На Юпитере и Сатурне экваториальные ветры дуют на восток, совпадая с направлением вращения планет, тогда как на Нептуне и Уране они движутся на запад. До недавнего времени это различие объясняли особенностями внутреннего строения этих планет. Однако новые исследования показали, что за этим явлением стоит единый физический механизм.

Строение и атмосфера гигантов

Газовые гиганты Солнечной системы — Юпитер и Сатурн — состоят преимущественно из водорода и гелия. В их недрах из-за высокого давления газы постепенно переходят в жидкое состояние, а мощные внутренние источники тепла заставляют их атмосферы буквально «кипеть» изнутри. В отличие от них, ледяные гиганты Уран и Нептун содержат меньше водорода и гелия, но больше воды, метана и аммиака. Их внутренние слои плотнее и холоднее, а собственное тепловое излучение значительно слабее, особенно у Урана.

Причины циркуляции атмосферы

Ранее устойчивую циркуляцию атмосферы у газовых гигантов связывали с внутренними потоками тепла, а у Урана и Нептуна — с влиянием солнечного излучения. Для справки: ветры на планетах-гигантах достигают скоростей около 300 метров в секунду на Сатурне и 400 метров в секунду на Нептуне.

Новый взгляд на атмосферные потоки

Недавняя научная работа, опубликованная в журнале Science Advances, показала, что оба типа атмосферных потоков могут быть проявлением одного и того же механизма — глубинной конвекции. Этот процесс заключается в перемешивании тепла в атмосфере или жидкости за счет циркуляции. К такому выводу пришли планетологи, разработав универсальную модель, которая показала, что конвекционные потоки («колонны»), формирующиеся в недрах планет под действием вращения, могут наклоняться в разные стороны, определяя направление ветра у экватора.

Международная исследовательская группа под руководством Керен Дур-Милнер из Института Вейцмана (Израиль) применила трёхмерную численную модель, воспроизводя атмосферные течения за счёт подъёма горячего вещества из недр планет-гигантов вверх.

Универсальность механизма

Поскольку, кроме наклона конвекционных «колонн», все остальные физические параметры оставались неизменными, учёные впервые продемонстрировали, что даже при одинаковых физических условиях атмосфера может стабилизироваться в одном из двух состояний — с восточным или западным ветром на экваторе.

Переход между этими состояниями зависит от глубины конвективного слоя: более глубокие оболочки характерны для Юпитера и Сатурна, а мелкие — для Урана и Нептуна. В промежуточном диапазоне возможны оба варианта, а исход определяется случайными флуктуациями начальной турбулентности. Моделирование также позволило выявить наличие экваториальных волн, движущихся в противоположных направлениях в зависимости от типа вращения, что, по мнению планетологов, указывает на универсальный механизм этих процессов.

Значение исследования

Таким образом, авторы нового исследования объединили динамику атмосфер четырёх планет-гигантов и получили необходимые инструменты для изучения аналогичных процессов в недрах далеких миров и звёзд.