Saturns norra polära virvel och omgivande jet-stream hexagon, sett av NASA: s Cassini-rymdskepp den 25 april, 2017.
(Bild: © NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)
Forskare använde en stor roterande kruka för att simulera atmosfären i Saturnus, och de kan ha räknat ut hur gasgigantens massiva polära stormar tar form.
Med vindar som når häpnadsväckande hastigheter på upp till 1 800 km / h - i vårt solsystem kan bara Neptunus vara blåsigare - och stormar på jordens storlek, Saturnus atmosfär har fascinerat forskare sedan de fick den första snygga blicken på den via observationer från NASA: s tvilling Voyager-rymdskepp i början av 1980-talet.
I ett papper som publicerades måndag (26 februari) i tidskriften Nature Geoscience, använde ett forskargrupp den roterande potten för att bättre förstå Saturnus atmosfär och övervinna några av begränsningarna för mer konventionella metoder, till exempel datormodellering. [Fantastiska foton: Saturnus Weird Hexagon Vortex Storms]
"Mycket lite är känt om konvektion och virvlar i de djupa atmosfären hos gasjättarna Saturnus och Jupiter," säger studieledaren Yakov Afanasyev, professor i experimentell oceanisk och atmosfärisk vätskedynamik och numerisk modellering av geofysiska flöden vid Memorial University of Newfoundland, i Kanada . "Vår nuvarande förståelse är baserad på teorier och ganska idealiserade datorsimuleringar, som ännu inte närmar sig parametrarna för de verkliga planetatmosfärerna."
Lagets 43 tum breda (110 centimeter) kruka, som rymmer flera hundra liter vatten, värmdes nedifrån för att simulera konvektiva processer som äger rum i Saturnus luften.
Vatten värmt av värmaren steg medan ytvatten, som kyldes genom indunstning, sjönk mot botten.
"Vi försökte göra vatten mer turbulent genom att värma det och se hur det beter sig i den roterande tanken, som simulerar rotation av planeten," sade Afanasyev. "Inget experiment, eller datormodell för den delen, kan modellera ett hav eller atmosfär på en planet i all deras komplexitet. Vad vi kan göra är att modellera den väsentliga dynamiken."
Afanasyev sade att teammedlemmarna inte var helt säkra på vad de skulle se när de startade experimentet.
"Fokus för vår studie har förändrats när vi observerade flera små, tornado-liknande virvlar i vår tank," sade han. "Virvlarna liknar de som observerats av rymdskepp i atmosfären i Saturnus."
Afanasyev och hans team var särskilt intresserade av vad som driver skapandet av kraftfulla polära virvlar som ligger i mitten av ihållande hexagonala stormar kända från bilder tagna av NASA: s Cassini-rymdskepp. Tidigare forskning visade att dessa sexkantiga stormar orsakas av Saturnus jetström, sa Afanasyev.
De centrala orkelliknande virvlarna har dock varit förbryllande; forskare är inte säkra på varför de förekommer på polerna. Men pottenexperimentet antydde att jättepolära orkaner kan vara ett resultat av att flera mindre virvlar sammanfogades i polarområdet.
"En stark virvel skapas vid polen som ett resultat av sammanslagningar av småskaliga cykloner," skrev forskarna i tidningen. "Den polära virveln penetrerar hela vägen till botten och förändrar den anticykloniska cirkulationen där."
Tidigare forskning antydde att mindre cykloner kan uppstå i andra områden av planeten och därefter drivas mot polerna genom kombinationen av dess rotation och gravitation.
"Våra experiment gav oss den här idén, men vi kunde inte se de polära cyklonerna i vår tank," sade Afanasyev. "Det beror på att vi bara kan modellera en upp och ned atmosfär i vårt experiment. Virveln skulle ligga längst ner i tanken snarare än vid ytan."
Forskarna var därför tvungna att vända "atmosfären i en kruka" upp och ner digitalt.
Kombinationen av de två tillvägagångssätten - den experimentella tanken och datormodelleringen - är det som ger de bästa resultaten, eftersom varje strategi ensam har allvarliga begränsningar för att simulera planetatmosfärernas beteende, sade Afanasyev.
