Компьютерное моделирование объясняет положение впечатляющих вихрей в атмосфере Юпитера и почему их вращение противоположно земным ветрам.
Многочисленные вихри, покрывающие поверхность Юпитера, вызваны выносом на поверхность газа из недр газового гиганта. К таким выводам пришли ученые из Университета Альберты (Канада) и Института солнечных исследований им. Макса Планка (MPS) в Германии после проведения масштабного компьютерного моделирования. Поднимающиеся вверх газовые массы отклоняются в вышележащих устойчивых слоях атмосферы и начинают вращаться за счет силы Кориолиса. Впервые в истории моделирование вихрей Юпитера показывает, что они возникают в основном в широких полосах к северу и югу от экватора. Именно здесь можно найти Большое Красное Пятно — гигантский антициклон в атмосфере планеты, существующий уже более 250 лет. Эта модель также объясняет, почему бури на Юпитере вращаются в противоположном направлении, чем на Земле. Ученые опубликовали вчера (30.
Атмосфера газового гиганта Юпитера — бурное место. Широкие восточные и западные струи несут облака замерзших зерен аммиака вокруг всей планеты со скоростью до 550 километров в час. В других регионах, опять же, преобладают огромные продолжительные водовороты. Крупнейшим из них является Большое Красное Пятно, гигантский антициклон, в два раза превышающий диаметр Земли, который существует уже более 350 лет. До сих пор было неизвестно, откуда взялась такая погода на Юпитере.
Вихри на Юпитере вращаются против часовой стрелки в северном полушарии, т.е. по часовой стрелке в северном полушарии и наоборот в южном полушарии. На Земле ураганы вращаются в противоположных направлениях. Формирование и вращение этих бурь на Юпитере всегда было спорным вопросом. Теперь наши компьютерные симуляции с высоким разрешением показывают, как взаимодействия между движением масс в глубине планеты и более высокими стабильными слоями атмосферы играют ключевую роль», — заключает исследование Йоханнеса Вихта из MPS.
Юпитер почти полностью состоит из водорода и гелия. Из-за высокого давления перекрывающихся масс эта смесь становится металлической и таким образом электрически разрывает 90% радиуса планеты. На последних 10% внешнего радиуса газ находится в неметаллическом «нормальном» состоянии. Измерения показывают, что самая внешняя часть этого покрытия, являющаяся местом наблюдаемой нами погоды, устойчиво делится на слои.
Новое моделирование, проведенное учеными из Канады и Германии, впервые включает существование этого стабильного слоя в сложную компьютерную модель. «Мы моделируем только самые внешние 7000 километров неметаллического слоя, потому что магнитное поле значительно замедляет динамику более внутренних областей. Внешние 5 процентов этого слоя соответствуют внешним 350 километрам стабильного слоя», — говорит Томас. Гастин, научный сотрудник MPS.
Подгоняемый тепловой энергией изнутри газового гиганта, газ поднимается в «карманах/пузырях» — совсем как кипящая вода. Однако стабильный слой над ним является своеобразным барьером. "Только когда плавучесть газового кармана достаточно сильна, он может проникнуть в этот слой и распространиться там горизонтально. Вращение планеты делает это горизонтальное движение вихревым, как ураганы, наблюдаемые на Земле", - говорит Вихт. Когда газ охлаждается, он опускается обратно в более глубокие слои атмосферы. «Земные циклоны формируются аналогичным образом», — добавляет Вихт. Здесь также сила Кориолиса, вызванная вращением планеты, вызывает образование вихрей. Тем не менее, циклоны на Земле вращаются в противоположном направлении, чем на Юпитере. Причина: На Юпитере вихри образуются при растворении восходящего газа в верхних слоях атмосферы. На Земле вихри уже формируются на Земле и только потом начинают подниматься.
«Смоделировать условия в атмосфере Юпитера сложно, потому что мы до сих пор не знаем многих особенностей этого региона», — объясняет Гастин. Ученые до сих пор полагаются на данные миссии «Галилео» с небольшого зонда, запущенного с космического корабля, который проник вглубь планеты более чем на 100 километров, прежде чем был разрушен давлением в 24 бара.
Таким образом, новые расчеты дают очень реалистичную картину самой верхней атмосферы Юпитера: течения из центра не создают антициклоны в случайных местах, а в основном вблизи полюсов и в определенных полосах ниже и выше экватора. Размеры этих антициклонов увеличиваются по мере удаления от экватора. И это соответствует наблюдениям. «Эта тенденция зависит от динамики внутренней части планеты, особенно от взаимодействия восходящих газовых карманов с восточными и западными струями, которые наша модель также реалистично воссоздает», — добавляет Вихт.
«Тем не менее, мы не смогли зафиксировать реальную продолжительность таких антициклонов», — добавляет он. В то время как типичные антициклоны Юпитера длятся в среднем несколько лет, штормы, сгенерированные моделями, заканчиваются всего за несколько дней. Скорее всего, это связано с нереальным значением вязкости газов на Юпитере, которое ученые использовали для своих расчетов. Значение вязкости намеренно установлено слишком высоким, чтобы свести к минимуму время, необходимое для расчетов.
Однако, даже предполагая более реалистичную вязкость и неограниченное время вычислений, воссоздать поразительную устойчивость Большого Красного Пятна не удалось.