Как вихри планет приоткрывают завесу над их сокровенными недрами
Загадочные погодные явления, зафиксированные космическими зондами на полюсах Юпитера и Сатурна, десятилетиями ставили ученых в тупик. Эти колоссальные атмосферные образования — полярные вихри — устроены кардинально по-разному. Над северным полюсом Сатурна царствует одинокий, почти мистический шестиугольный вихрь чудовищных размеров. Юпитер же демонстрирует иную картину: центральный циклон окружен когортой из восьми меньших «собратьев», напоминая гигантскую небесную карусель.
Парадокс в том, что оба гиганта, казалось бы, близнецы: схожие размеры, схожий газовый состав. Почему же их полярная «погода» столь разнится? Ответ на этот вопрос, возможно, скрыт не в облаках, а в самых глубинных слоях планет.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предложили элегантную гипотезу, связывающую внешние атмосферные узоры с внутренним устройством недр. Их работа, опубликованная в авторитетном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, основана на сложном компьютерном моделировании. Ученые воспроизвели, как из хаотичных потоков газа могут рождаться упорядоченные вихревые структуры.
Ключевым открытием стал фактор «мягкости основания». Ученые представили вихрь как вращающийся цилиндр, пронизывающий атмосферные слои до самых недр. Оказалось, что судьба вихря — стать ли ему единоличным властелином полюса, как на Сатурне, или частью «коллектива», как на Юпитере, — зависит от плотности и вязкости материала в его основании.
«Мягкое» дно против «твердого». Если основание вихря состоит из менее плотных, более «мягких» слоев, как предполагается у Юпитера, его рост ограничен. Это создает условия для стабильного сосуществования нескольких циклонов. Если же подложка плотная и «твердая» (вероятный сценарий для Сатурна), вихрь может беспрепятственно расширяться, поглощая соседей и превращаясь в господствующий ураган планетарного масштаба.
«Распределение жидкости на поверхности дает нам ключ к пониманию внутренних свойств. Возможно, недра Сатурна более стратифицированы и обогащены тяжелыми элементами по сравнению с Юпитером», — поясняет ведущий автор исследования, аспирант MIT Цзяру Ши.
Вдохновением для ученых послужили данные легендарных миссий: «Юноны» (Juno), изучающей Юпитер, и «Кассини» (Cassini), завершившего свою одиссею у Сатурна. Снимки с этих аппаратов впервые детально показали гипнотическую красоту полярных структур.
Для проверки гипотезы команда разработала оптимизированную двумерную модель, основанную на уравнениях динамики жидкости. Этот подход, допустимый для быстро вращающихся планет, позволил провести сотни вариативных симуляций. Варьируя параметры — от скорости вращения до вязкости недр, — исследователи наблюдали, как из цифрового хаоса рождались либо «юпитерианские», либо «сатурнианские» атмосферные узоры.
Таким образом, причудливые вихри на полюсах стали своеобразным «окном» в недоступные глубины. Они намекают, что под внешне схожими газовыми оболочками скрывается разная внутренняя архитектура. Это открытие не только разрешает давний метеорологический парадокс, но и задает новый вектор в изучении эволюции и состава самых крупных планет нашей системы.
