Полюса Юпитера и Сатурна живут по разным законам: расчёты связали штормы с тем, что скрыто под облаками

На полюсах двух похожих газовых гигантов творится погода, будто из разных миров. У Сатурна северный полюс держит один огромный вихрь с узнаваемым "шестиугольником", а у Юпитера картина напоминает плотный венок штормов вокруг центрального циклона. Новые расчёты исследователей MIT показывают: причина может быть не в облаках и не в "характере" атмосферы, а в том, что происходит глубже — в свойствах слоёв под верхней частью атмосферы. Об этом сообщает MIT.

Два полюса — два устойчивых сценария

Наблюдения миссий "Юнона" и "Кассини" давно дали учёным материал для сравнения. "Юнона", работающая у Юпитера с 2016 года, показала сложную полярную структуру: центральный вихрь и восемь меньших вокруг него. Эти шторма, по оценкам, достигают примерно 3000 миль в ширину каждый — величина, сравнимая с масштабами планетарных процессов.

У Сатурна, который "Кассини" наблюдал 13 лет до завершения миссии в 2017 году, северный полюс устроен иначе: там доминирует один гигантский полярный вихрь шириной около 18 000 миль, и именно он формирует знаменитый шестиугольный рисунок. Для планет, похожих по размеру и составу (водород и гелий), такая разница выглядела загадкой.

"Мягкость дна" как скрытый переключатель

Команда MIT смоделировала, как из хаотичных потоков могут самоорганизоваться устойчивые вихри. Ключевым параметром в их работе стала "мягкость" основания вихря — условная характеристика того, на какой "подложке" заканчивается вращающийся столб газа. Авторы описывают вихрь как цилиндр, который проходит через множество атмосферных слоёв, и именно свойства нижних слоёв ограничивают или, наоборот, усиливают его рост.

Если нижний слой более мягкий и лёгкий, вихрь быстрее упирается в предел размера. Тогда на полюсе остаётся место для нескольких крупных штормов, которые могут сосуществовать в устойчивом ансамбле — сценарий, похожий на юпитерианский.

Если же "дно" более твёрдое и плотное, вихрь способен вырасти сильнее и со временем поглощать соседние вихри, пока не останется одна доминирующая система — то, что наблюдается на Сатурне.

"Наше исследование показывает, что в зависимости от внутренних свойств и мягкости дна вихря это влияет на тип гидродинамики, который вы наблюдаете на поверхности", — говорит автор исследования, доцент MIT Ваньин Канг.

По её словам, один из правдоподобных сценариев заключается в том, что основание полярного вихря у Сатурна "жёстче", чем у Юпитера, и именно это задаёт разные режимы самоорганизации атмосферы.

Почему им хватило 2D-модели

Хотя реальные вихри трёхмерны, исследователи использовали двумерный подход: быстрое вращение газовых гигантов делает движение жидкости более "однородным" вдоль оси вращения. Это позволяет свести задачу к 2D без критической потери смысла и при этом резко удешевить вычисления.

"В быстро вращающейся системе движение жидкости обычно равномерно вдоль вращающейся оси", — объясняет Канг.

Модель построили на основе уравнений, которые применяют и в других задачах вращающейся гидродинамики — вплоть до моделирования циклонов на Земле. Команда запускала разные сценарии, меняя скорость вращения, внутренний нагрев, размеры планеты и параметры "мягкости/твёрдости", а затем задавала стартовый "шум" — случайные потоки. Дальше смотрели, во что это самоорганизуется со временем.

Что это говорит о внутреннем составе планет

Если предложенный механизм верен, геометрия полярных штормов становится своеобразной подсказкой о недоступной прямым измерениям глубинной структуре. Исследователи предполагают, что у Сатурна внутренние слои могут быть более "обогащены" тяжёлыми компонентами и конденсируемым веществом, что даёт более прочную стратификацию, а у Юпитера — более лёгкую и "мягкую" подложку для вихрей.

"То, что мы видим с поверхности, жидкость на Юпитере и Сатурне, может рассказать нам что-то о внутренней части, например, насколько мягко дно", — говорит первый автор, аспирант MIT Цзяру Ши.

Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences и поднимает удобный для проверок вопрос: можно ли по "рисунку" полярной погоды судить о том, что скрыто под облаками. Если да, миссии вроде "Юноны" и будущие наблюдения помогут уточнить не только метеорологию гигантов, но и их внутреннюю "архитектуру".