Der Nordpolarwirbel des Saturn und das umgebende Jet-Stream-Sechseck, gesehen vom Cassini-Raumschiff der NASA am 25. April 2017.
(Bild: © NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)
Wissenschaftler verwendeten einen großen rotierenden Topf, um die Atmosphäre des Saturn zu simulieren, und sie haben möglicherweise herausgefunden, wie die massiven Polarstürme des Gasriesen Gestalt annehmen.
Mit Winden, die atemberaubende Geschwindigkeiten von bis zu 1.800 km / h erreichen - in unserem Sonnensystem kann nur Neptun windiger sein - und Stürmen von der Größe der Erde hat die Saturnatmosphäre die Forscher fasziniert, seit sie sie zum ersten Mal genau gesehen haben durch Beobachtungen des Zwillingsraumfahrzeugs Voyager der NASA in den frühen 1980er Jahren.
In einem Artikel, der am Montag (26. Februar) in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht wurde, nutzte ein Forscherteam den rotierenden Topf, um die Saturnatmosphäre besser zu verstehen und einige der Einschränkungen herkömmlicherer Methoden wie der Computermodellierung zu überwinden. [Atemberaubende Fotos: Saturns seltsame Hexagon-Wirbelstürme]
"Über Konvektion und Wirbel in den tiefen Atmosphären der Gasriesen Saturn und Jupiter ist sehr wenig bekannt", sagte Studienleiter Yakov Afanasyev, Professor für experimentelle ozeanische und atmosphärische Fluiddynamik und numerische Modellierung geophysikalischer Strömungen an der Memorial University of Newfoundland in Kanada . "Unser derzeitiges Verständnis basiert auf Theorien und idealisierten Computersimulationen, die sich den Parametern der realen Planetenatmosphäre noch nicht nähern."
Der 43 Zentimeter breite Topf des Teams, der mehrere hundert Liter Wasser fasst, wurde von unten erwärmt, um konvektive Prozesse in der Luft des Saturn zu simulieren.
Das durch die Heizung erwärmte Wasser stieg an, während das durch Verdunstung gekühlte Oberflächenwasser nach unten sank.
"Wir haben versucht, Wasser durch Erhitzen turbulenter zu machen und zu sehen, wie es sich im rotierenden Tank verhält, der die Rotation des Planeten simuliert", sagte Afanasyev. "Kein Experiment oder Computermodell kann einen Ozean oder eine Atmosphäre eines Planeten in all ihrer Komplexität modellieren. Wir können die wesentliche Dynamik modellieren."
Afanasyev sagte, die Teammitglieder seien sich nicht ganz sicher, was sie zu Beginn des Experiments sehen würden.
"Der Schwerpunkt unserer Studie hat sich geändert, als wir mehrere kleine, tornadoähnliche Wirbel in unserem Tank beobachteten", sagte er. "Die Wirbel ähneln denen, die von Raumfahrzeugen in der Saturnatmosphäre beobachtet werden."
Afanasyev und sein Team waren besonders daran interessiert, was die Entstehung mächtiger Polarwirbel antreibt, die sich im Zentrum anhaltender sechseckiger Stürme befinden, die aus Bildern bekannt sind, die vom Cassini-Raumschiff der NASA aufgenommen wurden. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass diese sechseckigen Stürme durch den Saturnstrahl verursacht werden, sagte Afanasyev.
Die zentralen Hurrikan-ähnlichen Wirbel waren jedoch rätselhaft; Forscher sind sich nicht sicher, warum sie an den Polen auftreten. Das Topfversuch deutete jedoch darauf hin, dass riesige polare Hurrikane das Ergebnis mehrerer kleinerer Wirbel sein könnten, die in der polaren Region verschmelzen.
"Durch Zusammenschlüsse kleiner Zyklone entsteht am Pol ein starker Wirbel", schrieben die Forscher in der Arbeit. "Der polare Wirbel dringt bis zum Boden vor und verändert dort die antizyklonale Zirkulation."
Frühere Untersuchungen deuteten darauf hin, dass kleinere Zyklone in anderen Bereichen des Planeten entstehen und anschließend durch die Kombination von Rotation und Schwerkraft zu den Polen getrieben werden können.
"Unsere Experimente haben uns auf diese Idee gebracht, aber wir konnten die polaren Wirbelstürme in unserem Tank nicht sehen", sagte Afanasyev. "Das liegt daran, dass wir in unserem Experiment nur eine auf dem Kopf stehende Atmosphäre modellieren können. Der Wirbel würde sich eher am Boden des Tanks als an der Oberfläche befinden."
Die Forscher mussten daher die "Atmosphäre in einem Topf" digital auf den Kopf stellen.
Die Kombination der beiden Ansätze - die experimentelle Tank- und Computermodellierung - liefert die besten Ergebnisse, da jeder Ansatz allein ernsthafte Einschränkungen für die Simulation des Verhaltens von Planetenatmosphären aufweist, sagte Afanasyev.
