De mærkelige storme på Jupiter

Ved Jupiters sydpol lurer et slående syn - selv for en gasgigantisk planet dækket af farverige bånd, der har en rød plet, der er større end jorden. Nede nær planetens sydpol, for det meste skjult for menneskers nysgerrige øjne, er en samling af hvirvlende storme arrangeret i et usædvanligt geometrisk mønster.

Siden de første gang blev opdaget af NASAs Juno-rumsonde i 2019, stormene har præsenteret noget af et mysterium for videnskabsmænd. Stormene er analoge med orkaner på Jorden. Imidlertid, på vores planet, orkaner samler sig ikke ved polerne og snurrer rundt om hinanden i form af en femkant eller sekskant, ligesom Jupiters mærkelige storme.

Nu, et forskerhold, der arbejder i Andy Ingersolls laboratorium, Caltech professor i planetarisk videnskab, har opdaget, hvorfor Jupiters storme opfører sig så mærkeligt. De gjorde det ved at bruge matematik afledt af et bevis skrevet af Lord Kelvin, en britisk matematisk fysiker og ingeniør, for næsten 150 år siden.

Ingersoll, som var medlem af Juno-teamet, siger, at Jupiters storme er bemærkelsesværdigt lig dem, der rammer USA's østkyst hver sommer og efterår, bare i meget større skala.

"Hvis du gik under skytoppene, du ville sandsynligvis finde flydende vand regndråber, hagl, og sne, " siger han. "Vindene ville være orkankraftige vinde. Orkaner på Jorden er en god analog til de individuelle hvirvler inden for disse arrangementer, vi ser på Jupiter, men der er ikke noget så fantastisk smukt her."

Som på jorden, Jupiters storme har en tendens til at danne sig tættere på ækvator og derefter drive mod polerne. Imidlertid, Jordens orkaner og tyfoner forsvinder, før de begiver sig for langt fra ækvator. Jupiter bliver bare ved, indtil de når polerne.

"Forskellen er, at på jorden løber orkanerne tør for varmt vand, og de løber ind i kontinenter, " siger Ingersoll. Jupiter har intet land, "så der er meget mindre friktion, fordi der ikke er noget at gnide imod. Der er bare mere gas under skyerne. Jupiter har også varme tilbage fra sin dannelse, der kan sammenlignes med den varme, den får fra solen, så temperaturforskellen mellem dens ækvator og dens poler er ikke så stor, som den er på Jorden."

Imidlertid, Ingersoll siger, denne forklaring tager stadig ikke højde for opførselen af ​​stormene, når de når Jupiters sydpol, hvilket er usædvanligt selv sammenlignet med andre gasgiganter. Saturn, som også er en gasgigant, har en enorm storm ved hver af sine poler, snarere end en geometrisk arrangeret samling af storme.

Svaret på mysteriet om, hvorfor Jupiter har disse geometriske formationer og andre planeter ikke, Ingersoll og hans kolleger opdagede, kunne findes i fortiden, specifikt i arbejde udført i 1878 af Alfred Mayer, en amerikansk fysiker, og Lord Kelvin. Mayer havde placeret svævende cirkulære magneter i en vandbassin og observerede, at de spontant ville arrangere sig selv i geometriske konfigurationer, ligner dem, der ses på Jupiter, med former, der afhang af antallet af magneter. Kelvin brugte Mayers observationer til at udvikle en matematisk model til at forklare magneternes adfærd.

"Tilbage i det 19. århundrede, folk tænkte på, hvordan spindende stykker væske ville arrangere sig i polygoner, " siger Ingersoll. "Selvom der var masser af laboratorieundersøgelser af disse flydende polygoner, ingen havde tænkt på at anvende det på en planetarisk overflade."

For at gøre det, forskerholdet brugte et sæt ligninger kendt som lavvandsligningerne til at bygge en computermodel af, hvad der kunne ske på Jupiter, og begyndte at køre simuleringer.

"Vi ønskede at udforske kombinationen af ​​parametre, der gør disse cykloner stabile, " siger Cheng Li (Phd '17), hovedforfatter og 51 Pegasi b postdoc ved UC Berkeley. "Der er etablerede teorier, der forudsiger, at cykloner har en tendens til at smelte sammen ved polen på grund af planetens rotation, og det er det, vi fandt i de indledende forsøg."

Til sidst, imidlertid, holdet fandt ud af, at der ville dannes et Jupiter-lignende stabilt geometrisk arrangement af storme, hvis stormene hver især var omgivet af en ring af vinde, der drejede i den modsatte retning af de snurrende storme, eller en såkaldt anticyklonring. Tilstedeværelsen af ​​anticyklonringe får stormene til at frastøde hinanden, frem for at fusionere.

Ingersoll siger, at forskningen kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå, hvordan vejret på Jorden opfører sig.

"Andre planeter giver en meget bredere vifte af adfærd end hvad du ser på Jorden, " han siger, "så du studerer vejret på andre planeter for at stressteste dine teorier."

Papiret, med titlen, "Modellere stabiliteten af ​​polygonale mønstre af hvirvler ved Jupiters poler som afsløret af Juno-rumfartøjet, " vises i 8. september-udgaven af Proceedings of the National Academy of Sciences.