Jowisz ma dziewięć wirów na biegunie, Saturn jeden ogromny. Nowe symulacje sugerują, iż różnice w pogodzie mogą zdradzać skład ich wnętrz.
Na zdjęciach z kosmicznych sond bieguny Jowisza i Saturna wyglądają jak dwa zupełnie różne światy. Jeden przypomina kwitnącą rozetę złożoną z wielu sztormów, drugi zaś samotne, gigantyczne oko w kształcie sześciokąta. Zespół z MIT proponuje wyjaśnienie tej zagadki. I to bardzo ciekawe. Atmosfera na biegunach gazowych olbrzymów może dosłownie pękać na wiele wirów lub zlepiać się w jeden, w zależności od tego, jak miękki lub twardy jest gaz dużo głębiej, poza zasięgiem kamer.
Dwa bliźniacze olbrzymy, dwie skrajnie różne pogody
Na pierwszy rzut oka Jowisz i Saturn to kosmiczni kuzyni. Obie planety są ogromne, zdominowane przez wodór oraz hel i od dekad trafiają do jednego worka z napisem gazowe olbrzymy. A jednak ich bieguny nie mogłyby wyglądać bardziej odmiennie.
Północny biegun Jowisza to centralny wir otoczony ośmioma mniejszymi burzami. Każda z tych polarnych burz ma około 4,8 tys. km średnicy. To mniej więcej połowę szerokości Ziemi. Razem układają się w coś na kształt kwiatowego wzoru, który nieustannie się obraca.
Saturn, obserwowany przez sondę Cassini to z kolei całkowicie inna bajka. Nad jego północnym biegunem rozciąga się pojedynczy, gigantyczny wir w kształcie regularnego sześciokąta. Ten heksagon ma około 29 tys. km szerokości, czyli jest większy niż obwód naszej planety. Zamiast kilku mniejszych burz – jedno kolosalne zawirowanie.
Od lat wiadomo, iż oba zjawiska są stabilne i realizowane są co najmniej tyle, ile sięgają nasze obserwacje. Nikt jednak nie potrafił przekonująco wytłumaczyć, dlaczego planety podobnej wielkości i składu atmosfery wytworzyły tak różne układy biegunowych wirów.
Kiedy wiry pękają na wiele sztormów
Jak czytamy na łamach Space.com, punkt wyjścia badań zespołu Wanying Kang i Jiaru Shi był prosty. Skoro teleskopy i sondy nie są w stanie zajrzeć kilometr po kilometrze w głąb takich planet, można spróbować wrócić do wnętrz od strony tego, co widać na powierzchni.
Naukowcy przygotowali więc dwuwymiarowy model, w którym odtworzyli ewolucję wirowych układów na biegunach gazowych olbrzymów. Wirtualne planety można było dowolnie przekręcać – zmieniać ich rozmiar, szybkość obrotu, ilość ciepła wydobywającego się z wnętrza, a przede wszystkim parametry samego wiru.
Istotne okazało się to, co badacze nazwali twardością dna wiru. W uproszczeniu chodzi o to, jak ciężki jest gaz w dolnych warstwach takiego biegunowego układu. Miękki, lekki gaz zachowuje się jak bardziej elastyczny, łatwo podatny na odkształcenia materiał. Twardy, gęstszy jak coś, co stawia wyraźniejszy opór.
Zanim rozpoczęto adekwatne testy, przepływy w modelu wprawiono w chaotyczny ruch, by jak najbardziej przypominały realną, turbulentną atmosferę. Dopiero potem badacze przyglądali się, jak w takich warunkach rodzą się i dojrzewają wiry.
Wynik był zaskakująco spójny. Gdy gaz u podstawy układu był miękki, główny wir kurczył się, a energia przepływu jakby pękała na kilka mniejszych struktur. W efekcie zamiast jednego cyklonu powstawał cały ich wianuszek, czyli dokładnie tak, jak na Jowiszu. Gdy dno wiru ustawiono jako twarde, gęstsze, system miał tendencję do łączenia się w jeden potężny sztorm, przypominający saturnowy heksagon.
Co pogoda mówi o wnętrzu Jowisza i Saturna?
Z symulacji wynika proste, ale nośne w skutkach prawo: im miększy, lżejszy gaz u podstawy biegunowego wiru, tym bardziej skłonny jest on do dzielenia się na wiele mniejszych burz. Im twardszy i cięższy, tym bardziej sprzyja powstaniu jednego, dominującego cyklonu.
Jeśli to rozumowanie jest poprawne, to polarny kwiat Jowisza sugeruje, iż wewnątrz tej planety dominuje relatywnie lżejsza mieszanka gazów. Z kolei sześciokątny wir Saturna wskazywałby, iż jego wnętrze jest bardziej obciążone cięższym materiałem.
Naukowcy mówią tu o wnętrzu wzbogaconym w metale oraz w tzw. materiały kondensowalne, czyli substancje, które łatwo przechodzą w stan ciekły lub stały przy temperaturach panujących w danej warstwie. Większa ilość takich składników mogłaby tworzyć silniejsze warstwowanie atmosfery, niczym dobrze ułożone warstwy tortu, które niechętnie mieszają się ze sobą.
To właśnie takie warstwowanie, czyli stratygrafia, może decydować o tym, jak łatwo energia wiatrów rozlewa się po różnych głębokościach planety. Gdy warstwy są miękkie, ruch przenika głębiej, a wir pęka na mniejsze. Gdy są sztywne i ciężkie, cała struktura trzyma się w jednym kawałku, jak saturnowy sześciokąt.
Atmosfera niczym jak sejsmograf. Nowy sposób na podglądanie niewidzialnego
Najciekawsze w pracy zespołu z MIT jest to, iż łączy ona dwie rzeczy, które wcześniej traktowano osobno, a mianowicie kształt chmur na powierzchni i adekwatności gazu głęboko pod nimi.
Wanying Kang zwraca uwagę, iż nikt dotąd nie zestawił tak wprost wzorów płynu widocznych na zdjęciach z sond z parametrami wnętrza. Teraz okazuje się, iż biegunowe burze mogą działać niczym jak ekran diagnostyczny: patrząc na to, czy atmosfera nad biegunem planety tworzy jeden gigantyczny wir, czy raczej pęka na wiele cyklonów, można wnioskować, jak miękkie albo twarde jest jej wnętrze.
To o tyle ważne, iż gazowych olbrzymów nie da się zbadać tak jak planet skalistych. Nie ma tam stałej powierzchni, na której mogłaby stanąć sonda. Trzeba więc korzystać z tego, co oferuje sama atmosfera – z kształtu chmur, prędkości wiatrów, zjawisk nad biegunami.
Jeżeli interpretacja naukowców się potwierdzi, to Jowisz i Saturn staną się poligonem do testowania podobnych metod także w odniesieniu do egzoplanet. Z daleka widzimy tylko jasne i ciemne plamy w ich atmosferach, ale jeżeli wzorce wiatrów są powiązane z wnętrzem, dostajemy całkiem nowe narzędzie do badania światów, do których nigdy nie polecimy.
