science >> Wetenschap >  >> Astronomie

De vreemde stormen op Jupiter

(Klik voor animatie) Onder enkele experimentele omstandigheden, en op Jupiter, cyclonische stormen stoten elkaar af, in plaats van te fuseren. Krediet:California Institute of Technology

Op de zuidpool van Jupiter schuilt een opvallend gezicht - zelfs voor een gasreuzenplaneet bedekt met kleurrijke banden met een rode vlek die groter is dan de aarde. Beneden nabij de zuidpool van de planeet, meestal verborgen voor de nieuwsgierige blikken van mensen, is een verzameling wervelende stormen gerangschikt in een ongewoon geometrisch patroon.

Sinds ze voor het eerst werden gespot door NASA's Juno-ruimtesonde in 2019, de stormen hebben wetenschappers iets van een mysterie gepresenteerd. De stormen zijn analoog aan orkanen op aarde. Echter, op onze planeet, orkanen verzamelen zich niet bij de polen en draaien om elkaar heen in de vorm van een vijfhoek of zeshoek, net als de merkwaardige stormen van Jupiter.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam dat werkt in het laboratorium van Andy Ingersoll, Caltech hoogleraar planetaire wetenschap, heeft ontdekt waarom de stormen van Jupiter zich zo vreemd gedragen. Ze deden dit met behulp van wiskunde afgeleid van een bewijs geschreven door Lord Kelvin, een Britse wiskundige natuurkundige en ingenieur, bijna 150 jaar geleden.

Ingersoll, die lid was van het Juno-team, zegt dat de stormen van Jupiter opmerkelijk veel lijken op de stormen die de oostkust van de Verenigde Staten elke zomer en herfst teisteren, alleen op veel grotere schaal.

"Als je onder de wolkentoppen ging, je zou waarschijnlijk vloeibare waterdruppels vinden, wees gegroet, en sneeuw, " zegt hij. "De wind zou orkaankracht zijn. Orkanen op aarde zijn een goede analogie van de individuele wervels binnen deze arrangementen die we op Jupiter zien, maar er is hier niets zo verbluffend mooi."

Zoals op aarde, De stormen van Jupiter hebben de neiging zich dichter bij de evenaar te vormen en dan naar de polen af ​​te drijven. Echter, De orkanen en tyfoons van de aarde verdwijnen voordat ze zich te ver van de evenaar wagen. Jupiter gaat gewoon door totdat ze de polen bereiken.

"Het verschil is dat op aarde orkanen zonder warm water komen te zitten en ze komen in continenten terecht, " zegt Ingersoll. Jupiter heeft geen land, "Dus er is veel minder wrijving omdat er niets is om tegen te wrijven. Er is gewoon meer gas onder de wolken. Jupiter heeft ook warmte over van zijn vorming die vergelijkbaar is met de warmte die het van de zon krijgt, dus het temperatuurverschil tussen de evenaar en de polen is niet zo groot als op aarde."

Echter, Ingersoll zegt, deze verklaring verklaart nog steeds niet het gedrag van de stormen zodra ze de zuidpool van Jupiter hebben bereikt, wat ongebruikelijk is, zelfs in vergelijking met andere gasreuzen. Saturnus, die ook een gasreus is, heeft een enorme storm aan elk van zijn polen, in plaats van een geometrisch gerangschikte verzameling stormen.

(Klik voor animatie) Onder sommige gesimuleerde omstandigheden, en op Saturnus, cyclonale stormen versmelten met elkaar in plaats van elkaar af te stoten Credit:California Institute of Technology

Het antwoord op het mysterie waarom Jupiter deze geometrische formaties heeft en andere planeten niet, Ingersoll en zijn collega's ontdekten, in het verleden te vinden was, specifiek in het werk uitgevoerd in 1878 door Alfred Mayer, een Amerikaanse natuurkundige, en Lord Kelvin. Mayer had zwevende cirkelmagneten in een plas water geplaatst en waargenomen dat ze zichzelf spontaan in geometrische configuraties zouden rangschikken, vergelijkbaar met die op Jupiter, met vormen die afhing van het aantal magneten. Kelvin gebruikte de waarnemingen van Mayer om een ​​wiskundig model te ontwikkelen om het gedrag van de magneten te verklaren.

"In de 19e eeuw, mensen dachten na over hoe draaiende stukjes vloeistof zichzelf zouden rangschikken in polygonen, ", zegt Ingersoll. "Hoewel er veel laboratoriumonderzoeken waren naar deze vloeibare polygonen, niemand had eraan gedacht dat op een planetair oppervlak toe te passen."

Om dit te doen, het onderzoeksteam gebruikte een reeks vergelijkingen die bekend staan ​​als de ondiepwatervergelijkingen om een ​​computermodel te bouwen van wat er op Jupiter zou kunnen gebeuren, en begon simulaties uit te voeren.

"We wilden de combinatie van parameters onderzoeken die deze cyclonen stabiel maken, " zegt Cheng Li (Phd '17), hoofdauteur en 51 Pegasi b postdoctoraal onderzoeker aan UC Berkeley. "Er zijn gevestigde theorieën die voorspellen dat cyclonen de neiging hebben om samen te smelten aan de pool als gevolg van de rotatie van de planeet en dat is wat we vonden in de eerste proefritten."

Eventueel, echter, het team ontdekte dat zich een Jupiter-achtige stabiele geometrische opstelling van stormen zou vormen als de stormen elk werden omringd door een ring van winden die in de tegenovergestelde richting draaide van de draaiende stormen, of een zogenaamde anticyclonale ring. De aanwezigheid van anticyclonale ringen zorgt ervoor dat de stormen elkaar afstoten, in plaats van te fuseren.

Stormen verzamelden zich op de zuidpool van Jupiter, zoals afgebeeld door de Juno-sonde. Krediet:NASA-JPL/Caltech

Ingersoll zegt dat het onderzoek wetenschappers kan helpen beter te begrijpen hoe het weer op aarde zich gedraagt.

"Andere planeten bieden een veel breder scala aan gedragingen dan wat je op aarde ziet, " hij zegt, "Dus je bestudeert het weer op andere planeten om je theorieën te testen."

De krant, getiteld, "Het modelleren van de stabiliteit van veelhoekige patronen van draaikolken op de polen van Jupiter zoals onthuld door het Juno-ruimtevaartuig, " verschijnt in het nummer van 8 september van de Proceedings van de National Academy of Sciences.