Северный полярный вихрь Сатурна и окружающий его шестиугольник с реактивным потоком, как это видно на космическом корабле Кассини НАСА 25 апреля 2017 года.
(Изображение: © NASA / JPL-Caltech / Институт космических наук)
Ученые использовали большой вращающийся горшок для имитации атмосферы Сатурна, и они, возможно, выяснили, как формируются массивные полярные бури газового гиганта.
С ветрами, достигающими ошеломляющие скорости до 1100 миль в час (1800 км / ч) - в нашей солнечной системе только Нептун может быть более ветреным - и штормы размером с Землю, атмосфера Сатурна очаровала исследователей с тех пор, как они впервые увидели ее. с помощью наблюдений космического корабля-близнеца НАСА Voyager в начале 1980-х годов.
В статье, опубликованной в понедельник (26 февраля) в журнале Nature Geoscience, группа исследователей использовала вращающийся котелок, чтобы лучше понять атмосферу Сатурна и преодолеть некоторые ограничения более традиционных методов, таких как компьютерное моделирование. [Потрясающие фотографии: странные вихревые штормы Сатурна]
«Очень мало известно о конвекции и вихрях в глубоких атмосферах газовых гигантов Сатурн и Юпитер», - сказал руководитель исследования Яков Афанасьев, профессор экспериментальной динамики океанической и атмосферной жидкости и численного моделирования геофизических течений в Мемориальном университете Ньюфаундленда в Канаде. , «Наше современное понимание основано на теориях и совершенно идеализированных компьютерных симуляциях, которые еще не приближаются к параметрам реальных планетных атмосфер».
Горшок команды шириной в 43 дюйма (110 сантиметров), в котором хранится несколько сотен литров воды, нагревался снизу для имитации конвективных процессов, происходящих в воздухе Сатурна.
Вода, подогретая нагревателем, поднялась, тогда как поверхностная вода, которая была охлаждена испарением, опустилась вниз.
«Мы пытались сделать воду более турбулентной, нагревая ее, и посмотреть, как она ведет себя во вращающемся резервуаре, который имитирует вращение планеты», - сказал Афанасьев. «Никакой эксперимент или компьютерная модель в этом отношении не может моделировать океан или атмосферу планеты во всей их сложности. Что мы можем сделать, так это моделировать существенную динамику».
Афанасьев сказал, что члены команды не были полностью уверены, что они увидят, когда начнут эксперимент.
«Фокус нашего исследования изменился, когда мы наблюдали множество маленьких, похожих на торнадо вихрей в нашем аквариуме», - сказал он. «Вихри напоминают те, которые наблюдаются космическими аппаратами в атмосфере Сатурна».
Афанасьев и его команда особенно интересовались тем, что движет созданием мощных полярных вихрей, расположенных в центре постоянных гексагональных штормов, известных по изображениям, снятым космическим кораблем НАСА Кассини. Предыдущее исследование показало, что эти гексагональные бури вызваны реактивным потоком Сатурна, сказал Афанасьев.
Однако центральные вихри, похожие на ураганы, вызывают недоумение; Исследователи не уверены, почему они происходят на полюсах. Но эксперимент с горшком показал, что гигантские полярные ураганы могут быть результатом множественных меньших вихрей, сливающихся в полярной области.
«В результате слияния мелких циклонов на полюсе создается сильный вихрь», - пишут исследователи. «Полярный вихрь проникает до самого дна и изменяет там антициклоническую циркуляцию».
Предыдущие исследования показали, что более мелкие циклоны могут возникать в других областях планеты и впоследствии перемещаться к полюсам за счет сочетания их вращения и силы тяжести.
«Наши эксперименты дали нам эту идею, но мы не смогли увидеть полярные циклоны в нашем резервуаре», - сказал Афанасьев. «Это потому, что мы можем моделировать только перевернутую атмосферу в нашем эксперименте. Вихрь будет на дне резервуара, а не на поверхности».
Поэтому исследователям пришлось перевернуть «атмосферу в горшке» вверх ногами в цифровом виде.
По словам Афанасьева, комбинация двух подходов - экспериментального танка и компьютерного моделирования - это то, что дает лучшие результаты, потому что каждый из этих подходов имеет серьезные ограничения для моделирования поведения планетных атмосфер.
