствие конкретным физико-химическим параметрам недр Юпитера и Сатурна (градиентам температуры, плотности, вязкости, наличию слоя металлического водорода) еще предстоит количественно определить и обосновать. Иными словами, модель дает блестящую качественную гипотезу, но для ее верификации потребуются более сложные 3D-симуляции и новые данные о внутреннем строении планет от будущих миссий.

Ранее ученые запустили к спутнику Юпитера новый аппарат размером с микроволновку.