Нещодавні дослідження планетологів з Массачусетського технологічного інституту проливають світло на причини, чому Юпітер і Сатурн демонструють разюче різні моделі полярних вихрів. Дослідження припускає, що ці відмінності не є випадковими, а пов’язані зі складом і щільністю матеріалу в надрах кожної планети – відкриття, яке має важливі наслідки для розуміння структури газових гігантів.
Контрастні полярні утворення: вихор Юпітера проти шестикутника Сатурна
Ключові візуальні дані для цього дослідження були надані місіями NASA Juno і Cassini. Юнона, яка обертається навколо Юпітера з 2016 року, зробила зображення хаотичного північного полюса планети, де домінує безліч обертових вихорів, кожен діаметром близько 4800 кілометрів. Навпаки, Cassini до завершення своєї місії в 2017 році спостерігав північний полюс Сатурна як єдиний стабільний гексагональний вихор, що простягається майже на 29 000 кілометрів.
Вчених давно мучить питання: чому такі дико різні моделі на планетах порівнянного розміру та складу? І Юпітер, і Сатурн в основному складаються з водню та гелію, що робить цю розбіжність ще більш загадковою.
Спрощена модель дає приголомшливі результати
Щоб розгадати цю таємницю, команда Массачусетського технологічного інституту використала двовимірну модель гідродинаміки — навмисне спрощення, яке виявилося ефективним. Швидке обертання планет забезпечує постійний рух уздовж їхньої осі, дозволяючи дослідникам точно представляти еволюцію вихорів у двох вимірах замість складного 3D-симуляції. Такий підхід зробив дослідження набагато швидшим і ефективнішим.
Команда адаптувала існуючі рівняння, які використовуються для моделювання циклонів на Землі, пристосувавши їх до унікальних умов полярних регіонів Юпітера і Сатурна. Моделюючи поведінку рідини за різних сценаріїв — змінюючи розміри планети, швидкість обертання, внутрішнє нагрівання та м’якість/твердість рідини, що лежить в основі, — вони спостерігали послідовні закономірності.
Підказка: внутрішня щільність визначає формування вихору
Моделювання показало, що «м’якість» матеріалу на дні вихору визначає його розмір. М’якіші та легші матеріали дозволяють співіснувати меншим множинним вихорам (як на Юпітері), тоді як щільні та твердіші матеріали сприяють утворенню єдиного вихору планетарного масштабу (як на Сатурні).
Це свідчить про те, що внутрішня частина Юпітера може складатися з легших, менш стратифікованих матеріалів, тоді як внутрішня частина Сатурна може бути збагачена важчими металевими сполуками, які створюють сильніші шари.
«Те, що ми бачимо на поверхні… може розповісти нам про інтер’єр, наприклад, про те, наскільки він м’який», – каже аспірант Цзяру Ши.
Наслідки для розуміння структури газових гігантів
Це дослідження дає новий спосіб зробити висновок про внутрішній склад планет на основі спостережуваних атмосферних явищ. Він підкреслює, що поверхневі структури рідини є не просто естетичними властивостями, а скоріше індикаторами більш глибоких фундаментальних властивостей. Результати будуть опубліковані в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Зрештою, розуміння цих вихрових патернів полягає не лише у розгадуванні планетарної погоди; це поглиблене розуміння прихованих надр газових гігантів і процесів, які сформували їх формування.
