Новая трехмерная модель может объяснить образование шестиугольного шторма на Сатурне

 

Сатурн с его ослепительной системой ледяных колец был предметом восхищения с древних времен. Даже сейчас шестая планета от солнца хранит много загадок, отчасти потому, что ее удаленность затрудняет прямое наблюдение, а отчасти потому, что этот газовый гигант (который во много раз больше нашей планеты) имеет состав и атмосферу, в основном водород и гелий, так непохожие на земные. Если мы узнаем о ней побольше, то сможем получить некоторое представление о создании самой солнечной системы.

 

Одна из загадок Сатурна связана с мощным штормом в форме шестиугольника на его Северном полюсе. Шестигранный вихрь-это атмосферное явление, которое завораживает планетологов с момента его открытия в 1980-х годах американской программой "Вояджер" и последующего посещения в 2006 году американо-европейской миссией Кассини-Гюйгенса. Шторм имеет около 20 000 миль в диаметре и граничит с полосами ветров, дующих со скоростью до 300 миль в час. Такого урагана нет ни на одной другой известной планете или Луне.

 

Двое из многих ученых, ставших охотниками за межпланетными штормами, работающих над раскрытием секретов этого чуда,-Джереми Блоксхэм, профессор геофизики Маллинкродта, и научный сотрудник Ракеш К. Ядав, который работает в лаборатории Блоксхэма в Гарвардском отделении наук о земле и планетах. В недавно опубликованной статье в PNAS исследователи начали задумываться о том, как возник вихрь.

 

 

"Мы видим штормы на земле регулярно, и они всегда спиралевидные, иногда круглые, но никогда что-то с шестиугольными сегментами или многоугольниками с краями", - сказал Ядав. - Это действительно поразительно и совершенно неожиданно. [Вопрос на Сатурне] как образовалась такая большая система и как такая большая система может оставаться неизменной на этой большой планете?"

 

Создав трехмерную имитационную модель атмосферы Сатурна, Ядев и Блоксхэм полагают, что они приближаются к ответу.

 

В своей статье ученые говорят, что неестественно выглядящий ураган возникает, когда атмосферные потоки глубоко внутри Сатурна создают большие и малые вихри (они же циклоны), которые окружают более крупный горизонтальный струйный поток, дующий на восток вблизи Северного полюса планеты, который также имеет ряд штормов внутри него. Меньшие штормы взаимодействуют с большей системой и в результате эффективно сжимают Восточную струю и ограничивают ее в верхней части планеты. Процесс защемления деформирует поток в шестиугольник.

 

"Эта струя движется вокруг планеты, и она должна сосуществовать с этими локализованными [меньшими] штормами", - сказал Ядав, ведущий автор исследования. Подумайте об этом так: "Представьте, что у нас есть резиновая лента, и мы помещаем вокруг нее кучу меньших резиновых полос, а затем просто сжимаем всю вещь снаружи. Это центральное кольцо будет сжато на несколько дюймов и сформирует какую-то странную форму с определенным количеством краев. Это в основном физика того, что происходит. У нас есть эти небольшие штормы, и они в основном зажимают большие штормы в полярной области, и поскольку они должны сосуществовать, они должны каким-то образом найти пространство для размещения каждой системы. Делая это, они в конечном итоге делают эту многоугольную форму."

 

Модель, которую создали исследователи, предполагает, что шторм находится на глубине тысяч километров, значительно ниже облачных вершин Сатурна. Имитация имитирует внешний слой планеты и покрывает только около 10 процентов ее радиуса. В ходе месячного эксперимента, проведенного учеными, компьютерное моделирование показало, что явление, называемое глубокой тепловой конвекцией, которое происходит, когда тепло передается из одного места в другое движением жидкостей или газов, может неожиданно вызвать атмосферные потоки, которые создают большие полярные циклоны и высокоширотную Восточную струйную картину. Когда они смешиваются наверху, это образует неожиданную форму, и поскольку бури формируются глубоко внутри планеты, ученые сказали, что это делает шестиугольник яростным и настойчивым.

 

Конвекция-это та же сила, которая вызывает торнадо и ураганы на земле. Это похоже на кипячение кастрюли с водой: тепло снизу передается на более холодную поверхность, заставляя верхнюю часть пузыриться. Именно это, как полагают, вызывает многие бури на Сатурне, который, будучи газовым гигантом, не имеет твердой поверхности, подобной земной.

 

"Гексагональная картина течения на Сатурне является ярким примером турбулентной самоорганизации",-писали исследователи в июньской статье. "Наша модель одновременно и самосогласованно производит чередующиеся зональные струи, полярный циклон и шестиугольные полигональные структуры, подобные тем, которые наблюдаются на Сатурне."

 

Но вот чего модель не производила, так это шестиугольника. Вместо этого исследователи увидели форму девятистороннего многоугольника, который двигался быстрее, чем шторм Сатурна. Тем не менее, форма служит доказательством концепции для общего тезиса о том, как формируется величественная форма и почему она была относительно неизменной в течение почти 40 лет.

 

Интерес к шестиугольному Шторму Сатурна восходит к 1988 году, когда астроном Дэвид А. Годфри проанализировал данные о пролете космического аппарата "Вояджер" в 1980 и 1981 годах и сообщил об открытии. Десятилетия спустя, с 2004 по 2017 год, космический аппарат НАСА Cassini захватил некоторые из самых ясных и известных изображений аномалии, прежде чем погрузиться в планету.

 

Относительно мало известно о шторме, потому что планете требуется 30 лет, чтобы вращаться вокруг солнца, оставляя оба полюса в темноте на это время. Кассини, например, только сделал тепловые снимки шторма, когда он впервые прибыл в 2004 году. Даже когда солнце светит на Северном полюсе Сатурна, облака настолько плотные, что свет не проникает глубоко внутрь планеты.

 

Несмотря на это, существует много гипотез о том, как сформировался шторм. Большинство из них опирается на две школы мысли: одна предполагает, что шестиугольник неглубок и простирается только на сотни километров в глубину; другая предполагает, что зональные струи имеют глубину в тысячи километров.

 

Выводы ядева и Блоксхэма основаны на последней теории, но необходимо включить больше атмосферных данных с Сатурна и дополнительно уточнить их модель, чтобы создать более точную картину того, что происходит со штормом. В целом, дуэт надеется, что их находки помогут нарисовать портрет активности на Сатурне в целом.

 

"С научной точки зрения атмосфера действительно важна для определения того, как быстро планета охлаждается. Все эти вещи, которые вы видите на поверхности, в основном являются проявлениями охлаждения планеты, и охлаждение планеты говорит нам многое о том, что происходит внутри планеты", - сказал Ядав. "Научная мотивация в основном заключается в понимании того, как появился Сатурн и как он эволюционирует с течением времени."

ИСТОЧНИК

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (08.10.2020)
Просмотров: 20 | Рейтинг: 0.0/0