Загадочные вихри на полюсах Юпитера

Хорошо известно, что над Северным полюсом Сатурна постоянно висит шестиугольный атмосферный вихрь. Эта идеальная геометрия пока не находит однозначного объяснения, поскольку чрезвычайно сложно анализировать турбулентные течения в атмосферах планет. Четыре года назад исследователи нашли упорядоченные вихри и на другой планете-гиганте, знаменитой своим антициклоническим Красным пятном. Тогда к Юпитеру приблизился космический аппарат Юно, который со своей полярной орбиты и увидел две группы вихрей: восемь циклонов в вершинах октагона вокруг одного циклона над Северным полюсом и пять в вершинах пентагона с один посередине — над Южным. Аппарат измерил поля скоростей в этих вихрях. Они оказались подобны земным ураганам, однако их глубина пока неизвестна.

Метеорологи Земли хорошо знают, что циклоны у вращающихся планет смещаются к северу. На Земле они зарождаются над экваториальными океанами, в среде, насыщенной поднимающимся водяным паром, и перемещаются в полярные области, теряя свою энергию. Установлено, что и на Юпитере циклоны образуются у экватора и движутся к полюсам, где стабилизируются. Геометрическая картина не меняется с момента ее обнаружения, поэтому недавно группа ученых из лаборатории Калифорнийского технологического института под руководством профессора планетарных наук Энди Ингерсола математически исследовала устойчивость южных циклонов Юпитера.

Авторы работы прояснили ситуацию, применив теоретический подход, предложенный полтора столетия назад известным английским физиком лордом Кельвином. Математическое моделирование и компьютерный счет его уравнений проводили в приближении мелкой воды, то есть когда горизонтальный масштаб рассматриваемой системы гораздо больше вертикального масштаба. Этот расчет позволил понять, что для стабилизации идеальной геометрической картины циклонам необходимо так называемое экранирование, зависящее и от глубины вихря. Это — движение атмосферы вокруг них в противоположном направлении: оно и вызывает силовое взаимодействие, придающее устойчивость системе вихрей; циклоны оказались окружены антициклонами. При недостаточной экранировке пентагональная картина должна схлопнуться, при излишней — антициклонные и циклонные части вихрей разбегутся. Почему Юпитер так точно «выбирает» параметры своих вихрей, неясно. В заключение авторы приводят внушительный список нерешенных вопросов. Их пока больше, чем ответов.

(PNAS, 2020, 9)