Многоугольники на полюсах Сатурна: почему ветер идет по линейке

Сегодняшняя картинка дня – вид на Сатурн строго сверху, точнее снизу: мы смотрим прямо на южный полюс планеты. Вокруг темного центра расходятся концентрические полосы облаков, а у границы самой темной области проступает контур, у которого можно пересчитать стороны. Их десять.

Про сам десятиугольник мы подробно писали в новостях (На южном полюсе Сатурна выросла десятиугольная волна) – как его заметили, чем он отличается от знаменитого северного шестиугольника и почему южный полюс так долго не удавалось рассмотреть. Здесь разберем вопрос: почему полюса Сатурна вообще получаются геометрическими? Газ не умеет чертить по линейке, у ветра нет ни углов, ни вершин – а фигура выходит почти правильной.

Почему струйное течение идет зигзагом, а не по кругу

Начать надо с того, чего на снимке не видно. Никакой отдельной шестиугольной или десятиугольной «конструкции» в атмосфере нет. Есть струйное течение – кольцевой ветровой поток, опоясывающий планету по определенной широте, вроде земных струйных течений, только гораздо мощнее и устойчивее.

Ключевое здесь – контраст скоростей. Внутри потока газ несется со скоростью около сотни метров в секунду, а по обе стороны от него движется заметно медленнее. Получается сдвиговый слой: две среды скользят друг вдоль друга с разной скоростью. Такая конфигурация в природе почти никогда не бывает устойчивой. Ровная граница между быстрым и медленным течением стремится смяться – физики называют это баротропной неустойчивостью.

Смявшись, граница не превращается в хаос. Вдоль потока выстраивается цепочка вихрей: с внешней стороны одни, с внутренней – другие, и они попеременно поджимают струю то к полюсу, то от него. Струя начинает петлять. Если посмотреть на такую петляющую струю сверху, вершины изгибов соединятся в замкнутую фигуру с почти прямыми сторонами. Многоугольник – это не облако и не вихрь, это форма траектории ветра.

Почему на севере шесть сторон, а на юге десять

Число сторон ниоткуда не следует. Оно определяется тем, сколько волн умещается по окружности данной широты при данной скорости потока – и меняется, если поменять условия.

Это проверили буквально руками. В Оксфорде собрали установку: цилиндрический бак около 60 сантиметров в поперечнике и 10 сантиметров глубиной, заполненный водой и вращающийся целиком, а внутри – кольцо, вращающееся с другой скоростью. Кольцо создает ровно то, что нужно: сдвиговый слой между быстрой и медленной жидкостью. Дальше в воду добавляли краситель и смотрели, что получится.

Получались многоугольники. И их форма зависела от настроек: меняя скорость вращения и ширину потока, экспериментаторы получали фигуры с разным числом сторон – в одном из опытов вышел семиугольник, на одну сторону больше, чем у Сатурна. Шестерка не сакральна, она просто хорошо подходит северному потоку на его широте.

Арифметику можно прикинуть и для новой южной фигуры. Средняя длина волны, которую намерили авторы открытия, – около 16 780 километров. Окружность Сатурна на широте 63 градуса составляет примерно 166 тысяч километров. Делим одно на другое и получаем без малого десять. Именно столько волн туда влезает – отсюда и десятиугольник.

У Юпитера тоже многоугольники, но устроены они иначе

Соблазнительно решить, что у всех газовых гигантов полюса геометрические по одной причине. Это не так, и разница показательна.

Зонд Juno, впервые заглянувший на полюса Юпитера, обнаружил там правильные конструкции из отдельных циклонов: на севере восемь штук вокруг одного центрального, на юге – пять вокруг центрального (в 2019 году к южной пятерке ненадолго присоединился шестой). Соедините их центры – получите восьмиугольник и пятиугольник.

Но это принципиально другой объект. У Юпитера многоугольник складывают самостоятельные вихри, стоящие кольцом и почему-то не сливающиеся друг с другом. У Сатурна многоугольник – это волна на одном непрерывном потоке, и отдельных бурь в вершинах нет. Заодно у Сатурна на каждом полюсе сидит один-единственный крупный вихрь вместо юпитерианской «розетки». Похожая геометрия, совершенно разная механика.

Устоит ли новая фигура

Северный шестиугольник продержался больше сорока лет: его нашли на снимках «Вояджеров», сделанных в 1980–1981 годах, хотя описали заметно позже, и с тех пор он пережил и смену сезонов, и сатурнианский год целиком, не потеряв формы.

Десятиугольник ведет себя иначе. До 2023 года его не было ни на одном снимке, форма пока неровная, а структура прямо сейчас усиливается. Возможно, поток разболтала неустойчивость в его собственных верхних слоях, возможно – темный антициклон, сидящий севернее. Что из этого верно, покажут дальнейшие наблюдения «Хаббла» и «Джеймса Уэбба».

И вот здесь у нас появляется редкая возможность. Гексагон астрономы застали уже готовым и с тех пор только фиксировали его постоянство. Десятиугольник впервые дает шанс проследить гигантскую атмосферную структуру от рождения – и либо до превращения в такую же стабильную фигуру, либо до полного исчезновения. Оба варианта одинаково ценны.