Научные сотрудники Университета Страны Басков (UPV / EHU), Политехнического университета Каталонии—BarcelonaTech (UPC) и Барселонского суперкомпьютерного центра (CNS-BSC) проанализировали исторические наблюдения, начиная с 17 века, и разработали численные модели для объяснения долговечности и природы Большого красного пятна на Юпитере.
Будучи популярным символом среди объектов Солнечной системы, Большое красное пятно Юпитера (GRS), вероятно, является наиболее известной атмосферной структурой. Его большой размер (прямо сейчас его диаметр равен диаметру Земли) и контраст его красноватого цвета с бледными облаками планеты делают его объектом, который легко увидеть даже в небольшие телескопы.
Большое красное пятно Юпитера представляет собой огромный антициклонический вихрь, по периферии которого распространяются ветры со скоростью 450 км / ч. Это самый крупный и долгоживущий вихрь среди всех существующих в атмосферах планет Солнечной системы, но его возраст является предметом дискуссий, и механизм, приведший к его образованию, остается неясным.
Предположения о происхождении GRS восходят к первым телескопическим наблюдениям, сделанным астрономом Джованни Доменико Кассини, который в 1665 году обнаружил темный овал на той же широте, что и GRS, и назвал его "Постоянным пятном" (PS), поскольку оно наблюдалось им и другими астрономами до 1713 года.
Впоследствии астрономы потеряли его след на 118 лет, и только в 1831 году и более поздние годы С. Швабе снова наблюдал четкую структуру примерно овальной формы на той же широте, что и GRS; это можно рассматривать как первое наблюдение текущего GRS, возможно, зарождающегося GRS.
С тех пор GRS регулярно наблюдается с помощью телескопов и различными космическими миссиями, посещавшими планету, вплоть до сегодняшнего дня.
В ходе исследования авторы сначала проанализировали эволюцию его размера с течением времени, его структуру и движения обоих метеорологических образований, бывших PS и GRS; для этого они использовали исторические источники, датируемые серединой 17 века, вскоре после изобретения телескопа.
"Из измерений размеров и движений мы пришли к выводу, что крайне маловероятно, что нынешнее GRS было PS, наблюдаемым G. D. Cassini. PS, вероятно, исчез где-то между серединой 18 и 19 веками, и в этом случае мы можем сказать, что продолжительность существования Красного пятна сейчас превышает как минимум 190 лет ", - объяснил Агустин Санчес-Лавега, профессор физики UPV / EHU и руководивший этим исследованием.
Красное пятно, размер которого в 1879 году по самой длинной оси составлял 39 000 км, уменьшилось примерно до нынешних 14 000 км и одновременно стало более округлым.
Более того, с 1970-х годов несколько космических миссий внимательно изучали это метеорологическое явление.
Недавно "различные приборы на борту миссии Juno, находящейся на орбите вокруг Юпитера, показали, что GRS неглубокая и тонкая по сравнению с ее горизонтальным размером, поскольку по вертикали она имеет длину около 500 км", - объяснил Санчес-Лавега.
Чтобы выяснить, как мог образоваться этот огромный вихрь, команды UPV / EHU и UPC провели численное моделирование на испанских суперкомпьютерах, таких как MareNostrum IV BSC, входящий в состав Испанской суперкомпьютерной сети (RES), используя два типа взаимодополняющих моделей поведения тонких вихрей в атмосфере Юпитера.
На планете-гиганте преобладают интенсивные ветровые течения, которые текут вдоль параллелей, чередующихся в своем направлении с широтой.
К северу от GRS ветры дуют в западном направлении со скоростью 180 км / ч, в то время как к югу они дуют в противоположном направлении, в восточном направлении, со скоростью 150 км / ч. Это создает огромный сдвиг скорости ветра с севера на юг, который является основным компонентом, позволяющим вихрю расти внутри него.
В ходе исследования был изучен ряд механизмов, объясняющих происхождение ОТО, включая извержение гигантской сверхштормы, подобной тем, которые редко наблюдаются на планете-близнеце Сатурн, или слияние множества вихрей меньшего размера, вызванных сдвигом ветра.
Результаты показывают, что, хотя в обоих случаях образуется антициклон, он отличается по форме и динамическим свойствам от нынешних ОТО.
"Мы также считаем, что если одно из этих необычных явлений имело место, то оно или его последствия в атмосфере должны были наблюдаться астрономами в то время и о них должны были сообщить астрономы", - сказал Санчес-Лавега.
В третьей серии численных экспериментов исследовательская группа исследовала генерацию ОТО в результате известной нестабильности ветров, которая, как считается, способна образовывать вытянутую ячейку, которая окружает и улавливает их. Такая ячейка могла бы представлять собой прото-GRS, зарождающееся Красное пятно, последующее сжатие которого привело бы к появлению компактных и быстро вращающихся GRS, наблюдавшихся в конце 19 века. Образование крупных вытянутых ячеек уже наблюдалось при возникновении других крупных вихрей на Юпитере.
"В наших симуляциях суперкомпьютеры позволили нам обнаружить, что удлиненные ячейки стабильны, когда они вращаются по периферии GRS со скоростью ветров Юпитера, как и следовало ожидать, когда они формируются из-за этой нестабильности", - сказал Энрике Гарсия-Мелендо, исследователь физического факультета UPC.
Используя два различных типа численных моделей, одну в UPV / EHU, а другую в UPC, исследователи пришли к выводу, что если скорость вращения ПРОТОГР ниже скорости вращения окружающих ветров, ПРОТОГР распадутся, что сделает невозможным образование стабильного вихря. И, если оно очень велико, свойства протогравидарных ОТО отличаются от свойств нынешних ОТО.
Целью будущих исследований будет попытка воспроизвести уменьшение ОТО с течением времени, чтобы более детально выяснить физические механизмы, лежащие в основе его устойчивости с течением времени.
В то же время будет предпринята попытка предсказать, распадется ли GRS и исчезнет, когда достигнет предельного размера, как могло произойти с PS Кассини, или оно стабилизируется на предельном размере, при котором оно может сохраняться еще много лет.
Источник: Geophysical Research Letters, Университет Страны Басков
На картах моделирования ниже:
Численное моделирование происхождения Большого красного пятна в результате сверхшторма и слияния вихрей. Карты потенциальной завихренности PV на мелководье (SW) и модели EPIC
Дополнительные материалы
