Полярные бури на Юпитере и Сатурне могут раскрыть то, что скрывается внутри

Две крупнейшие планеты Солнечной системы — Юпитер и Сатурн — имеют много общего. Они состоят из очень похожего вещества, вращаются с одинаковой скоростью и излучают внутреннее тепло аналогичным образом. Черт возьми, они даже обе накапливают спутники похожим образом.

Однако между этими планетами есть одно различие, которое давно озадачивает ученых: гигантские вихревые бури, покрывающие их полюса.

На каждом полюсе Сатурна находится одна огромная буря. На каждом из полюсов Юпитера доминирует один крупный шторм, окруженный диадемой из более мелких.

Теперь пара планетологов считает, что, возможно, разгадала эту загадку. Вопрос в том, как формируются штормы и как они соединяются с внутренним пространством планеты: позволяет ли атмосфера свободно расти, как это делает атмосфера Сатурна, или же она фактически ограничивает размеры штормов, как у Юпитера.

В модели, разработанной командой, это сводится к тому, насколько сильно штормы связаны с более глубокими слоями атмосферы. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Наше исследование показывает, что в зависимости от внутренних свойств и мягкости дна вихря будет формироваться тот тип жидкостной структуры, который вы наблюдаете на поверхности», — говорит планетолог Ванин Кан из Массачусетского технологического института. «Я не думаю, что кто-либо ранее устанавливал такую связь между характером распределения жидкости на поверхности и внутренними свойствами этих планет. Один из возможных сценариев заключается в том, что у Сатурна более твердое дно, чем у Юпитера».

Погода на Юпитере и Сатурне легендарна. На каждой планете преобладает рыхлая газовая атмосфера, и она охвачена бурными штормами, мощными полосами ветра и плотными облаками, которые закручиваются в узоры, напоминающие абстрактный экспрессионизм.

Обе планеты были объектом специальных космических наблюдений – «Кассини» для Сатурна и «Юнона» для Юпитера. Эти новаторские зонды показали, что, несмотря на все сходства, обе планеты имеют свои собственные, уникальные конфигурации полярных штормов.

«Люди потратили много времени на расшифровку различий между Юпитером и Сатурном», — говорит специалист по атмосферным явлениям Цзяру Ши из Массачусетского технологического института. «Планеты примерно одинакового размера и состоят в основном из водорода и гелия. Неясно, почему их полярные вихри так сильно различаются».

Чтобы это выяснить, два учёных разработали двухмерную модель динамики поверхностной жидкости, позволяющую воспроизвести поверхностные вихри, наблюдаемые на обеих планетах.

«В быстро вращающейся системе движение жидкости, как правило, равномерно распределено вдоль оси вращения», — говорит Кан. «Поэтому нас вдохновила идея о том, что мы можем свести трехмерную динамическую задачу к двумерной, поскольку структура жидкости не меняется в трехмерном пространстве. Это делает моделирование и изучение задачи в сотни раз быстрее и дешевле».

На газовых гигантах гигантские штормы зарождаются из более мелких движущихся элементов, таких как конвекция, которые постепенно увеличиваются в размерах. Однако их конечный размер определяется различными ограничениями, включая глубину слоев атмосферы, силу воздействия на атмосферу (явление, называемое «воздействием») и скорость рассеивания трения .

Ши и Кан обнаружили, что порядок достижения этих пределов оказывает огромное влияние на вихревые структуры, возникающие на видимой поверхности атмосферы.

Атмосфера Юпитера достаточно глубока и энергична для образования множества вихрей, но начальная турбулентность препятствует их слиянию в один большой вихрь, поэтому они проявляются в виде удивительно геометрической формы полярных штормов, напоминающих пиццу пепперони.

Другими словами, согласно модели, слоистая структура Юпитера слабее, его воздействие сильнее, поскольку он излучает тепло из своего центра, и энергия не так быстро расходуется за счет трения. В совокупности это означает, что дискретная структура штормов остается неповрежденной на поверхности.

Напротив, атмосфера Сатурна имеет более глубокую слоистую структуру. Там либо более слабое воздействие уменьшает глубокую турбулентность, либо больше энергии теряется из-за трения, либо сочетание того и другого устраняет барьер, препятствующий слиянию вихрей, так что все штормы сталкиваются в один гигантский.

И на всё это может влиять плотность нижнего слоя, в котором образуется вихрь. Это не совсем неопровержимое доказательство, но результаты исследования предполагают, что закономерности полярных штормов на каждой из планет могут содержать подсказки об условиях их образования.

«То, что мы видим с поверхности, например, характер распределения жидкости на Юпитере и Сатурне, может рассказать нам кое-что о внутреннем строении планеты, например, насколько мягкое дно», — говорит Ши. «И это важно, потому что, возможно, под поверхностью Сатурна находится более богатая металлами и конденсируемая среда, что позволяет ему обеспечивать более сильную стратификацию, чем Юпитер. Это расширило бы наше понимание этих газовых гигантов».