Турбулентные реактивные потоки, области атмосферы, в которой ветер дует намного быстрее, чем в близлежащих областях, пронизывают атмосферу Сатурна, путешествуя по широтам. В течение десятилетий шла работа в попытках понять причину и механизм возникновения этих вихрей. Основным секретом оставался источник энергии для этих мощных потоков.

В новом исследовании, опубликованном в одном из самых престижных в области планетологии журналов – Икаре – представлен анализ снимков зонда Кассини, собранных им в течение нескольких лет. Основной вывод исследования – внутренний источник энергии турбулентных вихрей. Конденсация воды в атмосфере Сатурна, вызванная внутренним теплом планеты, приводит к перепадам температуры в атмосфере. Эти различия, в свою очередь, приводят к появлению вихрей – возмущений, заставляющих воздух метаться туда-сюда на одной широте. Это движение захватывает близлежащие слои атмосферы, создавая вихри. Надо отметить, что альтернативная гипотеза предполагает другой источник энергии – Солнце, и также уверенно объясняет процесс, при этом основываясь на аналогии с Землей.

«Мы знаем, что атмосферы газовых гигантов, таких как Сатурн и Юпитер, могут получать энергию от двух источников – от Солнца или от внутренних источников тепла. Основной сложностью была разработка методики анализа данных, которая позволила бы уловить различия в процессах, вызванных двумя этими источниками», – говорит Тони дель Женио, сотрудник Института космических исследований имени Годдарда (совместная лаборатория Центра космических полетов имени Годдарда и Колумбийского университета), первый автор опубликованной работы и один из сотрудников, занятых в регулярной работе со снимками Кассини.

Исследование оказалось возможным потому, что зонд Кассини уже провел на орбите около Сатурна много времени. Огромное количество данных, собранных аппаратом, делает возможным выделять в атмосферных структурах планетах дневные колебания погоды. «Понимание процессов, движущих метеорологические события на Сатурне и газовых гиганта вообще, было одной из основных задач с самого момента запуска зонда Кассини, – говорит Кэролин Порко, сотрудница Института космических исследований в Болдере, глава группы обработки изображений Кассини. – Поэтому для нас очень приятно видеть, что мы наконец приближаемся к пониманию атмосферных процессов, одновременно похожих и отличных от Земных».

Вместо того, чтобы иметь тонкую атмосферу и твердую с жидким поверхность, Сатурн – газовый гигант, чья толстая атмосфера имеет множество слоев, каждый верхний – со своим собственным плотным облачным покровом. Несколько реактивных потоков пересекают самый верх атмосферы, доступный оптическим наблюдениям, и слои на небольшой глубине, доступные инфракрасным наблюдениям. Большая часть потоков перемещается на восток, но есть и такие, что дуют на запад. Одно объединяет эти потоки – они появляются в местах, где перепад температур между соседними высотами велик.

Благодаря фильтрам камеры Кассини, чувствительных в ближней инфракрасной области, удалось впервые наблюдать вихри Сатурна на двух соседних высотах вблизи экватора. Снимок через один фильтр показывает верхние слои тропосферы, верхний слой атмосферы, в котором Кассини видит толстые туманы, и который сильно нагревается Солнцем. Через другой фильтр видны более глубокие слои, верхи облаков ледяного аммиака. В этих слоях нагрев Солнцем незначителен, но именно здесь и начинают все погодные явления гиганта. Здесь же конденсируется вода, создающая обычные водяные облака и дожди. Анализ облаков проводился при помощи автоматизированного программного обеспечения, способного просмотреть сотни снимков, собранных с 2005 до 2012 года.

«При помощи нашего улучшенного алгоритма анализа облаков, мы сумели выделить около 120000 векторов движения ветра на 560 снимках, что дало нам невиданное богатство данных о ветрах Сатурна на двух разных высотах», – говорит соавтор Джон Барбара из Института космических исследований имени Годдарда. Кроме данного конкретного исследования, собранные данные могут широко использоваться для проверки существующих моделей атмосферы и механизмов атмосферы гиганта.

Впервые изучив, как вихри ускоряют близлежащие массы воздуха на двух разных высотах, ученые определили, что выше в атмосфере вихри намного слабее, хотя именно на них приходится большая часть энергии, даваемой Солнцем. Глубже в атмосфере потоки оказались сильнее. Так что излучение Солнца можно исключить из числа факторов, дающих энергию для вихрей, и, одновременно, предложить на это место внутренние источники Сатурна. Механизм, который лучше всего подходит для объяснения процесса – внутреннее тепло Сатурна, испаряющее воду. В какой-то момент, поднимаясь, пар конденсируется, создавая облака и дождь. Этот процесс вызывает циркуляцию воздуха, перерастающую в вихри.

Конденсация воды не наблюдалась непосредственно, большая часть этого процесса происходит на низких высотах, уже недоступных Кассини. Но конденсация в штормах на средних высотах – типичный процесс и для Земли. Разница только в том, что на Земле это вызвано теплом Солнца, а на Сатурне – его собственным.