Новая 3D-модель может объяснить формирование шестиугольника Сатурна

Сатурн и его ослепительная система ледяных колец были объектом восхищения с давних времён. Шестая планета от Солнца до сих пор таит много загадок, отчасти из-за её удалённости затруднительно прямое наблюдение, а отчасти потому, что у этого газового гиганта атмосфера состоит основном из водорода и гелия. Узнав больше об этом, можно будет получить представление о создании самой Солнечной системы.

Одна из загадок Сатурна связана с массивным штормом в форме шестиугольника на северном полюсе. Шестигранный вихрь - это атмосферное явление, которое привлекает внимание ученых-планетологов с момента его открытия в 1980-х годах американской программой Вояджер и последующего визита в 2006 году американо-европейской миссии Кассини-Гюйгенс. Шторм составляет около 20 000 миль в диаметре и ограничен полосами ветров, дующих со скоростью до 300 миль в час. Урагана, подобного этому, не существует ни на одной другой известной планете или луне.

Джереми Блоксхэм, профессор геофизики Маллинкродта, и научный сотрудник Ракеш К. Ядав, который работает в лаборатории Блоксхэма в Гарвардском отделении Земли и Планетарных наук. В недавно опубликованной статье в PNAS исследователи начали ломать голову над тем, как возник вихрь.

«Мы регулярно видим штормы на Земле, и они всегда спиралевидные, иногда круглые, но никогда не имеют шестиугольных сегментов или многоугольников с краями», - сказал Ядав. «Это действительно поразительно и совершенно неожиданно. Как образовалась такая большая система и как она может оставаться неизменной на этой большой планете?»

Создав трёхмерную имитационную модель атмосферы Сатурна, Ядев и Блоксхэм полагают, что приблизились к ответу.

В своей статье учёные считают, что неестественно выглядящий ураган возникает, когда атмосферные потоки глубоко внутри Сатурна создают большие и маленькие вихри (циклоны), которые окружают более крупный горизонтальный реактивный поток, дующий на восток возле северного полюса планеты, который также имеет ряд штормов внутри. Более мелкие штормы взаимодействуют с более крупной системой и в результате эффективно зажимают восточный поток и ограничивают его вершиной планеты. В этом процессе поток превращается в шестиугольник.

«Этот поток вращается вокруг планеты и должен сосуществовать с этими локализованными штормами», - сказал Ядав. «Представьте, что у нас есть резинка, и мы помещаем вокруг нее кучу небольших резиновых лент, а затем просто сжимаем все это снаружи. Это центральное кольцо будет сжато и сформирует странная форма с определённым количеством граней. Это в основном физика того, что происходит. У нас есть эти более мелкие бури, и они, по сути, сжимают более крупные бури в полярном регионе, и, поскольку они должны сосуществовать, то должны каким-то образом найти пространство для каждой системы. Делая это, они в конечном итоге образуют эту многоугольную форму».

Модель, созданная исследователями, предполагает, что глубина шторма тысячи километров, далеко под вершинами облаков Сатурна. Моделирование имитирует внешний слой планеты и покрывает только около 10 % её радиуса. В течение месяца, проведённого учёными, компьютерное моделирование показало, что явление глубокой тепловой конвекцией, которое происходит, когда тепло передаётся из одного места в другое за счёт движения жидкостей или газов, может неожиданно вызвать атмосферные потоки, которые создают большие полярные циклоны и высокоширотный восточный поток. Когда они смешиваются наверху, образуется неожиданная форма, а поскольку бури образуются глубоко внутри планеты, учёные говорят, что это делает шестиугольник яростным и стойким.

Конвекция - это та же сила, которая вызывает торнадо и ураганы на Земле. Это похоже на кипячение кастрюли с водой: тепло от дна передаётся на более холодную поверхность, в результате чего верхняя часть начинает пузыриться. Считается, что именно это вызывает многие штормы на Сатурне, который не имеет твёрдой поверхности, как у Земли.

«Гексагональный поток на Сатурне - поразительный пример турбулентной самоорганизации», - считают исследователи. «Наша модель одновременно и самосогласованно создаёт чередующиеся зональные струи, полярный циклон и шестиугольные многоугольные структуры, подобные тем, которые наблюдаются на Сатурне».

Но в модели не было шестиугольника. Вместо этого исследователи увидели форму многоугольника с девятью сторонами, который двигался быстрее, чем шторм Сатурна. Тем не менее, форма служит доказательством концепции общего тезиса о том, как формируется величественная форма и почему она остаётся относительно неизменной на протяжении почти 40 лет.

Интерес к шестиугольной буре Сатурна восходит к 1988 году, когда астроном Дэвид А. Годфри проанализировал данные пролёта Сатурна космического корабля Вояджер в 1980 и 1981 годах и сообщил об открытии. Спустя десятилетия, с 2004 по 2017 год, космический корабль НАСА Кассини сделал некоторые из самых чётких и самых известных изображений аномалии, прежде чем погрузиться в планету.

Существует множество гипотез о том, как образовался шторм. Большинство из них основаны на двух школах мысли: одна предполагает, что шестиугольник неглубокий и простирается только на сотни километров в глубину; другая предполагает, что зональные потоки глубиной в тысячи километров.

Выводы Ядева и Блоксхэма основаны на последней теории, но необходимо включить больше атмосферных данных с Сатурна и дополнительно усовершенствовать их модель, чтобы создать более точную картину того, что происходит со штормом. В целом, учёные надеются, что их выводы помогут нарисовать портрет активности на Сатурне в целом.

«С научной точки зрения, атмосфера действительно важна для определения скорости остывания планеты. Все явления, которые видно на поверхности, в основном являются проявлениями охлаждения планеты, и остывание многое говорит о происходящем внутри планеты», - сказал Ядав. «Научная мотивация в основном заключается в понимании того, как появился Сатурн и как он развивается с течением времени».