Ny 3D-model kunne forklare dannelsen af ​​en sekskantstorm på Saturn

Med sit blændende system af iskolde ringe, Saturn har været genstand for fascination siden oldtiden. Selv nu rummer den sjette planet fra solen mange mysterier, dels fordi dens afstand væk gør direkte observation vanskelig og dels fordi denne gaskæmpe (som er mange gange så stor som vores planet) har en sammensætning og atmosfære, mest brint og helium, så ulig Jordens. At lære mere om det kunne give nogle indsigter i skabelsen af ​​selve solsystemet.

Et af Saturns mysterier involverer den massive storm i form af en sekskant på dens nordpol. Den sekssidede hvirvel er et atmosfærisk fænomen, der har fascineret planetforskere siden dets opdagelse i 1980'erne af det amerikanske Voyager-program, og det efterfølgende besøg i 2006 af den amerikansk-europæiske Cassini-Huygens-mission. Stormen er omkring 20, 000 miles i diameter og er omkranset af vindbånd, der blæser op til 300 miles i timen. En orkan som den eksisterer ikke på nogen anden kendt planet eller måne.

To af de mange videnskabsmænd, der blev til-interplanetariske-storm-jagere, der arbejder på at afsløre hemmelighederne bag dette vidunder, er Jeremy Bloxham, Mallinckrodt professor i geofysik, og forskningsassistent Rakesh K. Yadav, der arbejder i Bloxhams laboratorium i Harvards Department of Earth and Planetary Sciences. I et nyligt offentliggjort papir i PNAS , forskerne begyndte at vikle deres hoveder om, hvordan hvirvelen blev til.

"Vi ser jævnligt storme på Jorden, og de er altid i spiral, nogle gange cirkulære, men aldrig noget med sekskantede segmenter eller polygoner med kanter, " sagde Yadav. "Det er virkelig slående og fuldstændig uventet. [Spørgsmålet om Saturn er] hvordan blev et så stort system dannet, og hvordan kan et så stort system forblive uændret på denne store planet?"

Ved at skabe en 3-D simuleringsmodel af Saturns atmosfære, Yadev og Bloxham mener, at de nærmer sig et svar.

I deres papir, forskerne siger, at den unaturligt udseende orkan opstår, når atmosfæriske strømme dybt inde i Saturn skaber store og små hvirvler (aka cykloner), der omgiver en større vandret jetstrøm, der blæser mod øst nær planetens nordpol, som også har en række storme indeni sig. De mindre storme interagerer med det større system og klemmer som et resultat effektivt den østlige jet og begrænser den til toppen af ​​planeten. Knibningsprocessen fordrejer strømmen til en sekskant.

"Dette jetfly går rundt og rundt om planeten, og det skal eksistere side om side med disse lokale [mindre] storme, " sagde Yadav, undersøgelsens hovedforfatter. Tænk på det sådan her:"Forestil dig, at vi har en elastik, og vi placerer en masse mindre gummibånd rundt om den, og så klemmer vi bare det hele udefra. Den centrale ring vil blive komprimeret nogle centimeter og danne nogle underlig form med et vist antal kanter. Det er dybest set fysikken i, hvad der sker. Vi har disse mindre storme, og de klemmer dybest set de større storme ved polarområdet, og da de skal eksistere side om side, de skal på en eller anden måde finde en plads til at huse hvert system. Ved at gøre det, de ender med at lave denne polygonale form."

Modellen, som forskerne lavede, antyder, at stormen er tusindvis af kilometer dyb, godt under Saturns skytoppe. Simuleringen efterligner planetens ydre lag og dækker kun omkring 10 procent af dens radius. I et månedlangt eksperiment kørte forskerne, computersimuleringen viste, at et fænomen kaldet dyb termisk konvektion - som sker, når varme overføres fra et sted til et andet ved bevægelse af væsker eller gasser - uventet kan give anledning til atmosfæriske strømme, der skaber store polære cykloner og en østlig jet på høj breddegrad. mønster. Når disse blandes i toppen danner det den uventede form, og fordi stormene dannes dybt inde i planeten, forskerne sagde, at det gør sekskanten rasende og vedholdende.

Konvektion er den samme kraft, der forårsager tornadoer og orkaner på Jorden. Det svarer til at koge en gryde med vand:Varmen fra bunden overføres til den koldere overflade, får toppen til at boble. Dette er, hvad der menes at forårsage mange af stormene på Saturn, hvilken, som en gasgigant, har ikke en fast overflade som Jordens.

"Det sekskantede strømningsmønster på Saturn er et slående eksempel på turbulent selvorganisering, " skrev forskerne i juni-avisen. "Vores model producerer samtidig og selvkonsekvent alternerende zonestråler, polarcyklonen, og sekskant-lignende polygonale strukturer svarende til dem, der blev observeret på Saturn."

Hvad modellen ikke producerede, imidlertid, var en sekskant. I stedet, den form, forskerne så, var en ni-sidet polygon, der bevægede sig hurtigere end Saturns storm. Stadig, formen fungerer som proof of concept for den overordnede afhandling om, hvordan den majestætiske form er dannet, og hvorfor den har været relativt uændret i næsten 40 år.

Interessen for Saturns sekskantede storm går tilbage til 1988, da astronomen David A. Godfrey analyserede flyby-data fra Voyager-rumfartøjets Saturn-pas fra 1980 og 1981 og rapporterede om opdagelsen. Årtier senere, fra 2004 til 2017, NASA's Cassini-rumfartøj fangede nogle af de klareste og mest kendte billeder af anomalien, før de styrtede ind på planeten.

Relativt lidt er kendt om stormen, fordi planeten tager 30 år at kredse om solen, efterlader begge poler i mørke for den tid. Cassini, for eksempel, tog kun termiske billeder af stormen, da den først ankom i 2004. Selv når solen skinner på Saturns nordpol, skyerne er så tykke, at lyset ikke trænger dybt ind i planeten.

Uanset, Der eksisterer mange hypoteser om, hvordan stormen opstod. De fleste centrerer sig om to tankegange:Den ene antyder, at sekskanten er lavvandet og kun strækker sig hundreder af kilometer dybt; den anden antyder, at zonestrålerne er tusindvis af kilometer dybe.

Yadev og Bloxhams resultater bygger på sidstnævnte teori, men er nødt til at inkludere flere atmosfæriske data fra Saturn og yderligere forfine deres model for at skabe et mere præcist billede af, hvad der sker med stormen. Samlet set, duoen håber, at deres resultater kan hjælpe med at tegne et portræt af aktivitet på Saturn generelt.

"Fra et videnskabeligt synspunkt, atmosfæren er virkelig vigtig for at bestemme, hvor hurtigt en planet afkøles. Alle disse ting du ser på overfladen, de er dybest set manifestationer af planetens afkøling, og planetens afkøling fortæller os meget om, hvad der sker inde på planeten, " sagde Yadav. "Den videnskabelige motivation er grundlæggende at forstå, hvordan Saturn blev til, og hvordan den udvikler sig over tid."