De noordpool vortex van Saturnus en de omliggende zeshoekige straalstroom, zoals gezien door NASA's Cassini-ruimtevaartuig op 25 april 2017.
(Afbeelding: © NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)
Wetenschappers gebruikten een grote roterende pot om de atmosfeer van Saturnus te simuleren, en ze hebben misschien ontdekt hoe de enorme poolstormen van de gasreus vorm krijgen.
Met windsnelheden die duizelingwekkende snelheden tot wel 1100 mph (1800 km / h) bereiken - in ons zonnestelsel kan alleen Neptunus winderiger zijn - en stormt zo groot als de aarde, de atmosfeer van Saturnus fascineert onderzoekers sinds ze er voor het eerst goed naar keken via observaties door NASA's dubbele Voyager-ruimtevaartuig in de vroege jaren tachtig.
In een paper die maandag (26 februari) in het tijdschrift Nature Geoscience werd gepubliceerd, gebruikte een team van onderzoekers de roterende pot om de atmosfeer van Saturnus beter te begrijpen en enkele beperkingen van meer conventionele methoden, zoals computermodellen, te overwinnen. [Prachtige foto's: Saturn's Weird Hexagon Vortex Storms]
"Er is heel weinig bekend over convectie en wervelingen in de diepe atmosfeer van gasreuzen Saturnus en Jupiter", zegt studieleider Yakov Afanasyev, een professor in experimentele oceanische en atmosferische vloeistofdynamica en numerieke modellering van geofysische stromingen aan de Memorial University of Newfoundland, in Canada . "Ons huidige begrip is gebaseerd op theorieën en behoorlijk geïdealiseerde computersimulaties, die de parameters van de echte planetaire atmosferen nog niet benaderen."
De 43-inch brede (110 centimeter) pot van het team, die enkele honderden liters water bevat, werd van onderen verwarmd om convectieprocessen in de lucht van Saturnus te simuleren.
Door de verwarming opgewarmd water steeg, terwijl oppervlaktewater, dat door verdamping werd gekoeld, naar de bodem zonk.
"We probeerden water turbulent te maken door het te verwarmen en te kijken hoe het zich gedraagt in de roterende tank, die de rotatie van de planeet simuleert," zei Afanasyev. "Geen enkel experiment, of computermodel wat dat betreft, kan een oceaan of atmosfeer van een planeet in al hun complexiteit modelleren. Wat we kunnen doen is de essentiële dynamiek modelleren."
Afanasyev zei dat teamleden niet helemaal zeker wisten wat ze zouden zien als ze aan het experiment begonnen.
'De focus van ons onderzoek is veranderd toen we meerdere kleine, tornado-achtige wervelingen in onze tank waarnamen', zei hij. 'De wervelingen lijken op die van ruimtevaartuigen in de atmosfeer van Saturnus.'
Afanasyev en zijn team waren vooral geïnteresseerd in de drijfveren voor het creëren van krachtige polaire wervelingen in het centrum van aanhoudende zeshoekige stormen die bekend zijn van beelden gemaakt door NASA's Cassini-ruimtevaartuig. Eerder onderzoek toonde aan dat deze zeshoekige stormen worden veroorzaakt door de straalstroom van Saturnus, zei Afanasyev.
De centrale orkaanachtige draaikolken waren echter raadselachtig; onderzoekers weten niet precies waarom ze op de polen voorkomen. Maar het pottexperiment suggereerde dat gigantische polaire orkanen het gevolg kunnen zijn van het samenvloeien van meerdere kleinere wervelingen in het poolgebied.
'Aan de paal ontstaat een sterke vortex als gevolg van fusies van kleinschalige cyclonen', schreven de onderzoekers in de paper. 'De polaire vortex dringt helemaal door naar de bodem en verandert daar de anticyclonische circulatie.'
Eerder onderzoek suggereerde dat kleinere cyclonen in andere delen van de planeet kunnen ontstaan en vervolgens naar de polen worden gedreven door de combinatie van rotatie en zwaartekracht.
'Onze experimenten gaven ons dit idee, maar we konden de poolcyclonen in onze tank niet zien', zei Afanasyev. 'Het is omdat we in ons experiment alleen een omgekeerde atmosfeer kunnen modelleren. De vortex zou zich op de bodem van de tank bevinden in plaats van aan de oppervlakte.'
De onderzoekers moesten de "sfeer in een pot" daarom digitaal op zijn kop zetten.
De combinatie van de twee benaderingen - de experimentele tank- en computermodellering - biedt de beste resultaten, omdat elke benadering alleen ernstige beperkingen heeft voor het simuleren van het gedrag van planetaire atmosferen, zei Afanasyev.
