Полярні вихори Юпітера і Сатурна: «м’якість дна» як можливе пояснення – дослідження MIT у PNAS

Полярні шторми на двох найбільших планетах Сонячної системи давно дивують науковців: на Сатурні – один велетенський «шестикутник», а на Юпітері – центральний вихор і вісім сусідів. Чому така разюча різниця, якщо обидва світи – газові гіганти зі спорідненим складом? Свіжа робота MIT пропонує фізичний механізм, який пов’язує картину на поверхні з тим, що відбувається глибше, під хмарами.

Передумови: як народилася загадка

Раніше космічні місії зібрали детальні спостереження полярних регіонів обох планет. Місія Juno, що з 2016 року обертається навколо Юпітера, зафіксувала центральний полярний вихор, оточений вісьмома меншими; кожен з них сягає близько 3 000 миль у поперечнику. Паралельно місія Cassini протягом 13 років вивчала Сатурн і до завершення у 2017 році зафіксувала єдиний полярний вихор у формі правильного шестикутника завширшки близько 18 000 миль. Попри те, що Юпітер і Сатурн подібні за багатьма параметрами – розмірами та домінуванням водню й гелію, – полярні вихори на них мають принципово різний малюнок. Саме ця невідповідність і стала відправною точкою нового дослідження.

Ключова подія: що показала модель MIT

Цього тижня в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences опубліковано роботу команди MIT під керівництвом Ваньїн Кан з відділу наук про Землю, атмосферу та планетні науки (EAPS). Перший автор – аспірант Цзяжу Ші. Науковці використали двовимірну модель еволюції завихрень, адаптовану з рівняння, що описує, як змінюються атмосферні вихори з часом. Вони варіювали низку параметрів: розмір планети, швидкість обертання, внутрішнє нагрівання та, ключове, «м’якість» або «жорсткість» основи вихору. Стартові умови задавали у вигляді випадкового «шуму» на поверхні, а далі відстежували, як із хаотичних коливань вибудовується впорядкований малюнок циркуляції.

Результат виявився однозначним: у частині сценаріїв потоки зливалися в один гігантський вихор – аналог сатурніанського; в інших – формувалися кілька великих циркуляцій, як на Юпітері. Вирішальною виявилася властивість основи вихору: якщо «дно» м’яке і легке, окремі вихори ростуть до обмеженого розміру, залишаючись кількома; якщо «дно» жорсткіше й щільніше, один із вихорів може вирости до планетарного масштабу і «поглинути» сусідів.

«Наше дослідження показує: залежно від властивостей надр і змінюється тип картини течій, яку ми бачимо на поверхні», – пояснює співавторка роботи Ваньїн Кан з MIT.

Реакція на висновки: що кажуть експерти

Робота викликала інтерес у фахівців із динаміки атмосфер газових гігантів, адже пропонує прямий «місток» між видимими шторма ми та глибинними властивостями. Це, зокрема, відкриває шлях до «картографування» внутрішніх параметрів без прямого зондування надр. На думку зовнішніх експертів, підхід може стати інструментом для інтерпретації даних поточних і майбутніх місій.

«Оскільки Юпітер і Сатурн в іншому подібні, їхня різна полярна погода була загадкою. Робота Ші та Кан виявляє неочікуваний зв’язок із “м’якістю” глибин, пропонуючи новий спосіб окреслити ключові внутрішні властивості, що формують їхні атмосфери», – зазначає Йогаї Каспі з Інституту Вейцмана, член наукової групи місії Juno.

Наслідки: що змінилося після публікації

Відтепер існує фізично обґрунтований сценарій, який узгоджує відмінні полярні візерунки обох планет із їхньою внутрішньою структурою. Це не остаточна відповідь, але важливий крок до її формулювання.

• З’явився механізм, що пояснює: м’якість дна вихору обмежує його зростання та дозволяє співіснувати кільком меншим системам – як на Юпітері з вісьмома вихорами навколо центрального.
• Показано масштабні відповідності: на Сатурні жорсткіше «дно» може підтримувати єдиний велетенський вихор близько 18 000 миль завширшки, тоді як на Юпітері окремі вихори сягають близько 3 000 миль і не зливаються в один.
• Методологічний прорив: редукція задачі до 2D в умовах швидкого обертання робить моделювання у сотні разів швидшим і доступнішим для систематичного перебору сценаріїв.

Перспективи: куди рухається дослідження далі

Надалі перевірка запропонованого механізму можлива через порівняння з новими спостереженнями та уточнення моделей нагріву й стратифікації надр. Якщо гіпотеза підтвердиться, внутрішня будова планет – її «м’якість» чи «жорсткість» – стане ключем до прогнозу поверхневих візерунків циркуляції. Це допоможе краще планувати спостереження поточних і майбутніх місій до газових гігантів. Дослідження частково підтримано Mathworks Fellowship та цільовим фінансуванням кафедри EAPS MIT.