Niedawne badania planetologów z MIT rzucają światło na powody, dla których Jowisz i Saturn wykazują uderzająco różne wzorce wirów polarnych. Badanie sugeruje, że różnice te nie są przypadkowe, ale są powiązane ze składem i gęstością materii w głębinach każdej planety – odkrycie to ma ważne implikacje dla zrozumienia struktury gazowych gigantów.
Kontrastowe formacje polarne: wir Jowisza kontra sześciokąt Saturna
Kluczowe dane wizualne do tego badania dostarczyły misje NASA Juno i Cassini. Juno, krążąca wokół Jowisza od 2016 roku, wykonała zdjęcia chaotycznego bieguna północnego planety, zdominowanego przez wiele wirujących wirów, każdy o średnicy około 4800 kilometrów. Dla kontrastu, Cassini aż do zakończenia swojej misji w 2017 roku obserwowała biegun północny Saturna jako pojedynczy, stabilny sześciokątny wir rozciągający się na prawie 29 000 kilometrów.
Naukowców od dawna dręczyło pytanie: dlaczego na planetach o porównywalnej wielkości i składzie są tak bardzo różne wzory? Zarówno Jowisz, jak i Saturn składają się głównie z wodoru i helu, co czyni tę rozbieżność jeszcze bardziej zagadkową.
Uproszczony model daje niesamowite rezultaty
Aby rozwiązać tę zagadkę, zespół z MIT zastosował dwuwymiarowy model dynamiki płynów — celowe uproszczenie, które okazało się skuteczne. Szybki obrót planet zapewnia stały ruch wzdłuż ich osi, umożliwiając naukowcom dokładne odwzorowanie ewolucji wirów w dwóch wymiarach zamiast skomplikowanych symulacji 3D. Dzięki takiemu podejściu badania były znacznie szybsze i wydajniejsze.
Zespół zaadaptował istniejące równania używane do modelowania cyklonów na Ziemi, dostosowując je do unikalnych warunków panujących w obszarach polarnych Jowisza i Saturna. Symulując zachowanie płynu w różnych scenariuszach – zmieniając wielkość planety, prędkość obrotową, wewnętrzne ogrzewanie oraz miękkość/twardość znajdującego się pod nią płynu – zaobserwowali spójne wzorce.
Wskazówka: Gęstość wnętrza determinuje powstawanie wirów
Symulacje wykazały, że „miękkość” materiału na dnie wiru determinuje jego wielkość. Miękkie i lżejsze materiały pozwalają na współistnienie mniejszych, wielu wirów (jak na Jowiszu), podczas gdy gęste i twardsze materiały sprzyjają tworzeniu się pojedynczego wiru o skali planetarnej (jak na Saturnie).
Sugeruje to, że wnętrze Jowisza może składać się z lżejszych, mniej uwarstwionych materiałów, podczas gdy wnętrze Saturna może być wzbogacone w cięższe związki metali, które tworzą mocniejsze warstwy.
„To, co widzimy na powierzchni… może nam powiedzieć coś o wnętrzu, na przykład o jego miękkości” – mówi studentka Jiaru Shi.
Implikacje dla zrozumienia struktury gazowych gigantów
Badanie to zapewnia nowy sposób wnioskowania o składzie wewnętrznym planet na podstawie obserwowanych zjawisk atmosferycznych. Podkreśla, że wzory powierzchni cieczy nie są po prostu cechami estetycznymi, ale raczej wskaźnikami głębszych, podstawowych właściwości. Wyniki zostaną opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ostatecznie zrozumienie tych wzorców wirów nie polega tylko na rozwiązaniu problemu pogody planetarnej; to pogłębiające się zrozumienie ukrytych wnętrz gazowych gigantów i procesów, które ukształtowały ich powstawanie.
