Содержание
Шестиугольный шторм на Сатурне поменял свой цвет — и никто не знает, почему / Хабр
Реальный цвет урагана. Фото получено 26 июня в 2013 году (Источник: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/Val Klavans)
Сатурн — одна из самых необычных планет Солнечной системы. Конечно, каждая планета уникальна, но у Сатурна сразу несколько отличий от других планет. Во-первых, это газовый гигант. Во-вторых, у Сатурна есть кольца. В-третьих, здесь уже много сотен лет идет шторм, причем у этого объекта шестиугольная форма.
Сейчас оказалось, что этот атмосферный вихрь с течением времени еще и меняет свой цвет. За четыре года наблюдений цвет шестиугольника изменился от голубого до золотистого. Причем специалисты пока не могут дать ответ на вопрос «почему?». Есть лишь несколько предположений. Одно из них — цвет меняется из-за сезонных изменений атмосферы газового гиганта.
Шестиугольный шторм Сатурна был открыт около 30 лет назад. Его диаметр составляет 32 000 км, глубина — минимум 100 километров.
Скорость перемещения атмосферных масс здесь составляет 150 м/с. «Глаз» урагана примерно в 50 раз больше размеров среднего «глаза» урагана на Земле. В прошлом году астрономы выложили видео вращения данного объекта, собранное из множества фотографий, которые получил аппарат «Кассини». Речь идет об использовании примерно 30 тысяч фотографий Сатурна.
Ученые говорят, что каждая точка урагана вращается вокруг центра со скоростью, примерно равной скорости вращения планеты вокруг своей оси. По мнению специалистов, ураган постоянно создает новые и новые облака. Сам ураган находится в районе северного полюса планеты. Возможно, этот атмосферный объект существует не десятки, а сотни лет.
За годы изучения урагана астрономы получили большое количество информации об этом атмосферном явлении, и неплохо понимают процессы, происходящие внутри урагана. Но вот почему ураган меняет свой цвет — по-прежнему загадка. Кроме того, загадкой является и сила, которая заставляет вращаться участок атмосферы планеты-гиганта.
Сделать вихрь не так сложно, говорят ученые, но вот поддерживать его вращение в течение сотен лет гораздо сложнее. «Воду без труда можно заставить вращаться в ведре. Вращаясь, она будет формировать воронку в центре. Но на Сатурне нет ведер, кроме того, ураган здесь — шестиугольной формы, это не окружность».
По мнению представителей NASA, причиной смены цвета урагана могут быть сезонные изменения. Сатурнианский год длится 29 земных лет. Смена сезонов на Сатурне происходит примерно раз в семь лет. В последнее время планета получает больше солнечных лучей, чем в предыдущий сезон — здесь была «зима». Может быть, увеличение количества получаемой планетой энергии и есть причина «золочения» урагана.
«Изменение цвета, возможно, лишь следствие смены времен года на Сатурне. В частности, переход цвета от голубоватого до золотистого может объясняться прохождением фотохимических реакций в атмосфере», — говорится в заявлении NASA. Интересно, что в 2017 году можно будет наблюдать сатурнианское солнцестояние.
Как все это работает? Возможно, говорят ученые, шестиугольник функционирует, как барьер, который предотвращает попадание аэрозоля и частиц, образованных снаружи, внутрь. При внимательном рассмотрении структуры урагана видно, что два различных типа частиц собираются в пределах урагана и за его стенками.
«Внутри шестиугольника много мелких облаков, а за его пределами — больше крупных облаков. Шестиугольник работает в качестве заграждения, в некотором роде он похож на дыру в озоновом слое Земли», — заявил Кунио Саянаги, участник команды проекта Cassini.
В течение полярной зимы Сатурна, длившейся с ноября 1995 года по август 2009-го, в атмосфере на Северном полюсе газового гиганта не наблюдались аэрозоли, которые образуются благодаря фотохимическим реакциям. В основном, речь идет о взаимодействии лучей Солнца и атмосферы планеты. В этом случае шестиугольник имеет голубоватый цвет.
Начиная с августа 2009 года Сатурн стал получать все больше и больше солнечного света.
Возможно, за несколько лет солнечные лучи помогли образованию большого колиества аэрозолей в шестиугольнике и в атмосфере на всём северном полюсе. В результате здесь появилось больше «тумана» и Сатурн стал золотистым.
«Здесь могут играть роль и другие явления», — говорится на сайте NASA. «Ученые считают, что сезонные изменения, включая увеличение количества солнечной энергии, поглощаемой Сатурном, вероятно, влияют на ветры на полюсах».
Сейчас межпланетная станция «Кассини» находится на орбите Сатурна, изучая эту планету и ее спутники. Ранее с ее помощью ученые узнали, что на Сатурне часто выпадают осадки в виде дождей из жидкого гелия. По словам астрономов, гелий перемещается из верхних слоев атмосферы в нижние, в результате чего образуется дождь. Условия возникновения осадков такого рода ученые смогли смоделировать, теперь известны факторы, влияющие на выпадение гелиевых осадков.
Модель показала устройство шестиугольного урагана на северном полюсе Сатурна — Наука
ТАСС, 8 июня.
Британские планетологи создали трехмерную модель шестиугольного урагана на северном полюсе Сатурна и обнаружили, что его существование связано с невидимыми антициклонами в глубинных слоях недр планеты и с процессами теплообмена внутри них. Выводы ученых опубликовал научный журнал Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Стабильность этого шестиугольника на протяжении последних 40 лет, а также данные, собранные зондом «Кассини» в последние мгновения его жизни, говорят о том, что «корни» этого вихря уходят далеко вглубь планеты. Мы подтвердили, что это так на самом деле, создав детальную модель потоков газа внутри недр Сатурна», – пишут ученые.
На северном полюсе Сатурна есть очень необычная структура – гигантский шестиугольник примерно 30 тыс. км в поперечнике. Он представляет собой «вечный» ураган, ветра в котором движутся со скоростью примерно в 322 км/ч. Он был открыт еще в начале 1980 годов, когда с Сатурном сблизился зонд «Вояджер-2».
После того, как к этому газовому гиганту в 2004 году прибыл зонд «Кассини», ученые получили уникальную возможность в течение долгого времени наблюдать за тем, как меняется облик этого урагана и изучать его структуру.
Эти наблюдения подтвердили, что шестиугольник действительно практически не меняется со временем, но при этом не помогли ученым узнать историю его формирования.
Гарвардские планетологи под руководством профессора Гарвардского университета (США) Джереми Блоксхэма нашли возможное объяснение существованию этого «вечного» полярного вихря и его необычной форме, анализируя данные, собранные зондом «Кассини» во время заключительной части его миссии.
Во время нее аппарат периодически сближался с Сатурном на минимальное расстояние и получал уникальные данные по структуре его недр. Замеры, которые проводили инструменты «Кассини» в ходе этих пролетов, указали на то, что все сильные постоянные ветра на Сатурне уходят глубоко в недра планеты.
Блоксхэм и его коллеги попытались воспроизвести подобный рисунок ветров, создав детальную компьютерную модель атмосферы Сатурна. Она учитывала различия в поведении разных типов вихрей внутри нее и характер теплообмена между разными слоями недр планеты.
Эти расчеты показали, что шестиугольник на самом деле устроен значительно сложнее, чем на то указывают его простые фотографии с камер «Кассини». Оказалось, что форма и постоянство урагана были связаны с тем, что на большой глубине его окружают три антициклона. Газ внутри них движется в сторону, противоположную самой полярной воронке.
Хорошо различимые следы этих вихрей исчезают задолго до их выхода на «поверхность» Сатурна, однако они ограничивают движение центрального вихря на полюсе планеты и задают его шестиугольную форму, влияя на характер движения ветров вокруг северного полюса газового гиганта.
Что интересно, эти расчеты предсказывают существование еще одной подобной вихревой структуры, которая должна быть расположена не на южном полюсе планеты, а где-то на 60-й параллели южной широты. Нечто похожее «Кассини» действительно обнаружил еще в 2004 году, изучая вихри южного полушария Сатурна. Это говорит о реалистичности созданной ими модели, заключают британские планетологи.
Наука – Исследование Солнечной системы НАСА
Изображение Сатурна с подсветкой в улучшенных цветах. Подробнее ›
Как «Кассини» изменил наш взгляд на … Сатурн
Обзор: До «Кассини» ученые изучали уникальные особенности Сатурна только с Земли и с нескольких пролетов космических аппаратов. Но в течение более десяти лет, вращаясь вокруг газового гиганта, Кассини изучал состав и температуру верхних слоев атмосферы Сатурна по мере смены времен года. «Кассини» также обеспечил наблюдения с близкого расстояния экзотических штормов и струйных течений Сатурна, а также радио- и плазменных волн Сатурна, которые невозможно обнаружить с Земли.
Ключевые моменты
◆
«Кассини» сфотографировал молнию на ночной и дневной сторонах Сатурна, чего раньше никто не делал.
Ключевые моменты
◆
30-летняя буря Сатурна (или ежегодная буря Сатурна) появилась на 10 земных лет раньше, чем обычно, что позволило «Кассини» детально изучить это явление во время своей миссии.
Ключевые моменты
◆
Кассини сфотографировал, сначала в инфракрасном, а затем в видимом диапазоне длин волн света, гексагональный струйный поток вокруг северного полюса Сатурна и обнаружил его поразительную симметрию.
Сатурн может быть известен своими кольцами, но сама планета предлагает неотразимые и неисчерпаемые объекты для изучения. Сатурн, более чем в 700 раз превышающий объем Земли, является гигантом. Но считается, что его ядро лишь немного больше Земли, а большая часть объема Сатурна заполнена бурлящим котлом из газа и сжатого металлического водорода, смешанного с гелием и другими следовыми молекулами, настолько глубокими, плотными и горячими, что сокрушительные глубины самых глубоких океанских впадин Земли кажутся сравнительно спокойной средой.
Глобальная и негостеприимная бездна Сатурна, возможно, никогда полностью не откроется людям, но во время длительного пребывания Кассини Сатурн поделился некоторыми из своих странных секретов и великолепных зрелищ.
Королевская корона для царственной планеты
Несмотря на то, что Сатурн отличается от Земли, две планеты имеют некоторые сходства, одним из которых является наличие струйных течений. Однако самый известный и наиболее заметный струйный поток Сатурна сильно отличается от земного. Шестиугольник называется.
Шестиугольный струйный поток вокруг северного полюса Сатурна впервые наблюдался аппаратом «Вояджер» в начале 1980-х годов. Кассини начал изучать его во время северной зимы Сатурна, когда шестиугольник был в тени. В то время Кассини наблюдал большой шестигранный струйный поток в инфракрасном диапазоне, ощущая тепло, исходящее изнутри планеты. Со временем, когда северная часть Сатурна вступила в весну, Кассини сфотографировал шестиугольник в видимых длинах волн света, обнаружив потрясающе симметричную форму диаметром 20 000 миль (30 000 километров) со скоростью ветра около 200 миль в час (322 километра в час).
На этом захватывающем, вызывающем головокружение, изображении в искусственных цветах, сделанном миссией НАСА «Кассини», видны бури на северном полюсе Сатурна.
Злой глаз похожей на ураган бури кажется темно-красным, а быстро движущийся шестиугольный реактивный поток, обрамляющий его, — желтовато-зеленым. Низколежащие облака, кружащиеся внутри шестиугольной детали, окрашены в приглушенный оранжевый цвет. Второй, меньший вихрь выскакивает бирюзовым цветом в правом нижнем углу изображения. Кольца Сатурна отображаются ярко-синим цветом в правом верхнем углу.
«Никто на самом деле не знает, что им движет», — сказал Скотт Эджингтон, заместитель научного сотрудника миссии «Кассини» в Лаборатории реактивного движения НАСА. Хотя прошли десятилетия с тех пор, как «Вояджер» впервые заметил его, шестиугольник все еще был там, мчась вокруг северного полюса Сатурна. «С Кассини мы увидели, что это долгоживущее явление», — сказал Эджингтон.
На Земле горные хребты и другие особенности поверхности планеты заставляют струйные потоки искривляться и изгибаться, но на Сатурне таких препятствий, выступающих в атмосферу, нет, поэтому струйный поток продолжает течь, упорядоченный и шестиугольный.
Но вопросы все еще остаются, сказал Эджингтон. «Почему он не пятисторонний? Почему нет другого на юге? Что им движет?»
Это не ураган
Северный и южный полюса Сатурна также красиво (и яростно) украшены колоссальным вихрем. «Люди были удивлены такой организованностью, — сказал Эджингтон. «Вы можете видеть стенки глаз».
Кассини внимательно изучил северный полярный шторм, и ученые обнаружили, что глаз шторма был примерно в 50 раз шире, чем глаз земного урагана. По словам Эджингтона, в отличие от земных ураганов, которые вызываются теплыми водами океана, полярные вихри Сатурна не совсем ураганы. — Хотя они ураганные — вроде .
Молния остается молнией, на какой бы планете она ни находилась. Инструменты Кассини «слышали» молнию с момента выхода на орбиту Сатурна в 2004 году в виде радиоволн. Но только в 2009 г.что камеры «Кассини» впервые зафиксировали изображения сатурнианской молнии, и ученые «Кассини» даже сняли короткое видео, первое видео разряда молнии на планете, отличной от Земли.
Наблюдать за молниями Сатурна из космоса было сложнее, чем выполнять ту же задачу на Земле. Отчасти это связано с тем, что «Кассини» ведет наблюдения в сотни раз дальше от Сатурна, чем большинство космических аппаратов, наблюдающих за Землей, находятся от нашей планеты. Молнии также легче увидеть в темноте, а ночная сторона Сатурна не очень темная. Его кольца отражают гораздо больше света на ночную сторону Сатурна, чем полная луна на Землю. Но «Кассини» в конце концов поймал молнию даже на дневной стороне Сатурна — ученые «Кассини» не думали, что смогут это увидеть. А буря, вызвавшая молнию, была сногсшибательной.
Семилетние сезоны
Каждые 28-30 земных лет на Сатурне происходит мегашторм. Рожденный в декабре 2010 года, шторм был самым огромным из всех когда-либо наблюдавшихся на окруженной кольцом планете. Бушуя около двух третей земного года, он в конце концов обернулся вокруг Сатурна и протянулся на 190 000 миль (300 000 километров). В 2011 году «Кассини» наблюдал вспышки во время шторма, которые, по мнению ученых, были вызваны молнией в диапазоне самых мощных молний на Земле.
Впервые молния была замечена на дневной стороне Сатурна.
На этих изображениях, сделанных космическим телескопом Хаббла в период с 1996 по 2000 год, кольца Сатурна раскрываются с края до почти полного раскрытия по мере того, как он движется от осени к зиме в Северном полушарии.
Так называемые 30-летние штормы Сатурна появляются сезонно, как земные ураганы и тайфуны, но в более длительной временной шкале. Сатурн находится почти в 10 раз дальше от Солнца, чем Земля, и ему требуется гораздо больше времени для обращения вокруг Солнца — около 29 земных лет. Ось вращения Сатурна наклонена, как и земная, поэтому у него тоже есть времена года, но чем длиннее год, тем больше сезонов, каждый из которых длится более семи земных лет. Точно так же то, что мы называем 30-летней бурей Сатурна, для Сатурна происходит ежегодно. «Примечательно в этом шторме то, что он пришел на 10 лет раньше, благодаря чему «Кассини» оказался в нужное время для наблюдения за этой захватывающей погодной особенностью», — сказал Эджингтон.
«Еще одна интересная вещь заключается в том, что все эти штормы наблюдались либо с экватора, либо с северного полушария», — сказал Эджингтон. — Но, может быть, это только при нашей жизни. Возможно, через много поколений невидимый механизм, вызывающий бури, перевернется, и эти гигантские бури сформируются на юге. — Кто знает, — сказал Эджингтон. «Мы еще не сбрасывали никаких зондов на Сатурн».
Ученые «Кассини» обнаружили, что сезонный шторм на Сатурне, также известный как Большое белое пятно, поднимает водяной пар и другие материалы на глубину до 100 миль (160 километров) ниже вершин облаков. Пар замерзает на пути вверх. Отсюда и белизна бури. Примерно еще 30 лет требуется, чтобы создать условия для следующего сильного шторма.
Кассини также изучил полярные сияния Сатурна, состав атмосферы, набухание его внешней атмосферы (термосферы) и скорость вращения планеты (день Сатурна составляет около 10,5 земных часов). К тому времени, когда Кассини погрузился в Сатурн в конце своей миссии, он наблюдал за планетой менее половины сатурнианского года.
Но он также совершил 294 оборота вокруг газового гиганта, навсегда изменив наше понимание системы Сатурна и дав возможность понять всю Солнечную систему.
3D-модель пытается объяснить загадочный шестиугольный шторм на Сатурне — Harvard Gazette
Новая 3D-модель может объяснить образование шестиугольной бури на Сатурне
Автор: Хуан Силиезар Гарвардский штатный писатель
Дата
Сатурн с его ослепительной системой ледяных колец с древних времен вызывал восхищение. Даже сейчас шестая планета от Солнца хранит множество загадок, отчасти потому, что ее удаленность затрудняет прямое наблюдение, а отчасти потому, что состав и атмосфера этого газового гиганта (который в несколько раз больше нашей планеты) состоит в основном из водорода и гелия, поэтому в отличие от Земли. Узнав больше об этом, можно получить некоторое представление о создании самой Солнечной системы.
Одна из загадок Сатурна связана с мощным штормом в форме шестиугольника на его северном полюсе. Шестигранный вихрь — это атмосферное явление, которое привлекало ученых-планетологов с момента его открытия в 1980-х годах американской программой «Вояджер» и последующего посещения в 2006 году американо-европейской миссией «Кассини-Гюйгенс». Шторм имеет диаметр около 20 000 миль и граничит с полосами ветра, дующими до 300 миль в час. Такого урагана не существует ни на одной другой известной планете или луне.
Двое из многих ученых, ставших межпланетными охотниками за штормами, работающими над раскрытием секретов этого чуда, — это Джереми Блоксхэм, профессор геофизики Маллинкродта, и научный сотрудник Ракеш К. Ядав, который работает в лаборатории Блоксхэма в Гарвардском университете. Науки о Земле и планетах. В недавно опубликованной статье в PNAS исследователи начали ломать голову над тем, как появился вихрь.
«Мы регулярно видим бури на Земле, и они всегда спиральные, иногда круглые, но никогда не состоят из сегментов шестиугольников или многоугольников с краями», — сказал Ядав.
«Это действительно поразительно и совершенно неожиданно. [Вопрос о Сатурне:] как образовалась такая большая система и как такая большая система может оставаться неизменной на этой большой планете?»
Создав трехмерную имитационную модель атмосферы Сатурна, Ядав и Блоксхэм верят, что они приближаются к ответу.
В своей статье ученые говорят, что неестественно выглядящий ураган возникает, когда атмосферные потоки глубоко внутри Сатурна создают большие и маленькие вихри (так называемые циклоны), которые окружают более крупный горизонтальный струйный поток, дующий на восток возле северного полюса планеты, который также имеет номер бури внутри него. Меньшие штормы взаимодействуют с более крупной системой и в результате эффективно сжимают восточную струю и удерживают ее на вершине планеты. Процесс защемления деформирует поток в шестиугольник.
«Эта струя движется вокруг планеты, и она должна сосуществовать с этими локальными [меньшими] штормами», — сказал Ядав, ведущий автор исследования.
Подумайте об этом так: «Представьте, что у нас есть резинка, и мы надеваем на нее кучу меньших резинок, а затем просто сжимаем ее снаружи. Это центральное кольцо сожмется на несколько дюймов и сформирует какую-то странную форму с определенным количеством ребер. Это в основном физика того, что происходит. У нас есть эти небольшие штормы, и они в основном сжимают более крупные штормы в полярном регионе, и, поскольку они должны сосуществовать, им нужно каким-то образом найти место для размещения каждой системы. Делая это, они в конечном итоге создают эту многоугольную форму».
Меньшие бури на Сатурне взаимодействуют с более крупной системой и в результате эффективно сжимают восточный джет и ограничивают его вершину планеты. Процесс защемления деформирует поток в шестиугольник.
Авторы и права: Джереми Блоксхэм и Ракеш К. Ядав
Модель, созданная исследователями, предполагает, что шторм находится на глубине в тысячи километров, намного ниже верхних слоев облаков Сатурна.
Моделирование имитирует внешний слой планеты и покрывает лишь около 10 процентов ее радиуса. В ходе месячного эксперимента, проведенного учеными, компьютерное моделирование показало, что явление, называемое глубокой тепловой конвекцией, которое происходит, когда тепло передается из одного места в другое за счет движения жидкостей или газов, может неожиданно вызвать атмосферные потоки, которые создают большие полярные циклоны и высокоширотный струйный рисунок на восток. Когда они смешиваются наверху, образуется неожиданная форма, а поскольку бури формируются глубоко внутри планеты, ученые говорят, что это делает шестиугольник яростным и стойким.
Конвекция — это та же сила, которая вызывает торнадо и ураганы на Земле. Это похоже на кипячение кастрюли с водой: тепло от дна передается на более холодную поверхность, вызывая пузыри наверху. Это то, что, как полагают, вызывает многие бури на Сатурне, который, как газовый гигант, не имеет твердой поверхности, как у Земли.
«Шестиугольная структура потока на Сатурне — яркий пример турбулентной самоорганизации», — написали исследователи в июньской статье.
«Наша модель одновременно и самосогласованно создает чередующиеся зональные струи, полярный циклон и шестиугольные многоугольные структуры, подобные наблюдаемым на Сатурне».
Чего модель не произвела, так это шестиугольника. Вместо этого исследователи увидели многоугольник с девятью сторонами, который двигался быстрее, чем буря Сатурна. Тем не менее форма служит доказательством концепции общего тезиса о том, как формируется величественная форма и почему она остается относительно неизменной на протяжении почти 40 лет.
Интерес к шестиугольной буре на Сатурне восходит к 1988 году, когда астроном Дэвид А. Годфри проанализировал данные пролета Сатурна космическим кораблем «Вояджер» в 1980 и 1981 годах и сообщил об открытии. Спустя десятилетия, с 2004 по 2017 год, космический аппарат НАСА «Кассини» сделал одни из самых четких и известных изображений аномалии, прежде чем погрузиться на планету.
Связанные
Исследование предполагает, что астероиды и другие объекты могут играть ключевую роль
Открытие объекта с несколькими звездами дает представление о нашей планете
Исследование переопределяет нижний предел обитаемости планеты
Исследования могут помочь решить загадку эволюции Венеры
Относительно мало известно о буре, потому что планета обращается вокруг Солнца за 30 лет, оставляя на это время любой полюс во тьме. Кассини, например, сделал тепловые снимки шторма только тогда, когда он впервые появился в 2004 году. Даже когда солнце светит на северном полюсе Сатурна, облака настолько густые, что свет не проникает глубоко в планету.
Несмотря на это, существует множество гипотез о том, как образовался шторм. Большинство сосредоточено на двух школах мысли: одна предполагает, что шестиугольник неглубокий и простирается всего на сотни километров в глубину; другой предполагает, что зональные струи имеют глубину в тысячи километров.
Выводы Ядава и Блоксхэма основаны на последней теории, но им необходимо включить больше атмосферных данных с Сатурна и дополнительно уточнить их модель, чтобы создать более точную картину того, что происходит с бурей. В целом, дуэт надеется, что их выводы помогут нарисовать портрет активности на Сатурне в целом.
«С научной точки зрения атмосфера очень важна для определения скорости охлаждения планеты. Все эти вещи, которые вы видите на поверхности, в основном являются проявлениями остывания планеты, а остывание планеты многое говорит нам о том, что происходит внутри планеты», — сказал Ядав.