Geometryczne układy cyklonów na biegunach Jowisza

Znane wszystkim pasy równoleżnikowe Jowisza, ustępują miejsca geometrycznie ułożonym formacjom cyklonów na biegunach planety. Sonda Juno dostarczyła kolejnego odkrycia - ułożone w wielokąty foremne burze na obu biegunach planety zaskoczyły naukowców, bo nie przypominają niczego podobnego w Układzie Słonecznym.

Pierwsze bliskie spotkanie z biegunami Jowisza


Bieguny Jowisza to niezbadany do tej pory obszar tej planety. Pochylona jedynie nieco ponad 1 stopień względem ekliptyki planeta nie odkrywa przed obserwatorami na Ziemi swoich biegunów. Niewiele o biegunach powiedziały nam też misje robotyczne. Ich trajektorie nie oddalały się zbytnio od płaszczyzny równika. Dopiero wysłana w 2011 roku sonda Juno - drugi w historii orbiter tej planety - miała przed nami odkryć co znajduje się na wysokich szerokościach planety.

Zobacz też: Spojrzenie w głąb Jowisza rozwiązuje zagadkę jego pasów

Dzięki zdjęciom sondy Juno wykonanym w świetle widzialnym i podczerwieni po raz pierwszy zobaczyliśmy, że na biegunach Jowisza występują stałe, ułożone w wielokąty foremne ogromne cyklony. Na północnym biegunie osiem wirów okrąża jeden większy środkowy, na biegunie południowym jeden cyklon polarny jest z kolei otoczony pięcioma innymi.

Naukowców nie zaskakuje samo występowanie cyklonów w okolicach polarnych. Pływy strefowe, obserwowane poprzez charakterystyczne pasy są wywołane dwuwymiarowymi turbulencjami w połączeniu z siłą Coriolisa, o charakterystycznych właściwościach dla tak dużych planet. Słabną jednak one wraz ze zbliżaniem się do biegunów planety. Tak jest choćby na Saturnie, tak można wnioskować też z modeli stworzonych na komputerach. Cyklon są też siłami natury ściągane do rejonów polarnych. Co natomiast zaskakuje to fakt, w jaki sposób te cyklony układają się w trwałe formy, nie łącząc się ze sobą.

Polarne cyklony w świetle widzialnym i podczerwieni


Jedno ze zdjęć bieguna południowego przetworzonych na bazie obrazu uzyskanego przez sondę Juno podczas 11. bliskiego przelotu. Źródło: David Marriott/NASA.

Sonda Juno weszła na orbitę wokół Jowisza w sierpniu 2016 roku. Orbiter miał po wejściu na wstępną orbitę uruchomić swój silnik, by obniżyć się do naukowej pozycji o okresie obiegu 14 dni wokół planety. Niestety podczas testów zaworów helu w systemie napędowym sondy, okazało się, że otwierają się one w kilka minut zamiast kilku sekund. To spowodowało, że postanowiono nie ryzykować utraty statku odpaleniem silnika i ten pozostał na wysoko eliptycznej orbicie o okresie obiegu wynoszącym 53 dni.

Geometria początkowo wstępnej, a teraz już ostatecznej orbity nie odbiega kształtem od tej naukowej, ale statek prowadzi pomiary znacznie rzadziej niż początkowo planowano. Co 53 dni sonda obniża się na wysokość około 4000 km nad górnymi warstwami chmur planety i przechodząc od bieguna do bieguna na około 2 godziny uruchamia wtedy wszystkie instrumenty naukowe, by sondować największą planetę krążącą wokół Słońca.

Zobacz też: Pierwsze zdjęcia z przelotu Juno nad Wielką Czerwoną Plamą

Opisywane tutaj obserwacje zawdzięczamy dwóm urządzeniom na sondzie: kamerze na podczerwień JIRAM i kamerze na światło widzialne JunoCam. Kiedy naukowcy spojrzeli na zdjęcia w tym widzialnym dla człowieka spektrum, nic nie wskazywało na zaskoczenie - turbulencje polarne, występowanie cyklonów (w przeciwieństwie do antycyklonów na niższych szerokościach - jak np. słynna Wielka Czerwona Plama). Dopiero obrazy z światła w podczerwieni, przystosowanego by zaglądać w atmosferę planety ujawniło stabilne i symetryczne układy, o których tak głośno.

Dokładniejsze spojrzenie na geometrię polarnych cyklonów


Wygenerowany komputerowo obraz bieguna północnego Jowisza, stworzony dzięki danym z kamery JIRAM, która uzyskała podczerwony obraz regionu polarnego planety 2 lutego 2017 roku. Źródło: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM.

Północny Cyklon Polarny (nazwany NPC - z ang. Northern Polar Cyclone) ma średnicę 4000 km i jest przesunięty względem osi obrotu planety o około 0,5 stopnia. Wokół niego dostrzeżemy aż osiem cyklonów, ułożonych na wierzchołkach dwóch kwadratów, przesuniętych względem siebie o 45 stopni. Wszystkie te cyklony mają podobne rozmiary, sięgające od 4000 km do 4600 km. Na zdjęciu można zauważyć spiralne ramiona wszystkich cyklonów, które oddziałują poza swoim centrum i słabną w środku. Te bardziej oddalone cyklony otaczające charakteryzują się dużym pokryciem chmur wewnątrz, wewnętrzne rejony tych bliżej położonych cyklonów zdają się bardziej zróżnicowane.


Wygenerowany komputerowo obraz bieguna południowego Jowisza. Podobnie jak wcześniejszy obraz, został stworzony dzięki danym z kamery JIRAM, która uzyskała podczerwony obraz regionu polarnego planety podczas przelotu 2 lutego 2017 roku. Źródło: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM.

Na południowym biegunie Południowy Cyklon Polarny (SPC, z ang. Southern Polar Cyclone) jest otoczony pięcioma innymi, ułożonymi w formę pięciokąta foremnego. Wszystkie mają podobne rozmiary, większe od tych występujących na północy: 5600 - 7000 km. Wnętrza cyklonów nie różnią się między sobą tak bardzo jak w przypadku północnych cyklonów. Cyklon SPC jest też nieco bardziej przesunięty względem osi rotacji planety (o około 1-2 stopni).

Jak interpretować kolory kamery na podczerwień? Działa ona na paśmie, przystosowanym, by badać pokrycie chmurami. Wyżej umieszczone wizualizacje mają odwrócone kolory dla ułatwienia interpretacji. Tam, gdzie widzimy chłodniejsze kolory cyklony powinny mieć stosunkowo mniejszą pokrywę chmur, co umożliwia dotarcie do kamery promieniowania termalnego z głębszych miejsc Jowisza. Widać przy tym zgodność pomiędzy obrazami z kamery na światło widzialne i podczerwień. Tam gdzie JunoCam wskazuje ciemniejsze miejsca, JIRAM pokazuje również ciemniejszy kolor, a więc więcej chmur na dużych wysokościach, blokujących głębokie rejony jowiszowej atmosfery.


Biegun południowy Jowisza wykonany z pięciu połączonych zdjęć kamery JunoCAM (5 bliski przelot). Źródło: Isabela de Gois Laufer/NASA.

Niezmienność w burzliwym regionie


Bazując na seriach zdjęć wykonanych przez urządzenia sondy Juno, naukowcom udało się oszacować dynamikę struktur burzowych jak również rotacje samych cyklonów.

Obserwując wyróżniające się chmury w obrębie każdego cyklonu udało się ocenić prędkości ich rotacji w odległości około 1500 km od środka każdego z nich. Tak też na północnym biegunie cyklony osiągają prędkości 150 - 350 km/h, a na biegunie północnym 200 - 330 km/h.

Wykorzystując dane z kilku bliskich przelotów udało się też ocenić jak środki cyklonów otaczających główne cyklony polarne poruszają się w nieco szerszych ramach czasowych. I tak jakbyśmy patrzyli na biegun północny od góry, zaobserwowalibyśmy chaotyczną rotację raz w jedną raz w drugą stronę, ale tempo tej rotacji nie przekraczałoby kilku stopni na dwa miesiące obserwacji. Co innego widzielibyśmy na biegunie południowym. Przynajmniej w analizowanym czasie cyklony wokół SPC obracały się o około 1 stopień co 53 dni obserwacji przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Co jeszcze ukrywa Jowisz?


Jak zwykle nowe zaskakujące odkrycia przysparzają kolejnych pytań. Pierwsze z nich, to dlaczego układy cyklonów nie rotują wokół swoich środków. Zgodnie z Twierdzeniem Stokesa wirowość w centrum tego układu powinna powodować taką samą cyrkulację samych cyklonów wokół. Drugie pytanie, to czemu układy te utrzymują się i nie łączą? Być może dalsze obserwacje wykażą jakieś zmiany, jednak przez układ na obu biegunach utrzymywał się przez 7 miesięcy i w tym czasie nie powstały, żadne nowe duże struktury w ich obrębie.

Zobacz też: Sonda Juno 10. raz ogląda z bliska Jowisza

Jowisz nie przestaje nas zaskakiwać, a to dopiero wnioski z trzeciej części całej zasadniczej fazy misji Juno.

Źródło: Nature/NASA

Więcej informacji:

Na zdjęciu: Obraz północnego bieguna Jowisza złożony z danych z detektora JIRAM na podczerwień. Źródło: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM.