Космические аппараты, совершившие пролет мимо Юпитера и Сатурна, зарегистрировали аномальные и пока не до конца объясненные метеорологические процессы в приполярных областях этих планет. Имеется в виду гигантские атмосферные завихрения – циклоны, которые на двух газовых гигантах демонстрируют заметно различную картину. На Сатурне северный полюс характеризуется наличием одного крупного вихря с отчетливой шестиугольной конфигурацией, тогда как вокруг центрального полярного вихря Юпитера вращаются восемь более мелких структур, напоминающих узор из закрученных слоев. Ввиду схожести планет по размерам и составу, подобное различие долгое время представляло собой загадку.
В настоящее время учеными предложено вероятное объяснение этого явления. Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, указывает на то, что различия в приполярном климате могут быть непосредственно связаны с тем, что находится глубоко под облачным покровом – с внутренним устройством планет.
Моделирование хаоса
Специалисты провели моделирование того, как на газовых гигантах могут возникать упорядоченные вихревые образования из изначально хаотичных потоков. С помощью двумерной модели динамики жидкости была воспроизведена эволюция атмосферных течений при различных параметрах: скорости вращения планеты, ее габаритах, внутреннем нагреве и характеристиках вещества в глубоких слоях. Реализация подобного подхода стала возможной благодаря тому, что Юпитер и Сатурн обладают высокой скоростью вращения, которая выравнивает движение атмосферы вдоль оси вращения, упрощая задачу без потери точности.
В некоторых моделях вихри постепенно объединялись в один крупный циклон, как это наблюдается на Сатурне, а в других – формировали несколько устойчивых структур, напоминающих полярные вихри Юпитера.
Устойчивость основания вихря
На основе анализа большого количества смоделированных сценариев ученые сделали основной вывод о том, что определяющее значение имеет состояние атмосферных слоев вблизи нижней границы вихря.
«Мы проводим аналогию между вихрем и вращающимся цилиндром, который протягивается через атмосферу на большую глубину. Если нижние слои состоят из менее плотного и более текучего вещества, то рост вихря будет ограничен. В таком случае на полюсе может существовать несколько крупных, но не очень больших структур – именно такую конфигурацию можно наблюдать на Юпитере», – объяснили авторы научной работы.
В противоположной ситуации, когда основание вихря опирается на более плотные и стабильные слои, он способен увеличиваться в размерах, постепенно поглощая соседние образования. В конечном итоге формируется один крупный вихрь планетарного масштаба, подобный тому, что зафиксирован на северном полюсе Сатурна.
Окно во внутреннее строение планет
Согласно мнению исследователей, картины атмосферных потоков на поверхности планет могут служить индикатором их внутреннего строения. Различия в полярных вихрях позволяют предположить, что внутри Сатурна содержится больше тяжелых элементов и веществ, способных к конденсации, формирующих более плотную и устойчивую слоистую структуру. Внутренние области Юпитера, вероятно, состоят из менее плотного вещества и характеризуются меньшей стабильностью по отношению к перемешиванию.
«Наблюдаемые нами проявления на поверхности способны предоставить ценную информацию о происходящих внутри процессах. Полученные результаты не только способствуют более глубокому пониманию Юпитера и Сатурна, но и открывают возможности для изучения других газовых гигантов – как в пределах нашей Солнечной системы, так и за ее границами», – подытожили ученые, представившие исследование.
