Сатурн прищурил глаз

Пять лет назад земные телескопы обнаружил странную аномалию вблизи южного полюса Сатурна. На протяжении тысяч километров в разные стороны от полюса атмосфера планеты оказалась на несколько градусов теплее, чем окружающие её регионы. Вскоре учёные поняли, что речь может идти о мощном вихре, расположенном на полюсе окольцованной планеты, и в 2005 году данные космического аппарата Cassini подтвердили: вокруг оси Сатурна в сторону, противоположную вращению планеты, крутится сильнейший вихрь, чем-то похожий на многократно увеличенный в размерах земной тропический циклон.

Однако мало кто ожидал, что сходство с земными ураганами будет настолько полным. По результатам новых наблюдений, у этого циклона имеется даже «глаз бури», ограниченный высокими стенами из облаков. Внутри одного лишь этого глаза способен поместиться любой земной вихрь: его внешняя граница составляет более 4 тысяч километров в поперечнике. Обнаружен этот объект был ещё осенью 2006 года, однако тогда астрономы сказать что-либо осмысленное ещё не могли, ограничиваясь восхищёнными комментариями по поводу его уникальности.

Выпускница Московского университета Ульяна Дюдина, ныне работающая в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) в американской Пасадене, и её коллеги, занимающиеся объяснением данных, поступающих с Cassini, завершили обработку данных о глазе южного полярного вихря Сатурна. Результаты этой работы представлены в последнем выпуске журнала Science.

Подобно глазам некоторых земных циклонов, глаз циклона у южного полюса Сатурна ограничен двумя стенами облаков – внутренней и внешней. Скорость ветра в вихре, простирающемся от полюса до 80-й параллели, к внешней стене достигает 150 м/c, или свыше 500 км/ч, после чего начинает падать. Угловая скорость вращения вихря составляет около 1/3 от скорости вращения самого Сатурна, так что для аэростата, попавшего в этот вихрь, день длился бы в полтора раза дольше.

За внешней стеной диаметром 4200 км расположена внутренняя, диаметр которой составляет 2400 км. В пределах внутренней стены видно не так много деталей, поэтому скорость ветра здесь оценить сложно, однако по тем немногим мелким облакам, что там всё же плавают, понятно, что она падает как минимум до 70 м/c, а возможно, и ещё ниже.

11 октября 2006 года, когда Cassini пролетал мимо южного полюса Сатурна, на там продолжался полярный день, длина которого превышает 14 земных лет. Косые лучи Солнца падали на полярную область под углом примерно в 15 градусов, и облачные стены отбрасывали хорошо заметные тени на подстилающие их облака. Это и позволило оценить высоту этих стенок. Как оказалось, внешняя стена возвышается примерно на 40 км. Внутренняя ещё внушительней – высота её оценивается примерно в 70 км, хотя может достигать и сотни. Характерная шкала высот в атмосфере Сатурна – около 40 км, и облачные стены поднимаются над тропопаузой.

По словам Ульяны Дюдиной, одна из самых больших загадок – это форма внутренней стены.

В отличие от глаз большинства земных ураганов у глаза сатурнианского вихря вполне человеческая миндалевидная форма. По некоторым изображениям кажется, что уголки глаза с внешней стеной соединяет некое подобие спиральных ветвей. Тем не менее найти какие-либо следы радиальных движений облаков, которые могли бы сделать внешнее сходство циклона с водоворотом более содержательным, учёным не удалось.

Миндалевидные глаза встречаются и у земных циклонов, однако здесь несимметричность объяснить проще. Земные ураганы образуются, как правило, в тропиках, где есть преобладающее направление ветров, да и сама атмосфера нашей планеты очень неоднородна, в том числе и за счёт самих циклонов. Центр сатурнианского циклона расположен на оси вращения планеты, так что причина появления приплюснутой структуры (а она вращается со средней скоростью вращения планеты) остаётся неясной. И сравнение с Землёй здесь не помогает: на земных полюсах, напротив, присутствуют антициклоны.

Как подозревает автор работы, у южного полярного вихря Сатурна может быть другое, куда как более важное сходство с земными ураганами. Последние возникают над участками тёплой воды в океанах и свои разрушительные силы черпают именно из энергии испарившейся с поверхности океана воды.

Скорее всего, считает Дюдина, вода имеет отношение и к образованию сатурнианского циклона.

Хотя строить термодинамические модели атмосферы со всеми возможными химическими превращениями в них сложно, учёные полагают, что именно процессы, в которых участвует водяной пар, могут нагревать атмосферу близ южного полюса Сатурна и в конечном итоге приводить к появлению сильных ветров, закручивающихся вокруг глаза гигантского циклона. Дело в том, что H₂O едва ли не единственная молекула в атмосфере Сатурна, способная в достаточном количестве участвовать в химических процессах с заметным на планетарных масштабах обменом энергии. Здесь есть также и аммиак, но его влияние заметно меньше.

Тем не менее, обращает внимание астроном, между физикой циклонов на Земле и на Сатурне есть и принципиальная разница: на далёкой планете нет ничего, подобного поверхности земных океанов.

Покуда позволяют следить глаза земным астрономам, никакой поверхности, кроме всё новых и новых облачных слоёв, в глубине атмосферы Сатурна нет. Вероятно, переход к жидкой фазе где-то всё же случается, но происходит это постепенно и на разных глубинах для разных компонент атмосферы, большую часть которой составляет водород. Но увидеть этот переход не позволяет даже глаз урагана на полюсе: он позволяет взгляду астрономов проникнуть ещё лишь на 40-80 км вглубь.

Южный полярный вихрь Сатурна пока остаётся уникальным образованием в Солнечной системе. На земных полюсах располагаются антициклоны, у Меркурия полноценной атмосферы нет, да и у Марса она едва заметна.

Устойчивый циклон вблизи южного полюса Венеры недавно нашла межпланетная станция Venus Express, однако видимый на её полюсе «глаз» можно таковым назвать лишь из-за его внешнего вида. Вместо безмятежности и спокойствия в земных «глазах бури», глаз венерианского полярного вихря – самая переменчивая его часть, способная полностью поменять свой внешний вид за несколько дней.

Сатурнианский вихрь практически не изменился за три последних года, говорит Дюдина, хотя на Сатурне началась смена сезонов: в южное полушарие пришла осень, и «глаз» Сатурна уже почти отвернулся от Солнца, а значит, и от Земли.

На других планетах-гигантах найти полярные вихри пока не удалось. Полярные области Юпитера остаются плохо исследованными – ничего подобного аппарату Cassini вблизи планеты сейчас нет. У Урана, единственной планеты Солнечной системы, полюс которой мы можем очень хорошо разглядеть с Земли (Уран обращается вокруг Солнце, «лёжа на боку»), ничего подобного разглядеть до сих пор не удалось, хотя, по данным Ульяны Дюдиной, поиски активно ведутся. Есть указания на возможность наличия полярного урагана у Нептуна: температура его полярных районов, в точности как у Сатурна, повышена на несколько градусов. Тем не менее увидеть полюса Нептуна во всех подробностях пока никому не удавалось.

И в ближайшее время не удастся: единственным космическим аппаратом, способным изучать полярные области хотя бы одной планеты-гиганта, остаётся Cassini. На сколько лет хватит его ресурса, сейчас сказать никто не может. В ближайшее время запланированы ещё несколько облётов полярных областей, и учёные намерены выжать из них максимум пользы, пообещала Ульяна Дюдина.