Атмосферные вихри как ключ к недрам Юпитера и Сатурна

Космические аппараты, пролетавшие мимо Юпитера и Сатурна, зафиксировали необычные и до сих пор не до конца понятные погодные явления в полярных областях этих планет. Речь идет о гигантских атмосферных вихрях – циклонах, которые у двух газовых гигантов выглядят поразительно по-разному. На Сатурне северный полюс «накрыт» одним огромным вихрем правильной шестиугольной формы, тогда как на Юпитере вокруг центрального полярного вихря вращаются восемь меньших, напоминая узор из закрученных рулетов. Учитывая, что обе планеты схожи по размерам и составу, такая разница долгое время оставалась загадкой.

Теперь ученые предложили возможное объяснение этого феномена. Исследование, представленное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что различия в полярной погоде могут быть напрямую связаны с тем, что скрывается глубоко под облаками – с внутренним строением планет.

Моделирование хаоса

Ученые смоделировали, как на газовых гигантах могут формироваться упорядоченные вихревые структуры из первоначально хаотичных потоков. Используя двумерную модель динамики жидкости, они воспроизвели эволюцию атмосферных течений при разных параметрах: скорости вращения планеты, ее размеров, внутреннего нагрева и свойств вещества в глубинных слоях. Такой подход стал возможен благодаря тому, что быстрое вращение Юпитера и Сатурна выравнивает движение атмосферы вдоль оси вращения, упрощая задачу без потери точности.

В одних сценариях вихри постепенно сливались в один гигантский циклон, как на Сатурне, в других – формировали несколько устойчивых структур, похожих на полярные вихри Юпитера.

Устойчивость основания вихря

Сопоставив результаты многочисленных симуляций, исследователи пришли к ключевому выводу: решающую роль играет физическое состояние слоев атмосферы у основания вихря.

«Мы сравниваем вихрь с вращающимся цилиндром, который пронизывает атмосферу на значительную глубину. Если нижние слои состоят из менее плотного и более подвижного вещества, рост вихря оказывается ограниченным. В таком случае на полюсе могут одновременно существовать несколько крупных, но относительно компактных структур – именно такая конфигурация наблюдается на Юпитере», – пояснили авторы исследования.

Напротив, если основание вихря опирается на более плотные и устойчивые слои, он способен увеличиваться в размерах, постепенно поглощая соседние. В итоге формируется один доминирующий вихрь планетарного масштаба, подобный тому, который зафиксирован на северном полюсе Сатурна.

Окно во внутреннее строение планет

По мнению авторов исследования, рисунки атмосферных течений на поверхности планет могут служить своеобразным «окном» в их внутреннее строение. Различия в полярных вихрях позволяют предположить, что в недрах Сатурна присутствует больше тяжелых элементов и конденсируемых веществ, формирующих более плотную и стабильную слоистую структуру. В то же время внутренние области Юпитера, вероятно, состоят из более легкого вещества и отличаются меньшей устойчивостью к перемешиванию.

«То, что мы видим на поверхности, может многое рассказать о глубинных процессах. Эти выводы не только помогают лучше понять Юпитер и Сатурн, но и дают ключ к изучению других газовых гигантов – как в Солнечной системе, так и за ее пределами», – заключили авторы исследования.