На Юпитере и Сатурне ветры у экватора движутся в направлении вращения самих планет, то есть на восток, а на Нептуне и Уране — на запад. До сих пор это различие связывали с особенностями их внутреннего строения. Однако результаты нового исследования показали, что все дело в едином физическом механизме.
Газовые гиганты Солнечной системы — Юпитер и Сатурн — состоят преимущественно из водорода и гелия. Из-за огромного давления в их недрах газ постепенно переходит в жидкость, а мощные источники внутреннего тепла заставляют атмосферы «кипеть» изнутри. Ледяные гиганты — Уран и Нептун — напротив, содержат меньше водорода и гелия, но больше воды, метана и аммиака. Их внутренние слои плотнее и холоднее, а собственное тепловое излучение значительно слабее (особенно у Урана).
Вот почему устойчивую циркуляцию у газовых гигантов объясняли внутренним потоком тепла, а у Урана и Нептуна — влиянием солнечного излучения. Напомним, ветры на планетах-гигантах дуют со скоростью приблизительно 300 метров в секунду (на Сатурне) и 400 метров в секунду (на Нептуне).
Однако результаты научной работы, опубликованной в журнале Science Advances, показали, что оба явления могут быть проявлением одного и того же механизма — глубинной конвекции. Это процесс, при котором тепло перемешивается в атмосфере или жидкости за счет циркуляции. К такому выводу планетологи пришли, разработав универсальную модель. Она показала, что конвекционные потоки («колонны»), формирующиеся в недрах планет под действием вращения, могут наклоняться в разные стороны, тем самым определяя направления потока на экваторе.
Для этого международная исследовательская группа под руководством Керен Дур-Милнер (Keren Duer-Milner) из Института Вейцмана (Израиль) применила трехмерную численную модель, воспроизведя атмосферные течения путем подъема горячего вещества из недр планет-гигантов вверх.
Поскольку за исключением наклона конвекционных «колонн», все прочие физические параметры остались неизменны, ученые впервые продемонстрировали, что даже при одинаковых физических условиях атмосфера может стабилизироваться в одном из двух состояний — с восточным или западным ветром на экваторе.
Переход между состояниями при этом зависит от глубины конвективного слоя: более глубокие оболочки характерны для Юпитера и Сатурна, мелкие — для Урана и Нептуна. Хотя в промежуточном диапазоне возможны оба варианта, исход зависит от случайных флуктуаций в начальной турбулентности. Моделирование также помогло выявить наличие экваториальных волн, которые движутся в противоположных направлениях в зависимости от типа вращения, что, по мнению планетологов, указывает на универсальный механизм этих процессов.
Таким образом, авторы нового исследования объединили динамику атмосфер четырех планет-гигантов, а также получили необходимые инструменты для исследования аналогичных процессов в недрах далеких миров и светил.