Ученые сделали важный шаг к пониманию внутреннего устройства крупнейших планет Солнечной системы, исследуя их необычную полярную погоду. Несмотря на схожие размеры и общий газовый состав, Юпитер и Сатурн демонстрируют резко различающиеся атмосферные структуры в районе полюсов. Новое моделирование показывает, что эти различия могут быть прямым следствием физических свойств глубинных слоев планет и дают редкую возможность изучать их недра косвенным способом.
Полюса, которые не похожи друг на друга
Наблюдения, полученные космическими аппаратами NASA, давно указывали на необычное поведение атмосферы у полюсов газовых гигантов. Северный полюс Юпитера представляет собой сложную систему: в центре расположен мощный вихрь, окруженный восемью более мелкими циклонами, устойчиво существующими годами. У Сатурна картина иная — там доминирует один гигантский вихрь, имеющий почти правильную шестиугольную форму, знаменитый «шестиугольник Сатурна».
Эти структуры не являются поверхностным или временным явлением. Они стабильны, долговечны и указывают на глубинные процессы, происходящие внутри планет.
Компьютерные модели и «жесткость» недр
Команда исследователей из Массачусетского технологического института провела серию детальных численных симуляций атмосферной динамики газовых гигантов. В моделях варьировались свойства газа в нижней части атмосферных вихрей — прежде всего его плотность и так называемая «жесткость», то есть сопротивление деформации и движению.
Результат оказался принципиально важным:
- если нижний слой атмосферы относительно «мягкий» и менее плотный, формируется система из нескольких устойчивых вихрей, как на Юпитере;
- если же газ в основании вихря плотнее и «жестче», возникает один доминирующий полярный вихрь, как на Сатурне.
Таким образом, характер полярной погоды напрямую связан с физическими свойствами внутренних слоев планеты.
Что это говорит о строении планет
Полученные результаты позволяют сделать осторожные, но значимые выводы о внутреннем составе газовых гигантов. Юпитер, по-видимому, имеет более «мягкую» и легкую внутреннюю структуру вблизи границы атмосферы и недр. В случае Сатурна данные указывают на более плотные и, возможно, более богатые тяжелыми элементами глубинные слои.
Это хорошо согласуется с современными представлениями о том, что Сатурн содержит больший процент тяжелых элементов по сравнению с Юпитером, несмотря на меньшую массу. Новое исследование добавляет к этим гипотезам независимое подтверждение, основанное не на гравитационных измерениях, а на динамике атмосферы.
Роль миссий Juno и Cassini
Ключевую роль в работе сыграли данные, собранные автоматическими станциями Juno и Cassini. Аппарат Juno, работающий у Юпитера с 2016 года, предоставил детальные изображения и измерения полярных штормов, включая их размеры — отдельные вихри достигают примерно 4800 километров в поперечнике. Cassini, проработавший у Сатурна более 13 лет до завершения миссии в 2017 году, позволил подробно изучить структуру знаменитого полярного шестиугольника.
Именно сопоставление этих наблюдений с результатами моделирования позволило связать видимую атмосферную динамику с процессами, происходящими на значительно большей глубине.
Новый инструмент для изучения планет
Главный научный вывод работы заключается в том, что атмосферные структуры могут служить своеобразным «окном» в недра газовых гигантов. Прямые измерения внутренних слоев таких планет практически невозможны, и потому анализ устойчивых погодных паттернов становится ценным диагностическим инструментом.
Авторы исследования подчеркивают, что аналогичный подход в будущем может применяться и к экзопланетам — крупным газовым мирам за пределами Солнечной системы, где прямые данные о внутреннем строении недоступны в принципе.
Перспективы дальнейших исследований
Работа, результаты которой готовятся к публикации в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, открывает новое направление в планетологии. Связывая атмосферную динамику с физикой недр, ученые получают возможность более точно реконструировать историю формирования и эволюции газовых гигантов.
Юпитер и Сатурн вновь показывают, что даже спустя десятилетия исследований они способны преподносить научные сюрпризы, а их бурная и на первый взгляд хаотичная погода может оказаться ключом к пониманию глубинных тайн планет.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
