Dvi didžiausios Saulės sistemos planetos – Jupiteris ir Saturnas – turi daug bendrų bruožų. Jos sudarytos iš panašių medžiagų, panašiu greičiu sukasi apie savo ašį ir panašiai skleidžia vidinę šilumą. Net ir palydovus jos „kaupia“ labai panašiu būdu.
Tačiau yra vienas skirtumas, kuris mokslininkus glumino jau ilgą laiką – milžiniškos sūkurinės audros, dengiančios šių planetų polius. Saturno ašigalius vainikuoja po vieną milžinišką audrą kiekviename poliuje.
Jupiterio poliuose matomas kitoks vaizdas: kiekviename jų dominuoja viena didelė audra, apsupta vainiko iš daugybės mažesnių ciklonų.
Dviejų planetų tyrėjų komanda mano, kad jiems pavyko paaiškinti šį skirtumą. Esmė – kaip audros formuojasi ir kaip jos susijusios su gilesniais planetų sluoksniais: ar atmosfera leidžia audroms laisvai augti, kaip Saturne, ar įveda tarsi „dydžio limitus“, kaip Jupiteryje.
Jų modelyje tai galiausiai priklauso nuo to, kaip stipriai audros (vorteksai) yra susietos su gilesniais sluoksniais.
„Mūsų tyrimas rodo, kad, priklausomai nuo planetos gelmių savybių ir nuo to, koks „minkštas“ yra vortekso dugnas, keičiasi skysčio srauto raštas, kurį stebime paviršiuje“, – aiškina MIT planetų mokslininkė Wanying Kang.
„Manau, niekas iki šiol taip aiškiai nesusiejo paviršiaus srautų struktūros su šių planetų gelmių savybėmis. Vienas iš galimų paaiškinimų – kad Saturnas gali turėti „kietesnį dugną“ nei Jupiteris.“
Jupiterio ir Saturno orai jau seniai tapę legendiniais. Abi planetas gaubia stora, puri dujinė atmosfera, kurioje siautėja itin audringos audros, smarkūs vėjų juostų srautai ir tiršti debesys, besisukdami sudarantys sudėtingus, abstraktų meną primenančius raštus.
Abi dujinės milžinės buvo detaliai tyrinėtos kosminiais zondais – Saturną stebėjo „Cassini“, Jupiterį – „Juno“. Šių misijų duomenys atskleidė, kad, nepaisant akivaizdžių panašumų, poliarinių audrų konfigūracija šiose planetose gerokai skiriasi.
„Daug pastangų skirta išsiaiškinti, kuo Jupiteris ir Saturnas skiriasi, – pasakoja MIT atmosferos mokslininkė Jiaru Shi. – Planetos panašaus dydžio, abi daugiausia sudarytos iš vandenilio ir helio. Todėl vis dar nebuvo aišku, kodėl jų poliariniai sūkuriai tokie skirtingi.“
Norėdamos į tai įsigilinti, mokslininkės sukūrė dvimačio paviršinių skysčių dinamikos modelį, kuriuo bandė atkurti Jupiterio ir Saturno poliuose stebimus vorteksus.
„Greitai besisukančioje sistemoje skysčio judėjimas linkęs išlikti vienodas išilgai sukimosi ašies, – aiškina Kang. – Todėl kilo idėja, kad trimatę dinamikos problemą galime sumažinti iki dvimačio modelio – skysčio struktūra dideliu mastu nekinta trečiojoje dimensijoje. Taip skaičiavimai tampa šimtais kartų spartesni ir pigesni.“
Dujinėse milžinėse didžiulės audros gimsta iš mažesnių judesių „plytų“ – pavyzdžiui, konvekcinių srautų, kurie laikui bėgant auga. Tačiau galutinį audrų dydį riboja keli veiksniai: atmosferos sluoksniuotumo gylis, maišymo intensyvumas (vadinamasis „forsavimas“) ir tai, kaip greitai energija išsklaidoma trinties.
Shi ir Kang nustatė, kad tvarka, kuria pasiekiamos šios ribos, lemia labai skirtingus sūkurių raštus, matomus planetų debesų viršūnėse.
Jupiterio atmosfera pakankamai gili ir energinga, kad susiformuotų daug atskirų vorteksų, tačiau ankstyvas stiprus turbulentiškumas neleidžia jiems susilieti į vieną milžinišką audrą. Dėl to poliuose susidaro tarsi taisyklinga „pepperoni“ picos iš ciklonų mozaika.
Kitaip tariant, Jupiterio sluoksniuotumas silpnesnis, forsavimas stipresnis (nes planeta intensyviai spinduliuoja šilumą iš savo vidaus), o energija trinties būdu išsklaidoma lėčiau. Dėl šių veiksnių atskirų audrų struktūra išlieka ir paviršiuje.
Saturno atmosfera, priešingai, labiau sluoksniuota. Ten arba forsavimas silpnesnis, todėl giluminis turbulentiškumas mažesnis, arba daugiau energijos prarandama dėl trinties, arba veikia abu veiksniai kartu. Tai panaikina barjerą, kuris Jupiterio atveju neleidžia audroms susilieti, todėl Saturno poliuose visi sūkuriai ilgainiui susijungia į vieną didžiulę audrą.
Visą tai gali veikti ir dugninio atmosferos sluoksnio, kuriame formuojasi vorteksai, tankis. Nors tai dar nėra galutiniai įrodymai, rezultatai rodo, kad poliarinių audrų raštai gali „užrašyti“ informaciją apie sąlygas, kuriomis jos susiformavo.
„Tai, ką stebime iš išorės – skysčių raštus Jupiterio ir Saturno paviršiuje – gali mums daug pasakyti apie jų gelmes, pavyzdžiui, apie tai, koks „minkštas“ yra dugnas“, – pažymi Shi.
„Ir tai svarbu, nes po Saturno debesų viršūnėmis jo gelmėse gali būti daugiau metalais praturtintos, kondensuojamos medžiagos nei Jupiteryje. Tai sustiprintų sluoksniuotumą ir padėtų geriau suprasti šių dujinių milžinių vidinę sandarą.“
