De langlevende internationale Cassini-missie heeft een verrassend kenmerk onthuld aan de noordpool van Saturnus terwijl het de zomer nadert:een opwarming, hooggelegen vortex met een zeshoekige vorm, verwant aan de beroemde zeshoek die dieper in de wolken van Saturnus wordt gezien. Dit suggereert dat de zeshoek op lagere hoogte invloed kan hebben op wat er boven gebeurt, en dat het een torenhoge constructie zou kunnen zijn die honderden kilometers hoog is.

Toen Cassini in 2004 bij het Saturnus-stelsel aankwam, het zuidelijk halfrond genoot van de zomer, terwijl het noorden midden in de winter was. Het ruimtevaartuig bespioneerde een brede, warm, draaikolk op grote hoogte op de zuidpool van Saturnus, maar geen enkele op de noordpool van de planeet.

Een nieuwe langetermijnstudie heeft nu de eerste glimpen gesignaleerd van een noordelijke polaire vortex die zich hoog in de atmosfeer vormt toen het noordelijk halfrond van Saturnus de zomer naderde. Deze warme draaikolk zit honderden kilometers boven de wolken, in een atmosfeerlaag die bekend staat als de stratosfeer, en onthult een onverwachte verrassing.

"De randen van deze nieuw ontdekte vortex lijken zeshoekig te zijn, precies overeenkomend met een beroemd en bizar hexagonaal wolkenpatroon dat we dieper in de atmosfeer van Saturnus zien, " zegt Leigh Fletcher van de Universiteit van Leicester, VK, hoofdauteur van de nieuwe studie.

"Hoewel we verwachtten een soort vortex te zien aan de noordpool van Saturnus toen het warmer werd, zijn vorm is echt verrassend. Ofwel is een zeshoek spontaan en identiek op twee verschillende hoogten ontstaan, een lager in de wolken en een hoog in de stratosfeer, of de zeshoek is in feite een torenhoge structuur die een verticaal bereik van enkele honderden kilometers overspant."

De wolkenniveaus van Saturnus herbergen het grootste deel van het weer op aarde, inclusief de reeds bestaande noordpoolzeshoek. Deze functie werd in de jaren tachtig ontdekt door NASA's Voyager-ruimtevaartuig en wordt al tientallen jaren bestudeerd; het is een langdurige golf die mogelijk verband houdt met de rotatie van Saturnus, een soort fenomeen dat ook op aarde wordt gezien in structuren zoals de Polar Jet Stream.

Zijn eigenschappen werden in detail onthuld door Cassini, die het in meerdere golflengten heeft waargenomen - van ultraviolet tot infrarood - met behulp van instrumenten, waaronder de Composite Infrared Spectrometer (CIRS). Echter, aan het begin van de missie kon dit instrument niet verder omhoog kijken in de noordelijke stratosfeer, met temperaturen rond de -158 graden Celsius - zo'n 20 graden te koud voor betrouwbare CIRS-infraroodwaarnemingen - waardoor deze hoger gelegen gebieden jarenlang relatief onontgonnen bleven.

"Een Saturnus jaar omvat ongeveer 30 aardse jaren, dus de winters zijn lang, " voegt co-auteur Sandrine Guerlet van Laboratoire de Météorologie Dynamique toe, Frankrijk.

"Saturnus begon pas in 2009 uit de diepten van de noordelijke winter te komen, en geleidelijk opgewarmd toen het noordelijk halfrond de zomer naderde."

Een vreemd proces in de atmosfeer van Saturnus versnelde deze opwarming:toen de lucht bij de noordpool zonk, de bovenste zeshoek warmde steeds sneller op, en het transport van lucht naar beneden maakte de overvloed van verschillende kleinere soorten geconcentreerder. Door de verhoogde temperatuur konden Fletcher en collega's de polaire vortex in infrarood licht bestuderen.

"We konden het CIRS-instrument gebruiken om voor het eerst de noordelijke stratosfeer te verkennen, vanaf 2014, " voegt Guerlet toe. "Naarmate de polaire vortex steeds zichtbaarder werd, we merkten dat het zeshoekige randen had, en beseften dat we de reeds bestaande zeshoek op veel grotere hoogten zagen dan eerder werd gedacht."

Dit geeft aan dat de twee polen van Saturnus zich heel anders gedragen - er was geen zeshoek aan de zuidpool, ofwel op de wolkentoppen of daarboven, toen het in het begin van de missie van Cassini tijdens de zuidelijke zomer werd waargenomen. De noordelijke draaikolk is ook lang niet zo volwassen als de zuidelijke draaikolk, omdat het koeler is, en vertoont een andere dynamiek dan zijn zuidelijke tegenhanger.

"Dit zou kunnen betekenen dat er een fundamentele asymmetrie is tussen de polen van Saturnus die we nog moeten begrijpen, of het zou kunnen betekenen dat de noordpoolvortex zich nog steeds aan het ontwikkelen was in onze laatste waarnemingen en dit bleef doen na de ondergang van Cassini, ", voegt Fletcher toe. De Cassini-missie kwam in september 2017 ten einde.

De aanwezigheid van een zeshoek hoog in de noordelijke stratosfeer van Saturnus, honderden kilometers boven de wolken, suggereert dat er nog veel meer te leren valt over de dynamiek in de atmosfeer van de gasreus.

Een, torenhoge zeshoekige structuur die zich door de atmosfeer uitstrekt, zou onwaarschijnlijk zijn, aangezien de windomstandigheden aanzienlijk veranderen met de hoogte. Echter, door de atmosferische eigenschappen in de noordelijke regio te onderzoeken, Fletcher en collega's hebben ook vastgesteld dat golven zoals de zeshoek zich niet naar boven zouden kunnen voortplanten - ze zouden gevangen moeten blijven in de wolkentoppen, zoals eerder gedacht.

"Een manier waarop golf-'informatie' naar boven kan lekken, is via een proces dat evanescentie wordt genoemd, waar de sterkte van een golf afneemt met de hoogte, maar bijna sterk genoeg is om nog steeds tot in de stratosfeer te blijven bestaan, " legt Fletcher uit. "We moeten gewoon meer weten. Het is behoorlijk frustrerend dat we deze stratosferische zeshoek pas aan het einde van Cassini's levensduur hebben ontdekt."

Begrijpen hoe en waarom de noordpoolvortex van Saturnus een zeshoekige vorm heeft aangenomen, zal licht werpen op hoe fenomenen dieper in een atmosfeer de omgeving hoog bovenin kunnen beïnvloeden. iets dat van bijzonder belang is voor wetenschappers die proberen te achterhalen hoe energie wordt getransporteerd in planetaire atmosferen.

Het noordpoolgebied van Saturnus zal zich naar verwachting de komende jaren blijven ontwikkelen; het noordelijk halfrond passeerde de zomerzonnewende in mei 2017, en ligt op schema voor zijn herfst-equinox in 2024.

"De noordelijke zeshoek van Saturnus is een iconisch kenmerk van een van de meest charismatische leden van het zonnestelsel, dus om te ontdekken dat het nog steeds grote mysteries bevat, is erg opwindend, " zegt Nicolas Altobelli, ESA Project Scientist voor de Cassini-Huygens-missie.

"Het Cassini-ruimtevaartuig bleef tot het einde nieuwe inzichten en ontdekkingen bieden. Zonder een capabel ruimtevaartuig als Cassini, deze mysteries zouden onontgonnen zijn gebleven. Het laat zien wat er kan worden bereikt door een internationaal team dat een geavanceerde robotverkenner naar een voorheen onontgonnen bestemming stuurt - met resultaten die blijven stromen, zelfs als de missie zelf is geëindigd."