Атмосфера планет ведёт себя странно: новое открытие перевернуло представление о ветрах

Почему на Юпитере и Сатурне экваториальные ветры дуют на восток, а на Уране и Нептуне — на запад? Планетологи спорили об этом десятилетиями, связывая различия с составом и внутренним строением планет. Но новое исследование, опубликованное в Science Advances, предложило универсальное объяснение: направление ветров определяется глубиной конвективных потоков, а не химическим составом.

Разные ветры одной природы

На всех четырёх планетах-гигантах наблюдаются мощные атмосферные течения. На Юпитере и Сатурне ветры у экватора дуют на восток, то есть в направлении вращения планеты. На Нептуне и Уране — наоборот, на запад, против вращения.

Ранее считалось, что разница вызвана внутренним строением. Газовые гиганты состоят в основном из водорода и гелия и обладают сильным внутренним источником тепла, "разгоняющим" атмосферу изнутри. Ледяные гиганты же, напротив, содержат больше воды, метана и аммиака, имеют плотную структуру и выделяют значительно меньше тепла.

"Принято было считать, что всё дело в разнице энергий — внутренней против внешней, — но наша модель показала, что механизм у всех планет одинаков", — пояснила планетолог Керен Дур-Милнер из Института Вейцмана.

Как конвекция управляет атмосферой

Конвекция — это процесс, при котором тёплое вещество поднимается вверх, а холодное опускается вниз, создавая циркуляцию. На планетах с быстрым вращением такие потоки закручиваются в вертикальные "колонны", ориентированные вдоль оси вращения.

Учёные смоделировали эту динамику с помощью трёхмерной компьютерной модели. Она показала, что угол наклона этих конвективных колонн определяет направление потоков на экваторе:

• если они наклоняются в одну сторону, формируются восточные ветры (как у Юпитера и Сатурна);

• если в противоположную — западные (как у Нептуна и Урана).

Таким образом, при прочих равных условиях атмосфера может стабилизироваться в одном из двух устойчивых состояний, и всё решают особенности глубины и интенсивности конвекции.

Глубина слоя решает всё

Результаты моделирования показали закономерность:

Когда тепловой поток из недр достаточно силён и поднимается с большой глубины, энергия передаётся вверх, создавая восточное течение. Если же активный слой расположен ближе к поверхности, вращение и турбулентность меняют знак движения — потоки обращаются вспять.

"Мы показали, что переход между направлениями происходит плавно и зависит от толщины активного слоя, а не от химического состава", — отметила Керен Дур-Милнер.

Почему это открытие важно

Ранее модели ветров газовых гигантов создавались отдельно для каждой планеты, что делало объяснение разрозненным. Теперь исследователи получили универсальный механизм, способный описать атмосферную динамику всех планет-гигантов Солнечной системы — и, возможно, экзопланет за её пределами.

Моделирование также выявило экваториальные волны, движущиеся в разных направлениях в зависимости от знака ветра. Эти волны могут играть ключевую роль в формировании климатических зон и полос облаков, которые мы видим на снимках Юпитера и Нептуна.

Сравнение четырёх гигантов

На Юпитере и Сатурне видимые полосы — результат устойчивых восточных течений, которые формируют долгоживущие вихри вроде Большого красного пятна. На Нептуне, напротив, западные ветры порождают быстро изменяющиеся штормы, вроде тёмного пятна, наблюдавшегося телескопом "Хаббл".

Универсальная модель атмосферы

Разработанная исследователями модель воспроизводит не только направление ветров, но и их устойчивость. При одинаковых физических параметрах планета может случайным образом стабилизироваться в одном из двух состояний — восточном или западном. Всё решает начальная турбулентность в момент формирования системы.

Эта идея близка к понятию бифуркации в физике — когда малое различие в начальных условиях приводит к радикально разным исходам.

Возможные применения

Новая модель поможет:

• объяснить структуру ветров у экзопланет, наблюдаемых телескопом "Джеймс Уэбб";

• уточнить тепловой баланс и климат будущих газовых супергибридов;

• прогнозировать погодные явления на Титане и Тритоне, где действуют похожие процессы.

Интересные факты

1. Юпитер излучает вдвое больше тепла, чем получает от Солнца — из-за внутренней конвекции.

2. Уран, напротив, почти не имеет внутреннего теплового потока, и это делает его атмосферу необычно "спокойной".

3. На Нептуне самые быстрые ветры в Солнечной системе — до 2100 км/ч.

4. Конвекция в атмосфере гигантов охватывает слои толщиной в десятки тысяч километров.

5. Подобные механизмы могут действовать и в атмосферах коричневых карликов - промежуточных тел между звёздами и планетами.

Исторический контекст

Ещё с времён миссий Voyager в 1980-х годах астрономы заметили парадокс: почему на Юпитере ветры дуют в одну сторону, а на Нептуне — в противоположную. С тех пор существовало множество теорий — от влияния магнитных полей до химических различий в атмосфере.

Теперь, спустя почти полвека, физика глубинной конвекции впервые предложила объединяющее объяснение. Оно показывает, что даже в столь разных мирах работают одни и те же законы, а разница — лишь в глубине и интенсивности внутренних потоков.