вторник, 29 мая 2012 г.

Земля и Вселенная. Часть 17. Супервихри на полюсах Сатурна


    Южный полярный вихрь Сатурна (SPV)

    «Первые данные о том, что на Южном полюсе Сатурна творится нечто непонятное, учёные получили ещё в 2003 году. Телескопические наблюдения с поверхности земли в 2003 г. (G.S. Orton, P.A. Yanamandra-Fisher, «Science» 307, 696, 2005) привели к обнаружению горячей точки на Южном полюсе Сатурна, а в 2005-м определили, что он подозрительно сильно разогрет. Астрономы проводили наблюдения планеты в гавайской обсерватории W. M. Keck. Новые детальные снимки в инфракрасном спектре показали, что вокруг южного полюса планеты существует зона с температурой в стратосфере 151 градус Кельвина (минус 122 градуса по Цельсию), что для Сатурна можно охарактеризовать как «горячую точку». Эта область имеет резкие границы (фактически — это большой вихрь), вне которых температура резко падает на несколько градусов. «Точка» окружена ещё большей кольцевой областью, также с несколько повышенной температурой. Внешние границы этой области, в свою очередь, тоже имеют резкие границы с заметным перепадом температур. Прежние модели предсказывали плавное увеличение температуры в атмосфере по мере продвижения от экватора к полюсу.

Рис. 1. Снимки южного полушария Сатурна в инфракрасном диапазоне длин волн http://apod.nasa.gov/apod/ap050210.html
    Вскоре учёные поняли, что речь может идти о мощном вихре, расположенном на полюсе окольцованной планеты. Осенью 2006-го там был обнаружен гигантский ураган диаметром с небольшую планету. 
    На первый взгляд, ничего странного в этом нет: на газовых гигантах всегда полным-полно штормов и бурь. Однако то, что попалось астрономам, совершенно нетипично для планеты подобного типа, а скорее напоминает бурю типа тех, которые возникают на планетах с твёрдой поверхностью (например, на Земле). В ходе дальнейших исследований учёные выявили основные сходства этого вихря с земными бурями. В частности, существует характерная циркуляция атмосферных масс, имеется тёплый центр («глаз урагана»), окружённый кольцевой «стеной» из высоких облаков, а также вокруг есть облака, формирующиеся за счёт конвективных потоков. И, что интересно, — по своему строению этот ураган напоминает типичный земной самой опасной пятой категории по общепринятой шкале Саффира-Симпсона (Saffir-Simpson Hurricane Scale). 
    Но, несмотря на это, у урагана имеются и кое-какие особенности. В частности, он остаётся неподвижным, «прикреплённым» к одному и тому же месту - полюсу; кроме того, на Сатурне отсутствует океан, который в обычных условиях должен снабжать ураган влагой, помогающей сохранять именно такую структуру. Удалось найти частичное сходство и с венерианским полярным вихрем. Самым существенным отличием является отсутствие конвективных облаков вокруг бурь на полюсах Венеры.
    Южный полюс Сатурна также наблюдался в высоком разрешении Научной Подсистемой Отображения (ISS) «Cassini» уже в течение перехода космического корабля на орбиту вокруг Сатурна в июле 2004 г. Изучение снимков «Cassini», полученных в 2005г. (Vasavada и др., 2006; Sanchez-Lavega и др., 2006), подтвердило: вокруг оси Сатурна в сторону, противоположную вращению планеты, крутится сильнейший вихрь, чем-то похожий на многократно увеличенный в размерах земной тропический циклон. Чтобы исследовать эту особенность далее, был предпринят ряд наблюдений «Cassini» с высоким разрешением в течение 3-часового периода 11 октября 2006 года. Это наблюдение показало, что горячая точка окружена двойной стеной облаков.

Full-Res: PIA08894 Рис. 2. Центр южного полярного вихря2007 гhttp://astronomy.net.ua/photo-id-560.html
    Прослеживание индивидуальных особенностей в виде облаков на изображениях, принятых на длине волны 938 nm, показало существование сильного полярного вихря, вызванного потоком с максимальной скоростью 160 ±10 м/c относительно вращающейся Системы координат III, и пиком на 87 °S планетографической широты. Модели передачи излучения отраженным светом, основанные на изображениях «Cassini» и дополненные изображениями Космического телескопа Хаббла с марта 2004 г., показывают, что частицы аэрозоля в вихре структурированы вертикально в три отдельных слоя. Были найдены два слоя тумана и одно плотное облако, распределенное по высоте между ~500 mbar (вершина плотного облака) и несколько mbar (вершина стратосферного тумана), охватывая вертикальный диапазон высот ~200 км. Область вихря совпадает с недавно обнаруженной теплой точкой, причем выяснилось, что ветры выше полярных облаков уменьшаются с высотой.

    Выпускница Московского университета Ульяна Дюдина, ныне работающая в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) в американской Пасадене, и её коллеги, занимающиеся объяснением данных, поступающих с «Cassini», завершили обработку данных о глазе Южного полярного вихря Сатурна. Результаты этой работы представлены в одном из выпусков журнала "Science" (см.  также: Ulyana A. Dyudina, Andrew P. Ingersoll, Shawn P. Ewald, Ashwin R. Vasavada. Hurricane at Saturn’s South pole observed by Cassini ISS in 2006. Icarus, June 7, 2007,  и http://ciclops.org/media/sp/2008/4985_10957_0.pdf).

Рис. 3. У. Дюдина http://www.gps.caltech.edu/~ulyana/

    Особенности Южного полярного вихря Сатурна:

    А) Эллиптичная форма внутренней стены глаза выглядит замечательно неизменной в интервале наблюдений между 2004 и 2006 гг.

    Б) По оценкам длины теней определили, что внешняя стена глаза урагана имеет высоту 40 ± 20 км, а внутренняя стена имеет высоту 70 ± 30 км, что соответствует примерно двукратному изменению давления от высоты в атмосфере Сатурна. Облака стены глаза, вероятно, простираются до тропопаузы, которая является  уровнем ~100 mbar.

    В) Абсолютная скорость вращения вихревого потока u состоит из двух частей: части z из-за движения относительно планеты и части f из-за вращения планеты. До широты -85° измеренное значение u увеличивается несколько быстрее, чем постоянный профиль абсолютных скоростей. По направлению от широты -85 ° к полюсу u увеличивается более медленно. Постоянная абсолютная угловая скорость вращения совместима с горизонтальными активными водоворотами. Угловой импульс в южном полярном вихре Сатурна уменьшается к его центру. По наблюдениям, нет движения по направлению к полюсу или экватору. Относительная угловая скорость z, оцененная по измеренному u - близка к нолю вне внешней стены глаза. Пухлые облака на рис. 2 - антициклоны с угловой скоростью вращения −1 × 10−4 ±1 × 10−4 сек−1, которая составляет ~1/3 величины угловой скорости вращения планеты f, но противоположного знака. Этот результат совместим с конвективным происхождением, потому что атмосферные массы, поднимающиеся из глубины из-за конвекции, должны иметь z + f = 0, когда они распространяются в верхней тропосфере.
    На рис. 4. показаны изображения в двух различных  длинах волн: в ближнем инфракрасном 1.06 μm и в тепловом на 5.1 μm. В тепловом изображении также показаны широты. Изображение в ближнем инфракрасном диапазоне показывает очень рассеянный туман, охватывающий область вокруг полюса, однако возможно увидеть изменение режима около ~ 74º, после чего дискретные особенности облаков напоминают яркие области, окружая полюс. В тепловом изображении это ясно различимые структуры. Правая картинка на рис. 4 фактически показывает структуру облаков, расположенных на различной высоте, изображение было фотометрически инвертировано. показывая тепловую эмиссию планеты черным цветом и силуэты облаков белым, где самые яркие особенности относительно выше по высоте. На длине волны 5.1 μm рассеяние маленькими частицами аэрозоля уменьшается и более глубокие слои облаков становятся светлее, что и позволяет их обнаружить. Этот канал исследует самые глубокие уровни в непрозрачном стратосферном и тропосферном туманах.

Рис.4. Изображения SPV в двух различных  длинах волн: в ближнем инфракрасном на 1.06 μm, и в тепловом на 5.1 μm
Рис. 5. Изображения южных полярных облаков Сатурна, принятые научной подсистемой отображения «Cassini» (ISS). Изображения проектировались на карту с использованием полярного стереографического проектирования. Широты - планетоцентрические. (A)-ложно-цветное изображение в свете с длиной волны 727 нм, 750 нм и 889 нм, показанные как синий, зеленый, и красный цвета, соответственно. В первоначальных изображениях интенсивность солнечного света на 750 нм была уменьшена в e (2.71 ...)  раз на 80-mbar и 300-mbar уровнях по сравнению с излучением на 889 и 727 нм, соответственно. Солнечный свет для излучения на 750 нм проходит через атмосферу до более глубоких уровней. Таким образом, облака ниже 300 mbar кажутся красными, а высокие тонкие облака кажутся синими или зелеными. Стены глаза могут быть видимы в трех цветовых градациях и простираются вниз на высоту 80-mbar от поверхности. (От B к D) - временная последовательность, показывающая тени (темные, имеющие форму полумесяца области внутри стен). Первая карта была принята 11 октября 2006г. в 19 часов 42 мин. Карты помечены по времени,  начиная с первой. Белая стрелка показывает направление распространения солнечного света при съемке
    «Глаз Южного полярного вихря Сатурна на рис. 5 имеет две границы. Внутренняя граница эллипсовидная (главная ось =2400 км); внешняя круглая (диаметр = 4200 км).

    Г) Средняя зональная скорость ветра ū достигает максимума 150 ±20 м/с между широтами −86.5º и −89º. Скорость ветра по измерениям с использованием изображений «Cassini», принятых в июле 2004 г., была 160 ±10 м/с на широте −87º  (Sanchez-Lavega & all., 2006). Пиковая зональная скорость u достигает 150 ± 20 м/сек около внешней стены глаза (Ulyana A. Dyudina & all, 2008)...
    Чтобы уменьшить погрешность и увеличить точность измерений, скорость вращения каждого облака измеряли 3-4 раза, выбирая диапазон разумно допустимых значений. Величины скорости вращения (звездочки на рис. 6) - средние числа из этих 3-4 измерений. Интервалы ошибки рассчитаны как стандартное отклонение измерений. Почти все маленькие облака вращаются против часовой стрелки (антициклоническое вращение). Самые большие особенности (два темных пятна в верхнем левом углу карты на рис. 5) вращаются быстрее всего. Для меньших облаков соотношение между размером и вращением - не систематическое.

Рис. 6: Профили зональной скорости (в восточном направлении) и угловой скорости циклонического вращения (по часовой стрелке) вокруг Южного полюса Сатурна. Пунктирные вертикальные линии указывают внутренний и внешний стены глаза. (A)-зональная скорость измерена, отслеживая облака в последовательности изображений в течение 3-часового периода. Сплошные кривые - для постоянной абсолютной скорости вращения ¯ζ + f , начинающейся на широте φ0 (значения, помеченные на кривых) с ¯u = 0 и ¯ζ = 0 в этой точке. (B)-относительная скорость ζ. Сплошная кривая - сплайн, пригодный к скоростным данным рис. 5. Точки - пухлые красные облака рис. 5. Чтобы определить относительную скорость пухлого красного облака, измеряли его угловую скорость вращения относительно вращающейся планеты. Эта угловая скорость облака –вдвое меньше скорости вращения планеты. Процедуру повторили от трех до четырех раз для каждого облака и назначили интервалы ошибки измерений
    Д)  Тепловые данные от «Cassini» CIRS.
    Средние зональные температуры в 70-800 mbar области тропосферы (внизу слева на рис. 7) и средние зональные температуры между 1-6 mbar в стратосфере (вверху слева на рис. 7) получены из  CIRS средне-инфракрасных спектров в области 600-1400 см−1 (Flasar et al., 2004; Irwin et al., 2008; Fletcher et al., 2008), полученных 30 июля 2005 г. с орбиты на расстоянии 28 радиусов Сатурна. Информация о температуре получена соответственно из  ν4 полосы излучения метана CH4 и H2-He вынужденного столкновениями сплошного излучения со спектральным разрешением 15.0 cм−1 .                                      
    Температурный минимум на ~100 mbar указывает на тропопаузу. Правые графики на рис. 7 показывают горячую температурную аномалию на полюсе относительно температур на тех же самых уровнях давления далеко от полюса. Аномалия совпадает с глазом южного полярного вихря Сатурна (отмеченным на рис. 7 пунктирными вертикальными линиями). Аномалия достигает величины больше чем 5 ºK сразу же ниже и выше 100-mbar тропопаузы.
    Газы около полюса на ~4 ºK более теплые, чем окружающая среда. Наблюдения не охватывали непосредственно полюс. Теплое ядро в 2006 г. совместимо с  теплым ядром 2005 г. и с теплым ядром, наблюдавшимся CIRS в 2007 г. (Флетчер и другие, 2008). Тепловая аномалия была такой же, какой она была обнаружена в 2003 г(Orton и Yanamandra-Fisher, 2005). Видимая структура глаза существует по крайней мере с 2004 г. (Vasavada и др., 2006; Sanchez-Lavega и др., 2006), что указывает на стабильность движения циклона, также как на стабильность его теплого ядра.

Рис. 7. Зональные средние температуры в южной полярной области Сатурна, полученной из «Cassini» CIRS спектров (левые группы) (Флетчер и другие., 2008; Flasar и другие., 2004; Ирвин и другие., 2008). Промежуток между верхними и нижними группами возникает потому, что инструмент CIRS не чувствителен к  области 6-70 mbar. Температурные аномалии (правые группы) рассчитаны вычитанием зональных средних температур на широте −84º . Пунктирные вертикальные линии указывают внутреннюю и внешнюю стены глаза
    100-mbar и 200-mbar температурные карты на рис. 8 созданы по принятым CIRS одновременно с ISS изображениям 11 октября 2006г.  Они показывают горячую аномалию на полюсе той же самой силы, как и в 2005 году. 

Рис. 8. Температурная карта на 100-mbar уровне (левая группа) и температурная карта на 200-mbar уровне (правая группа), полученные из «Cassini» CIRS (Flasar и другие., 2004) наблюдений 11 октября 2006 г. в пространственном разрешении ~100 км/pixel. Температура показывается цветом. Обратите внимание на различные температурные цветовые масштабы для левых и правых групп. ISS 750-нм черно-белое изображение  фона было принято одновременно с температурной картой
    Температурная аномалия приблизительно на 1 K более сильна на уровне 100 mbar (левая группа рис. 8) чем на 200 mbar (правая группа рис. 8, обратите внимание на различный температурный масштаб). Более сильная 100-mbar аномалия в картографии с высоким разрешением в 2006г. неожиданна, потому что в 2005 данных с низкой разрешающей способностью (рис. 7) аномалия более сильна на 200 mbar. Это разногласие вероятно должно понизить пространственное и спектральное разрешение данных 2005 г., хотя это может быть реальное временное изменение в теплом ядре. И 100-mbar и 200-mbar карты показывают азимутальную асимметрию теплого ядра. Эта азимутальная асимметрия не имеет никакого очевидного соотношения с продолговатой формой внутреннего глаза  циклона (см. изображение ISS в фоне) или с маленькими облаками в пределах глаза. Однако при сравнении различных частей карт на рис. 8 должно быть учтено некоторое предостережение. Из-за искривления фигуры планеты и рассмотрения под наклоном различные точки на картах наблюдаются под различными углами эмиссии, и это может привести к различным зондируемым высотам (и поэтому различным температурам).
    Тепловой градиент в южном теплом ядре, как ожидается, с высотой ослабит циклоническое вращение. Например, вращение ослабело бы из-за теплого ветра во внутренней стене глаза (на широте  −89º) на ~10 м\с при изменении высоты от 400 mbar до 80 mbar. Неспособность ветров ослабить давление означает, что центробежная сила на больших высотах полностью не сбалансирована внутренней силой давления. Ослабление вращения для внешних частей циклона было бы меньше из-за меньших тепловых градиентов там. Такое ослабление необнаружимо в пределах интервала ошибки измерений скорости ветра. Из-за этого заключение о несбалансированном потоке в циклоне, предложенном Dyudina и др. (2008) вводит в заблуждение. Вместо признака несбалансированного потока, необнаружение ослабления обращения вероятно из-за погрешности в измерениях скорости ветра. Теплое ядро может быть из-за местного понижения атмосферного давления, которое создало бы сухие условия без облаков, наблюдаемые в видимых изображениях ISS.
    Группа точек данных VIMS может указывать на более сильные ветры в глубине. Точки данных  с большими ошибками между широтами −76º и −83º показывают намного более высокие скорости 40-80 м\с, чем точки VIMS, имеющие маленькую ошибку на тех же самых широтах, для которых величины  ниже на 20 м\с. Точки VIMS с маленькой ошибкой находятся в совершенном согласии с ISS наблюдениями, что вероятно следует из прослеживания тех же самых облаков, что и в ISS, на подобных высотах. 40-80 м\с точки могут отслеживать более глубокие облака, не видимые для ISS, т.е. эти ветры являются намного более быстрыми ветрами, чем 10 м\с,  ожидаемые от теплового баланса для ветра на этих широтах.
Таким образом, SPV – теплая поверхностная особенность с циклонической (по часовой стрелке) относительной угловой скоростью. Подобно земному урагану, она имеет глаз, облака стены глаза, и многослойные конвентивные облака вне глаза. Однако, ураганы существуют в тропиках не постоянно, и получают свою энергию из взаимодействия с поверхностью океана.
    По словам Ульяны Дюдиной, одна из самых больших загадок – это форма внутренней стены. В отличие от глаз большинства земных ураганов у глаза сатурнианского вихря вполне человеческая миндалевидная форма. По некоторым изображениям кажется, что уголки глаза с внешней стеной соединяет некое подобие спиральных ветвей. Тем не менее найти какие-либо следы радиальных движений облаков, которые могли бы сделать внешнее сходство циклона с водоворотом более содержательным, учёным не удалось.    Миндалевидные глаза встречаются и у земных циклонов, однако здесь несимметричность объяснить проще. Земные ураганы образуются, как правило, в тропиках, где есть преобладающее направление ветров, да и сама атмосфера нашей планеты очень неоднородна, в том числе и за счёт самих циклонов. Центр сатурнианского циклона расположен на оси вращения планеты, так что причина появления сплюснутой структуры (а она вращается со средней скоростью вращения планеты) остаётся неясной. И сравнение с Землёй здесь не помогает: на земных полюсах, напротив, присутствуют антициклоны. Южный полярный вихрь Сатурна отличается от арктического и антарктического полярных вихрей Земли, которые являются холодными поверхностными особенностями, и не связаны с облаками и/или конвекцией.
    Как подозревают авторы работы, у Южного полярного вихря Сатурна может быть другое, куда как более важное сходство с земными ураганами. Последние возникают над участками тёплой воды в океанах и свои разрушительные силы черпают именно из энергии испарившейся с поверхности океана воды. Скорее всего, считает Дюдина, вода имеет отношение и к образованию сатурнианского циклона. Хотя строить термодинамические модели атмосферы со всеми возможными химическими превращениями в них сложно, учёные полагают, что именно процессы, в которых участвует водяной пар, могут нагревать атмосферу близ южного полюса Сатурна и в конечном итоге приводить к появлению сильных ветров, закручивающихся вокруг глаза гигантского циклона. Дело в том, что H2O едва ли не единственная молекула в атмосфере Сатурна, способная в достаточном количестве участвовать в химических процессах с заметным на планетарных масштабах обменом энергии. Здесь есть также и аммиак, но его влияние заметно меньше. Тем не менее, между физикой циклонов на Земле и на Сатурне есть и принципиальная разница: на далёкой планете нет ничего, подобного поверхности земных океанов. Насколько позволяют заглянуть глаза земных астрономов, никакой поверхности, кроме всё новых и новых облачных слоёв, в глубине атмосферы Сатурна нет. Вероятно, переход к жидкой фазе где-то всё же случается, но происходит это постепенно и на разных глубинах для разных компонент атмосферы. Но увидеть этот переход не позволяет даже глаз урагана на полюсе.


Рис. 9.  Снимок с разрешением около 2 км/пиксель сделан 14 июля 2008 года с расстояния 392 тыс. км в диапазонах 617 и 750 нм. Предполагается, что на данном изображении видны конвекционные структуры, осуществляющие, в частности, транспортировку вырабатываемой в недрах планеты-гиганта энергии
    Так же, как конденсация воды в облаках земных ураганов создает вихрь, высокая температура, освобожденная при конденсации воды в Сатурнианских грозах глубоко внизу в атмосфере, может быть первичным источником мощи возбуждаемого вихря.


Рис. 10. Снимок разрешением около 4 км/пиксель был получен 15 июля 2008 года в инфракрасном диапазоне 746 и 938 нм. «Кассини» сделал снимок под углом 24 градуса к плоскости экватора планеты с расстояния 778 тыс. км. Видна структура водоворота в центре вихря. Изображение Cassini/NASA
    Новые инфракрасные изображения Южного полюса Сатурна, в условиях дневного света южного лета, показывают, что вся область отмечена сотнями темных пятен облаков. Облака, подобные тем, что находятся на Северном полюсе, являются вероятными проявлениями конвекции, подобных грозе процессов, некоторые из которых распространяются на 100 километров (62 мили) ниже облаков. Они, вероятно, состоят из гидросульфита аммония с возможной примесью материалов, поднимающихся с глубин. По контрасту, большинство туманов и облаков, замеченных на Сатурне, как считают, состоят из аммиака, который уплотняется наверху, становясь видимым с высотой.
    Дополнительные изображения Южного полюса от камер отображения «Кассини», полученные в середине июля 2008, являются в 10 раз более детальными, чем любые полученные прежде. «То, что напоминало распухшие облака в изображениях с более низким разрешением, оказывается, глубокие конвективные структуры, наблюдаемые через атмосферный туман», - сказал член команды отображения «Кассини» Тони Делдженио из института Годдарда НАСА в Нью-Йорке. – «Одна из них поднялась на большую высоту и создала ее собственный небольшой вихрь».
    «Глаз» вихря окружен внешним кольцом высоких облаков. Новые изображения также намекают на внутреннее кольцо облаков приблизительно в половину диаметра главного кольца, так что фактически ясная область «глаза»  меньшая ,чем он выглядит в более ранних изображениях с низкой разрешающей способностью.
    «Это походит на наблюдение глаза урагана», - говорит Эндрю Ингерсолл, член команды отображения «Кассини» в Калифорнийском Технологическом Институте, Пасадена. - «Это удивительно. Конвекция - важная часть бюджета энергии планеты, потому что теплый восходящий поток воздуха несет высокую температуру от поверхности. В земном урагане, конвекция происходит в стене глаза; глаз – область нисходящих потоков. Здесь же конвекция, кажется, происходит также и в глазу».
    Южный полярный вихрь Сатурна также отличается от Большого Красного Пятна Юпитера и белого овала, которые являются антициклонами с однородно высокими облаками в их центрах. Наблюдения не охватывают достаточно хорошо полюса Юпитера, чтобы можно было обнаружить там возможный вихрь.

Рис. 11. Эти цветные карты южного полюса Юпитера были построены из изображений, принятых узкоугольной камерой на борту космического корабля НАСА «Cassini» 11 и 12 декабря 2000 гhttp://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_539.html
    В некоторых отношениях, Южный полярный вихрь Сатурна похож на полярные вихри на Венере, которые являются циклонами и имеют теплые особенности на полюсах, хотя на южном полюсе Венеры он имеет форму диполя, имеет холодный воротник и не окружен конвективными облаками.

Южный полярный вихрь Венеры
Рис. 12. Это изображение «глаза урагана» на Венере было принято Видимым и Инфракрасным Тепловым Спектрометром Отображения (VIRTIS) на борту станции «Экспресс Венера». Эта картина показывает область в венерианской атмосфере приблизительно 60 км от поверхности, на длине волны приблизительно 5 микрометров. На снимке диполь принимает подобную глазу форму и можно видеть, как его форма быстро развивается в промежутке только 24 часов. Желтая точка на изображении указывает местоположение Южного полюса. (Credit: ESA/VIRTIS/INAF-IASF/Obs. de Paris-LESIA/Univ. of Oxford)
    Горячее полярное пятно в Южной полярной области Нептуна, недавно обнаруженное Orton и др. (2007), потенциально может быть таким аналогом. Атмосферное движение на полюсе  Нептуна могло бы быть подобно Сатурну, потому что это - также гигантская планета с глубокой атмосферой.
Подобно атмосфере Сатурна, атмосфера Нептуна нагрета по направлению от широты 70 ° к южному полюсу на высотах около 100 mbar.

Рис. 13. Южный полюс Нептуна в инфракрасном диапазоне волн 
    Хотя Orton и др. (2007) доказывают, что горячая точка в тропосфере на Южном полюсе Нептуна может быть из-за сезонного нагревания (он теперь находится в разгаре лета), вихрь, подобный SPV, также объяснил бы горячую точку. Тем не менее, увидеть полюса Нептуна во всех подробностях до сих пор никому не удавалось. Южный полярный вихрь Сатурна пока остаётся уникальным образованием в Солнечной системе.
          
    Северный полярный вихрь Сатурна (NPV)

    Несмотря на более чем  десятилетие зимней темноты, на Северном полюсе Сатурна неожиданно обнаружена горячая точка, замечательно подобная обнаруженной на освещенном солнечным  светом Южном полюсе планеты. Источник её высокой температуры - загадка. Первые детальные виды высоких широт газового гиганта от космического корабля «Cassini» показывают согласованный набор горячих циклонических вихрей, по одному на каждом полюсе. В то время как ученые уже знали о горячей точке на Южном полюсе Сатурна из предыдущих наблюдений в обсерватории им. W. М. Keck на Гавайях, вихрь на северном полюсе был неожиданностью. Исследователи сообщают об их результатах в выпуске журнала Наука от 4 января 2008 г.
    «Мы считали, что горячая точка на южном полюсе была связана с освещенными солнцем южными районами планеты», - сказал Гленн Ортон, старший ученый-исследователь из JPL, и исследователь команды на сложном инфракрасном спектрометре «Кассини». – «Так как Северный полюс был лишен солнечного света начиная с начала зимы в 1995г., мы не ожидали найти там подобную особенность». Инфракрасные данные показывают, что вихрь на затененном северном полюсе имеет почти такую же структуру и температуру, как и тот, что на солнечном Южном полюсе. Оба ядра показывают истечение газа фосфин (phosphine – PH3), неустойчивость, вероятно вызванную потоком, перемещающимся вниз в самую низкую часть атмосферы Сатурна, тропосферу. Полярные вихри, вероятно,  длительные и свойственные Сатурну части и не связаны с солнечным светом, получаемым или одним полюсом, или другим.
    «Горячие точки - результат перемещающихся по направлению к полюсу воздушных масс, сжатых и нагретых, поскольку они опускаются на полюсах в глубины Сатурна», - говорит Ли Флетчер, планетолог из Университета Оксфорд, Англия, и ведущий автор статьи в «Науке». - «Движущие силы, вызывающие и это движение, и действительно глобальное движение атмосферы Сатурна, все еще не поняты». Хотя они и подобны, две полярных области отличаются одним поразительным способом. На Северном полюсе недавно обнаруженный вихрь создан отличительным, долговечным и все еще необъясненным полярным шестиугольником. «Столь странных геометрически-правильных образований в атмосфере не наблюдалось ни на одной из планет», – заявил Кевин Бэйнс (Kevin Baines), специалист по атмосферным явлениям из JPL.
    Впервые изображения шестиугольника в видимом свете были получены космическим кораблем «Вояджер 2» НАСА почти 30 лет назад, когда последний раз началась весна на Северном полюсе Сатурна. Сближения с Сатурном произошли 12 ноября 1980г. для «Вояджера 1», и 25 августа 1981г., для «Вояджера 2». Правда, тогда шестиугольник ни разу не попал в один кадр полностью, да и разрешение съёмки было неважным. Кроме того, как обычно, эти снимки, как и снимки вихря на Северном полюсе Венеры, не стали достоянием широкой общественности. Новый этап изучения феномена начался уже в XXI веке с прибытием к Сатурну зонда «Cassini». Лишь теперь учёные получили возможность рассмотреть шестиугольник детальнее и во всей красе.  После того, как солнечный свет исчез, темнота окутала Северный полюс в течение 15 лет. Однако, к восхищению и озадаченности ученых «Cassini», местоположение и форма шестиугольника в самых последних изображениях совпадают с тем, что они видели на снимках «Вояджеров».

Рис. 14. Таинственный, имеющий форму шестиугольника, погодный паттерн вокруг Северного полюса Сатурна был сначала найден в изображениях от «Вояджера 2» (слева). «Cassini» получил снимки шестиугольника более высокого разрешения (типа того, что справа, принятого в 2009 г.) - которые сообщают ученым: шестиугольник остается замечательно устойчивой волной в одном из реактивных потоков и 30 годами позже. Изображения, из которых составлен этот кадр, были сняты «Cassini» с расстояния 764 тысячи километров от Сатурна. Центральная область мозаики осталась чёрной, поскольку на момент съёмки (в январе) она ещё не была освещена солнечными лучами (фото NASA/JPL/Space Science Institute)
    После «Вояджеров» осталось несколько тайн, которые «Cassini» еще не решил. Например, ученые обнаружили шестиугольный погодный паттерн, когда они сшили вместе изображения Вояджеров Северного полюса Сатурна. Этот паттерн сохранился практически в неизменном виде до наших дней и ученые все еще не поняли, какие же силы поддерживают шестиугольник. 

Рис. 15. Мозаика из снимков «Вояджера 1» и «Вояджера 2»
    «Долговечность шестиугольника делает его кое-чем специфическим, учитывая, что погодные явления на Земле длятся порядка нескольких недель», - сказал Кунио Сеянаги, член команды «Cassini» из Калифорнийского технологического института. - «Это - загадка в одной паре со странными погодными условиями, которые вызывают долговечное Большое Красное Пятно Юпитера».
Высокоскоростной циклонический вихрь, сосредоточенный на Северном полюсе Сатурна, был отображен визуальным - инфракрасным спектрометром картографии (VIMS) на борту Орбитального аппарата «Cassini-Huygens», показавшим, что тропосферы обоих полюсов Сатурна заняты циклоническими вихрями со скоростями ветра, превышающими 135 м/с. Высокое пространственное разрешение (200 км в pixel) изображений, в основном полученных при ночных условиях в течение полярной зимы Сатурна используя тепловое излучение диапазона 5.1 мкм, позволило получить изменяющиеся во времени образы дискретных, укоренившихся в глубине (давление 42.1 бар) особенностей в виде облаков, рассматриваемых в силуэте против внутренне произведенного теплового излучения Сатурна, классической циклонической структуры, с проградным (дующим в направлении вращения планеты) ветром до 135м/с и максимумом около 88.31° (планетоцентрической) широты, уменьшающимся однако до 30м/с около центра вихря на широте 89.71°, и до 20 м/с на широте 80.51°. 

Рис. 16. Скорость ветра вблизи северного полюса в зависимости от широты 
    Быстрые ветры, превышающие 125 м/с, были также измерены (рис.16 ) для 
особенностей типа облаков в глубине около 76.1° (планетоцентрической) широты в пределах полярного шестиугольника, что совместимо с идеей, что сам шестиугольник, который остается почти постоянным, является размножением волн Rossby на запад (ретроградным) – как было предложено Эллисон (1990, Science 247, 1061-1063) - с максимумом скорости волны ~25 м/с около давления  2 бар. Скорость ветра 25 м/с является более сильной, чем наблюдавшаяся «Вояджерами», предлагая временную изменчивость. Изображения одной стороны шестиугольника, полученные в условиях рассвета при окончании полярной зимы показывают, что шестиугольник все еще видим в отраженном свете почти 28 лет спустя после его открытия, что подобная структура с 3 углами наблюдается и в отраженном, и в тепловом свете, и что вершины облаков могут быть в шестиугольнике типично ниже, чем у дискретных особенностей в виде облаков вне его. Полярный циклон подобен и по размеру, и по форме циклону на Южном полюсе; первый отличается присутствием маленьких (~600 км в диаметре), почти сосредоточенных над полюсом облаков, вызванных ограниченным восходящим потоком. Множество дискретных, круглых облаков показывают точку полярной области с типичным диаметром 300-700 км. Эти круглые облака могут быть антициклоническими вихрями, вызванными бароклинной нестабильностьюбаротропной нестабильностью [см. приложение – Ф.Д.], влажной конвекцией или другими процессами. Существование циклонов на обоих полюсах Сатурна указывает, что циклоническое обращение может быть важным динамическим режимом на планетах с существенными атмосферами.

    [Приложение: «Бароклинная неустойчивость»

    Динамическая неустойчивость в основном (в общем, зональном) переносе в атмосфере, определяемая его бароклинностью, т. е. наличием меридионального градиента температуры и, следовательно, термического ветра; атмосфера находится при этом в квазигеострофическом равновесии и обладает статической устойчивостью. Волновые возмущения в основном переносе, соответствующие по длине подвижным циклонам и антициклонам, возрастают и превращаются в вихри вследствие преобразования лабильной (потенциальной и внутренней) энергии основного переноса в кинетическую энергию возмущений. В этом состоит сущность фронтального циклогенеза, поскольку зона фронта обладает особенно значительной бароклинностью.

    Динамическая неустойчивость двухмерного бездивергентного переноса воздуха, обусловленная распределением в нем завихренности. Необходимое условие Б. Н. - изменение знака завихренности, т. е. обращение ее в нуль, там, где горизонтальный сдвиг ветра имеет максимум. Кинетическая энергия возмущений основного переноса (баротропных возмущений) возрастает за счет кинетической энергии самого основного переноса.]  («Супервихри на полюсах Сатурна». Перевод Nikkro). http://artefact.mylivepage.ru/file/481/5585

    «Земля и Вселенная». Часть 18. «Супервихри на полюсах Сатурна (окончание)». http://artefact-2007.blogspot.com/2012/05/18.html

1 комментарий:

  1. Вихри могут привести к образованию массивных циклонов на Сатурне

    "За последнее десятилетие астрономы наблюдали любопытные "горячие точки" на полюсах Сатурна. В 2008 году космический аппарат НАСА «Кассини» передал на Землю близкие снимки этих горячих точек, выявляя их истинную природу – огромные циклоны, каждый шириной с Землю. Ученые подсчитали, что циклоны Сатурна могут достигать скорости до 500 километров в час.

    В то время как циклоны на Земле подпитываются теплом и влагой из океанов, на Сатурне не существует таких водоемов. Что же может быть причиной таких мощных и долговечных бурь?

    В статье, опубликованной вчера (15 июня) в журнале Nature Geoscience, атмосферные ученые из Массачусетского технологического института предложили возможный механизм полярных циклонов Сатурна: со временем, маленькие короткоживущие вихри, распространяющиеся по всей планете, могут вызвать момент импульса в атмосфере, что, в конечном итоге, приводит к разжиганию массивных и длительных циклонов на полюсах.

    Исследователи разработали простую модель атмосферы Сатурна, и смоделировали эффект нескольких небольших вихрей, образующихся по всей планете в течение долгого времени. Они отметили, что каждый вихрь втягивает воздух в направлении полюсов и вместе, это множество маленьких, изолированных вихрей могут накопить достаточно энергии атмосферы на полюсах, чтобы сгенерировать гигантский и долгоживущий циклон.

    Морган О'Нил (Morgan O'Neill), ведущий автор статьи и бывший аспирант Массачусетского технологического института, говорит, что модель может быть использована для оценки атмосферных условий на планетах за пределами Солнечной системы. Например, если ученые обнаруживают циклон, как горячую точку на далекой экзопланете, они будут способны оценить штормовую активность и общие атмосферные условия на всей планете". (16 июня 2015, 17:54:49). http://www.infuture.ru/article/13422

    ОтветитьУдалить