Какие ветры дуют в атмосфере Сатурна

Какие источники энергии отвечают за формирование мощных турбулентных вихрей в атмосфере Сатурна: отчет ученых на основе анализа данных космического зонда «Кассини»

В исследовании, опубликованном в одном из самых престижных в области планетологии журналов – Икаре – представлен анализ снимков зонда Кассини, собранных им в течение нескольких лет. Основной вывод исследования – главный источник энергии для мощных турбулентных вихрей в атмосфере Сатурна имеет не внешнюю, а внутреннюю природу.

Турбулентные реактивные потоки, области атмосферы, в которой ветер дует намного быстрее, чем в близлежащих областях, пронизывают атмосферу Сатурна, путешествуя по широтам. В течение десятилетий шла работа в попытках понять причину и механизм возникновения этих вихрей. Основным секретом оставался источник энергии для этих мощных потоков.

Зонд «Кассини» над поверхностью Сатурна

До исследования данных «Кассини», по сути имелось две примерно равные по числу сторонников гипотезы:

• Турбулентные вихри в атмосфере Сатурна вызваны конденсацией воды в атмосфере Сатурна, которая попадает туда, будучи выпаренная внутренним теплом планеты. В свою очередь, это приводит к мощным перепадам температуры в атмосфере. Эти различия, в свою очередь, приводят к появлению вихрей – возмущений, заставляющих воздух двигаться туда-сюда на одной широте. Это движение захватывает близлежащие слои атмосферы, создавая вихри, порождая в конечном счете те самые турбулентные реактивные потоки.
• Вторая теория сходна с первой в деталях, но отличается тем, что источником разницы температур выступает не внутренний источник энергии, а внешний – Солнце. И, надо отметить, что именно в такой форме этот процесс имеет место на Земле.

«Мы знаем, что атмосферы газовых гигантов, таких как Сатурн и Юпитер, могут получать энергию от двух источников – от Солнца или от внутренних источников тепла. Основной сложностью была разработка методики анализа данных, которая позволила бы уловить различия в процессах, вызванных двумя этими источниками», – говорит Тони дель Женио (Tony del Genio), сотрудник Института космических исследований имени Годдарда, первый автор опубликованной работы и один из сотрудников, занятых в регулярной работе со снимками Кассини.

«Понимание процессов, движущих метеорологические события на Сатурне и газовых гиганта вообще, было одной из основных задач с самого момента запуска зонда Кассини, – говорит Кэролин Порко (Carolyn Porco), сотрудница Института космических исследований в Болдере, глава группы обработки изображений Кассини. – Поэтому для нас очень приятно видеть, что мы наконец приближаемся к пониманию атмосферных процессов, одновременно похожих и отличных от Земных».

Но, в том все и дело, что Сатурн непохож на Землю почти ни в чем. Сатурн – газовый гигант, планета не имеющая твердой поверхности, чья толстая атмосфера имеет множество слоев, каждый со своим собственным плотным облачным покровом, напоминающим скорее слоеный пирог, отдельные слои которого не смешиваются между собой.

Однако реактивные турбулентные потоки рассекают облачные слои и достигают внешней границы атмосферы, где становятся доступны оптическим наблюдениям (под поверхностью плотного слоя внешних облаков Сатурна, их отслеживают по инфракрасному спектру).

Большая часть турбулентных потоков перемещается на восток, но есть и такие, что дуют на запад. Одно объединяет эти потоки – они появляются в местах, где перепад температур между соседними высотами велик.

Схематичное строение атмосферы Сатурна

Благодаря фильтрам камеры Кассини, чувствительных в ближней инфракрасной области, удалось впервые наблюдать вихри Сатурна на двух соседних высотах вблизи экватора. Снимок через один фильтр показывает верхние слои тропосферы, верхний слой атмосферы, в котором Кассини видит толстые туманы, и который сильно нагревается Солнцем. Через другой фильтр видны более глубокие слои, верхи облаков ледяного аммиака.

В этих слоях нагрев Солнцем незначителен, но именно здесь и начинают все погодные явления гиганта. Здесь же конденсируется вода, создающая обычные водяные облака и дожди. Анализ облаков проводился при помощи автоматизированного программного обеспечения, способного просмотреть сотни снимков, собранных с 2005 до 2012 года.

«При помощи нашего улучшенного алгоритма анализа облаков, мы сумели выделить около 120000 векторов движения ветра на 560 снимках, что дало нам невиданное богатство данных о ветрах Сатурна на двух разных высотах», – говорит соавтор Джон Барбара из Института космических исследований имени Годдарда. Кроме данного конкретного исследования, собранные данные могут широко использоваться для проверки существующих моделей атмосферы и механизмов атмосферы гиганта.

Впервые изучив, как вихри ускоряют близлежащие массы воздуха на двух разных высотах, ученые определили, что выше в атмосфере вихри намного слабее, хотя именно на них приходится большая часть энергии, даваемой Солнцем. Глубже в атмосфере потоки оказались сильнее.

Так что излучение Солнца можно исключить из числа факторов, дающих энергию для вихрей, и, одновременно, предложить на это место внутренние источники Сатурна. Механизм, который лучше всего подходит для объяснения процесса – внутреннее тепло Сатурна, испаряющее воду. В какой-то момент, поднимаясь, пар конденсируется, создавая облака и дождь. Этот процесс вызывает циркуляцию воздуха, перерастающую в вихри.

«Кассини» сгорает в атмосфере Сатурна, иллюстрация (кто бы её фотографировал!)

Конденсация воды не наблюдалась непосредственно, большая часть этого процесса происходит на низких высотах, уже недоступных приборам с Кассини. Но конденсация в штормах на средних высотах – типичный процесс и для Земли. Разница только в том, что на Земле это вызвано теплом Солнца, а на Сатурне – его собственным.

По материалам NASA