Raziskovalci s Tehnološkega inštituta Massachusettsa (MIT) so v novi študiji ponudili razlago, zakaj imata Jupiter in Saturn kljub podobni velikosti in sestavi zelo različne polarne vremenske vzorce. Medtem ko ima Saturn na severnem polu en sam velik vrtinec v značilni šesterokotni obliki, je Jupitrov polarni vrtinec obdan z več manjšimi cikloni. Po ugotovitvah raziskave je ključni dejavnik razlika v lastnostih snovi v notranjosti planetov.
Rezultati so objavljeni v znanstveni reviji Proceedings of the National Academy of Sciences. Avtorji navajajo, da bi lahko razlike v „mehkobi“ ali gostoti plasti pod atmosferskimi vrtinci vplivale na to, ali se razvije en sam velik vrtinec ali več manjših.
„Naša študija kaže, da je vzorec tekočine na površju povezan z notranjimi lastnostmi planeta,“ je po navedbah MIT dejala Wanying Kang, docentka na oddelku za Zemljo, atmosfero in planetarne znanosti. Dodala je, da „še nihče ni neposredno povezal površinskih tokov z notranjo strukturo plinskih velikanov“.
Simulacije nastanka polarnih vrtincev
Raziskovalna skupina je v študiji simulirala, kako se lahko iz sprva naključnih tokov v atmosferi plinskih velikanov razvijejo stabilni polarni vrtinci. V različnih scenarijih so spreminjali velikost planeta, hitrost vrtenja, notranje segrevanje in lastnosti snovi v spodnjih plasteh atmosfere.
Po pojasnilih MIT so se v nekaterih simulacijah tokovi združili v en sam velik vrtinec, podoben Saturnovemu, v drugih pa v več večjih kroženj, primerljivih z razporeditvijo vrtincev na Jupitru. Ključna razlika med obema izidoma je bila povezana z lastnostmi baze vrtinca, torej s plastjo, skozi katero se vrtinec „zasidra“ v globlje plasti planeta.
Raziskovalci posamezen polarni vrtinec opisujejo kot vrtinčast valj, ki sega skozi več atmosferskih plasti. Če je snov v spodnjem delu tega valja mehkejša oziroma manj gosta, se vrtinec ne more bistveno povečevati, kar omogoča obstoj več manjših vrtincev hkrati. Če pa je spodnja plast gostejša in bolj toga, se lahko vrtinec poveča in postopoma „pogoltne“ druge vrtince, kar vodi do enega samega masivnega sistema.
Povezava z opazovanji misij Juno in Cassini
Novo delo temelji tudi na podatkih, ki so jih v zadnjem desetletju zbrali vesoljski misiji Juno in Cassini. Juno, ki od leta 2016 kroži okoli Jupitra, je posnel severni pol planeta z več velikimi vrtinci, razporejenimi okoli osrednjega ciklona. Po ocenah znanstvenikov se posamezni vrtinci raztezajo približno 4800 kilometrov v premeru.
Cassini je pred vstopom v Saturnovo atmosfero leta 2017 več let opazoval severni pol planeta in zaznal en sam velik polarni vrtinec s šesterokotno strukturo, široko približno 18.000 milj.
„Planeta sta približno enake velikosti in oba sta sestavljena predvsem iz vodika in helija, zato ni bilo jasno, zakaj so njuni polarni vrtinci tako različni,“ je po navedbah MIT dejal prvi avtor študije, podiplomski študent Jiaru Shi.
Zakaj je zadostoval dvodimenzionalni model
Čeprav so polarni vrtinci tridimenzionalni pojavi, so raziskovalci uporabili dvodimenzionalni model dinamike tekočin. Po pojasnilih MIT hitro vrtenje Jupitra in Saturna povzroča, da se gibanje tekočin v veliki meri poravna vzdolž osi vrtenja, zato se lahko bistveni procesi zanesljivo opišejo tudi v dveh dimenzijah.
„V hitro vrtečem se sistemu je gibanje tekočine običajno enakomerno vzdolž osi vrtenja, zato se lahko tridimenzionalni problem učinkovito poenostavi v dvodimenzionalnega,“ je pojasnila Kang. Takšen pristop je raziskovalcem omogočil bistveno hitrejše in obsežnejše simulacije različnih scenarijev.
Model temelji na enačbah, ki se uporabljajo tudi pri proučevanju ciklonov na Zemlji, vendar so jih prilagodili razmeram na polih plinskih velikanov. V vsakem scenariju so uvedli začetni naključni tok, nato pa spremljali, kako se vzorci razvijejo glede na fizikalne pogoje.
Namigi o notranji sestavi Jupitra in Saturna
Po analizi rezultatov so raziskovalci ugotovili, da lastnosti snovi v spodnjih plasteh atmosfere pomembno vplivajo na končno razporeditev vrtincev. Mehkejša in lažja snov vodi v več manjših stabilnih vrtincev, gostejša in bolj toga plast pa omogoča nastanek enega samega planetarnega vrtinca.
Če mehanizem deluje tudi v resničnih razmerah, bi to lahko pomenilo, da ima Jupiter v notranjosti bolj „mehke“ in lažje plasti, medtem ko bi Saturn lahko vseboval več težjih elementov in močnejšo notranjo stratifikacijo.
„Kar vidimo na površju, nam lahko pove nekaj o notranjosti planeta, na primer, kako mehko je dno vrtincev,“ je po navedbah MIT dejal Shi. Dodal je, da bi lahko Saturnova notranjost vsebovala več težjih snovi in kondenzirajočega materiala, kar bi prispevalo k stabilnosti enega samega velikega polarnega vrtinca.
Raziskovalci poudarjajo, da bi takšne povezave med površinskimi tokovi in notranjo zgradbo lahko pomagale tudi pri razlagi drugih značilnosti plinskih velikanov in izboljšale razumevanje njihovega nastanka in razvoja.
