Д вете най-големи планети в Слънчевата система – Юпитер и Сатурн – имат много общо. Те са съставени от много сходни материали, въртят се с подобни скорости и излъчват вътрешна топлина по подобен начин. Дори и двете трупат луни по подобен начин.
Има обаче разлика между планетите, която отдавна озадачава учените: гигантските, вихрови бури, които покриват полюсите им.
Сатурн има по една огромна буря на всеки полюс.
Полюсите на Юпитер са доминирани от по една голяма буря, заобиколена от диадема от по-малки.
Сега двама планетарни учени смятат, че може би са разрешили мистерията. Всичко се свежда до това как бурите се формират и се свързват с вътрешността на планетата: дали атмосферата позволява свободно развитие, както прави атмосферата на Сатурн, или дали ефективно налага ограничения за размера на бурите, подобно на тази на Юпитер.
В модела на екипа това се свежда до това колко силно бурите са свързани с по-дълбоките слоеве.
„Нашето проучване показва, че в зависимост от вътрешните свойства и мекотата на дъното на вихъра, това ще повлияе на вида флуиден модел, който наблюдавате на повърхността“, казва планетарният учен Уанин Канг от MIT. „Не мисля, че някой е направил тази връзка между повърхностния флуиден модел и вътрешните свойства на тези планети. Един възможен сценарий би могъл да бъде, че Сатурн има по-твърдо дъно от Юпитер“.
Времето на Юпитер и Сатурн е легендарно. Доминирана от пухкава, газообразна атмосфера, всяка планета е развълнувана от бури, мощни ветрове и гъсти облаци, които се вихрят в шарки, наподобяващи абстрактен експресионизъм.
И двете планети са били обект на специални кампании за наблюдение от космически апарати – Касини за Сатурн и Джуно за Юпитер. Тези новаторски сонди разкриха, че въпреки всичките си прилики, двете планети имат свои собствени идиосинкратични конфигурации на полярните бури.
„Хората са прекарали много време в дешифриране на разликите между Юпитер и Сатурн“, казва атмосферният учен Джиару Ши от Масачузетския технологичен институт. „Планетите са с приблизително еднакъв размер и двете са съставени предимно от водород и хелий. Не е ясно защо полярните им вихри са толкова различни“.
За да разберат, двамата учени разработиха двуизмерен модел на динамиката на повърхностните флуиди, за да възпроизведат повърхностните вихри, наблюдавани и на двете планети.
„В бързо въртяща се система движението на флуида е равномерно по оста на въртене“, казва Канг. „Така че бяхме мотивирани от идеята, че можем да редуцираме 3D динамичен проблем до 2D проблем, защото моделът на флуида не се променя в 3D. Това прави проблема стотици пъти по-бърз и по-евтин за симулиране и изучаване“.
На планетите газови гиганти, гигантските бури се раждат от по-малки движещи се градивни елементи, като например конвекция, които стават все по-големи и по-големи. Крайният им размер обаче се определя от различни ограничения, включително дълбочината на слоевете на атмосферата, силата, с която атмосферата се раздвижва (явление, наречено „ форсиране “), и скоростта, с която се разсейва триенето .
Ши и Канг откриха, че редът, в който се достигат тези граници, оказва огромно влияние върху вихровите модели, които се появяват на видимата повърхност на атмосферата.
Атмосферата на Юпитер е достатъчно дълбока и енергична, за да се образуват множество вихри, но ранната турбуленция им пречи да се слеят в един голям вихър, така че те се проявяват като изненадващо геометрична пица пеперони от полярни бури.
С други думи, според модела, слоестата структура на Юпитер е по-слаба, въздействието му е по-силно, тъй като излъчва топлина от центъра си, а енергията не се източва толкова бързо чрез триене. В комбинация това означава, че дискретната структура на бурята остава непокътната на повърхността.
За разлика от това, атмосферата на Сатурн е по-слоеста. Там или по-слабото въздействие намалява дълбоката турбулентност, или се губи повече енергия от триене, или комбинация от двете премахва бариерата, която пречи на вихрите му да се слеят, така че всички бури се сблъскват в една гигантска.
И всичко това може да бъде повлияно от плътността на долния слой, при който се образува вихърът. Не е точно твърдо доказателство, но откритията на екипа показват, че моделите на полярните бури на всяка от планетите биха могли да дават следи за средата, в която са се образували.
„Това, което виждаме от повърхността, флуидният модел на Юпитер и Сатурн, може да ни каже нещо за вътрешността, например колко меко е дъното“, казва Ши. „И това е важно, защото може би под повърхността на Сатурн, вътрешността е по-богата на метали и има повече кондензируем материал, което ѝ позволява да осигури по-силна стратификация от Юпитер. Това би допринесло за нашето разбиране за тези газови гиганти“.
