Polární cyklóny odhalují skryté nitro Jupitera a Saturnu

Nový výzkum planetologů z MIT (Massachusetts Institute of Technology) ukazuje, jak mohou být výrazné rozdíly v podobách polárních vírů na Jupiteru a Saturnu způsobeny hlubokými vnitřními vlastnostmi, a nabízí tak nová vodítka o struktuře plynných obrů.

Kompozitní snímek v úvodu článku, odvozený z dat shromážděných přístrojem JIRAM na palubě sondy Juno (NASA), ukazuje centrální cyklónu na severním pólu Jupitera a osm cyklón, které ji obklopují. JIRAM shromažďuje data v infračervené oblasti spektra a barvy v tomto kompozitu představují sálavé teplo: žluté (řidší) mraky mají teplotu přibližně -13 stupňů Celsia a tmavě červené (nejhustší) mraky mají teplotu přibližně 83 stupňů Celsia.

„Naše studie ukazuje, že v závislosti na vnitřních vlastnostech a hustotě dna víru to ovlivní druh rotujícího vzoru, který pozorujeme na povrchu,“ řekl Wanying Kang z MIT.

Studie byla inspirována snímky Jupitera a Saturnu, které pořídily mise NASA Juno a Cassini. Juno obíhala kolem Jupitera od roku 2016 a pořídila úžasné snímky severního pólu planety a jejích vířivých vírů. Z těchto snímků vědci odhadli, že každý z Jupiterových vírů je obrovský a má průměr asi 5 000 km.

Cassini, než v roce 2017 záměrně shořela v atmosféře Saturnu, obíhala kolem planety s prstenci 13 let. Její pozorování severního pólu Saturnu zaznamenala jediný polární vír šestiúhelníkového tvaru o průměru asi 29 000 km.

„Vědci strávili spoustu času luštěním rozdílů mezi Jupiterem a Saturnem,“ řekl postgraduální student na MIT Jiaru Shi. „Planety mají přibližně stejnou velikost a obě jsou tvořeny převážně vodíkem a héliem. Není jasné, proč se jejich polární víry tak liší.“

Autoři se snažili identifikovat fyzikální mechanismus, který by vysvětlil, proč by jedna planeta mohla vytvářet jeden vír, zatímco druhá hostí více polárních vírů.

Za tímto účelem pracovali s dvourozměrným modelem dynamiky povrchových tekutin. I když je polární vír trojrozměrný, usoudili, že by mohli přesně reprezentovat vývoj víru ve dvou rozměrech, protože rychlá rotace Jupitera a Saturnu vynucuje rovnoměrný pohyb podél rotační osy.

„V rychle rotujícím systému má pohyb tekutin tendenci být rovnoměrný podél rotační osy,“ řekl Wanying Kang. „Motivovala nás tedy myšlenka, že dokážeme 3D dynamický problém převést na 2D problém, protože se vzorec tekutiny ve 3D nemění. Díky tomu je simulace a studium problému stokrát rychlejší a levnější.“

V návaznosti na tuto úvahu vědci vyvinuli dvourozměrný model vývoje vírů v atmosféře plynného obra, založený na existující rovnici, která popisuje, jak se rotující tekutina vyvíjí v čase.

„Tato rovnice byla použita v mnoha kontextech, včetně modelování cyklón středních zeměpisných šířek na Zemi,“ řekl Wanying Kang. „Rovnici jsme adaptovali na polární oblasti Jupitera a Saturnu.“

Vědci aplikovali svůj dvourozměrný model k simulaci vývoje tekutiny v čase na plynné obří planetě za různých scénářů. V každém scénáři měnili mimo jiné parametry velikost planety, její rychlost rotace, její vnitřní ohřev a „měkkost“ nebo „tvrdost“ rotující tekutiny.

Poté nastavili podmínku náhodného „šumu“, kdy tekutina zpočátku proudila v náhodných vzorcích po povrchu planety. Nakonec pozorovali, jak se tekutina v průběhu času vyvíjela za daných specifických podmínek scénáře. Během několika různých simulací pozorovali, že některé scénáře se vyvinuly do jednoho velkého polárního víru, jako je na Saturnu, zatímco jiné vytvořily více menších vírů, jako je tomu u Jupitera.

Po analýze kombinací parametrů a proměnných v každém scénáři a jejich vztahu ke konečnému výsledku dospěli k závěru o jediném mechanismu, který vysvětluje, zda se vyvíjí jeden nebo více vírů. Jak se náhodné pohyby tekutin začnou shlukovat do jednotlivých vírů, jejich velikost, do kterých může vír narůst, je omezena tím, jak měkká (řídká) je jeho spodní část.

Čím měkčí (řidší) nebo lehčí je plyn, který rotuje na dně víru, tím menší vír nakonec vznikne, což umožňuje koexistenci více menších vírů na pólu planety, podobně jako je tomu na Jupiteru.

Naopak, čím tvrdší nebo hustší je dno víru, tím větší může systém vyrůst, a to až do velikosti, kdy nakonec může sledovat zakřivení planety jako jediný vír planetárního rozsahu, jako je ten na Saturnu. Pokud tento mechanismus skutečně funguje u obou plynných obrů, naznačovalo by to, že Jupiter by mohl být složen z lehčího materiálu, zatímco Saturn by mohl ve svém nitru ukrývat těžší látky.

„To, co vidíme z povrchu, tedy tekutý vzor na Jupiteru a Saturnu, nám může něco říct o nitru, například o tom, jakou hustotu má dno víru,“ řekl Jiaru Shi. „A to je důležité, protože možná pod povrchem Saturnu je nitro obohaceno o kovy a má více kondenzovatelného materiálu, což mu umožňuje silnější stratifikaci než Jupiter. To by přispělo k našemu pochopení těchto plynných obrů.“

Zjištění týmu bylo publikováno v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

Zdroj: https://www.sci.news/astronomy/polar-cyclones-jupiter-saturn-14494.html

autor: František Martinek