木星と土星の極地の天気は惑星の内部の詳細を示唆する |マサチューセッツ工科大学ニュース

長年にわたって、通過する宇宙船は木星と土星の極での神秘的な気象パターンを観察してきました。 2 つの惑星には、非常に異なるタイプの極渦が存在します。極渦とは、惑星の極地域上で回転する巨大な大気の渦です。土星では、単一の巨大な極渦が奇妙な六角形で北極を覆っているように見えますが、木星では、中央の極渦が、渦巻くシナモンロールの鍋のように、8つの小さな渦に囲まれています。

両方の惑星が多くの点で類似していること、つまり大きさがほぼ同じで、同じガス元素でできていることを考えると、極地の気象パターンの明確な違いは長年の謎でした。

今回、MIT の科学者たちは、2 つの異なるシステムがどのように進化したのかについて考えられる説明を特定しました。彼らの発見は、科学者が惑星の表面の気象パターンだけでなく、雲の下、内部の奥深くに何があるのかを理解するのに役立つ可能性がある。

今週の雑誌に掲載された研究では、 米国科学アカデミーの議事録、チームは、巨大ガス惑星上のランダムな刺激からよく組織化された渦パターンが形成されるさまざまな方法をシミュレーションしました。巨大ガス惑星とは、木星や土星のような、大部分がガス状元素で構成される大きな惑星です。研究チームは、考えられるさまざまな惑星構成の中で、場合によっては流れが合体して土星のパターンに似た単一の大きな渦になる一方、他のシミュレーションでは木星の渦に似た複数の大きな循環が生じることを発見した。

シミュレーションを比較した結果、研究チームは、渦のパターン、および惑星が極渦を 1 つまたは複数発生させるかどうかは、最終的に 1 つの主要な特性、つまり渦の底部の「柔らかさ」に起因することを発見しました。これは、内部構成に関連しています。科学者たちは、個々の渦を、惑星の多くの大気層を通って回転する渦巻く円筒に例えています。この渦巻く円筒の底部がより柔らかく軽い素材で作られている場合、進化する渦は非常に大きくなることができます。最終的なパターンでは、木星のような複数の小さな渦が可能になります。対照的に、渦の基部がより硬くて密度の高い物質でできている場合、渦はさらに大きくなり、その後他の渦を飲み込み、土星のモンスターサイクロンに似た単一の巨大な渦を形成する可能性があります。

「私たちの研究は、内部の性質と渦の底の柔らかさに応じて、表面で観察される流体パターンの種類に影響を与えることを示しています」と、研究著者でMIT地球大気惑星科学部（EAPS）の助教授Wanying Kang氏は言う。 「これらの惑星の表面の流体パターンと内部の性質を結び付けた人は誰もいないと思います。考えられるシナリオの 1 つは、土星の底が木星よりも硬いということです。」

この研究の筆頭著者はMIT大学院生のジアル・シー氏だ。

スピンアップ

Kang と Shi の新作は、ジュノーとカッシーニのミッションで撮影された木星と土星の画像からインスピレーションを得たものです。 NASA のジュノー探査機は 2016 年から木星の周りを周回しており、木星の北極とその複数の渦巻きの驚くべき画像を撮影しました。これらの画像から科学者らは、木星のそれぞれの渦は巨大で、直径約 3,000 マイル (地球自体の幅のほぼ半分) に及ぶと推定しました。

カッシーニ探査機は、2017 年に土星の大気圏で意図的に燃え尽きるまで、13 年間にわたって土星の環状惑星を周回していました。土星の北極の観測では、幅約 18,000 マイルの単一の六角形の極渦が記録されました。

「人々は木星と土星の違いを解読するのに多くの時間を費やしてきました」とシー氏は言う。 「これらの惑星はほぼ同じ大きさで、どちらも主に水素とヘリウムでできています。なぜ極渦がこれほど異なるのかは不明です。」

Shi と Kang は、ある惑星が単一の渦を進化させながら、他の惑星が複数の渦を発生させる理由を説明する物理的メカニズムの特定に着手しました。これを行うために、彼らは表面流体力学の 2 次元モデルを使用しました。極渦は本質的に 3 次元ですが、木星と土星の高速回転により回転軸に沿った均一な運動が強制されるため、研究チームは渦の進化を 2 次元で正確に表現できると推論しました。

「高速回転システムでは、流体の動きが回転軸に沿って均一になる傾向があります」と Kang 氏は説明します。 「そこで、流体パターンは 3D では変化しないため、3D 力学問題を 2D 問題に還元できるという考えが私たちの動機となりました。これにより、問題のシミュレーションと研究が何百倍も速くなり、コストが安くなります。」

底に到達する

この推論に従って、研究チームは、渦巻く流体が時間の経過とともにどのように進化するかを記述する既存の方程式に基づいて、巨大ガス惑星での渦進化の 2 次元モデルを開発しました。

「この方程式は、地球上の中緯度サイクロンのモデル化など、多くの場面で使用されています」とカン氏は言います。 「私たちはこの方程式を木星と土星の極地域に適応させました。」

研究チームは二次元モデルを適用して、さまざまなシナリオの下で巨大ガス惑星上で流体が時間の経過とともにどのように進化するかをシミュレーションしました。各シナリオで、チームは惑星の大きさ、回転速度、内部加熱、回転流体の柔らかさや硬さなどのパラメータを変更した。次に、流体が最初に惑星の表面全体にランダムなパターンで流れるランダムな「ノイズ」条件を設定しました。最後に、シナリオの特定の条件を考慮して、流体が時間の経過とともにどのように変化するかを観察しました。

複数の異なるシミュレーションを通じて、一部のシナリオは土星のような単一の大きな極渦を形成するように進化する一方、他のシナリオは木星のように複数の小さな極渦を形成することを観察しました。各シナリオのパラメータと変数の組み合わせと、それらが最終結果にどのように関係するかを分析した後、彼らは、単一の渦が進化するのか複数の渦が進化するのかを説明する単一のメカニズムにたどり着きました。ランダムな流体の動きが個々の渦に合体し始めると、渦が成長できるサイズは渦の底の柔らかさによって制限されます。渦の底で回転しているガスが柔らかい、または軽いほど、最終的に渦は小さくなり、木星の場合と同様に、惑星の極に複数のより小規模な渦が共存することが可能になります。

逆に、渦の底が硬く、密度が高いほど、システムは大きくなり、最終的には土星のような単一の惑星規模の渦として惑星の曲率に従うことができるサイズまで成長することができます。

このメカニズムが実際に両方のガス巨人に作用しているのであれば、木星はより柔らかくて軽い物質でできている可能性があり、土星は内部により重い物質を抱えている可能性があることを示唆するでしょう。

「表面から見えるもの、つまり木星と土星の流体パターンは、底がどれほど柔らかいかなど、内部について何かを教えてくれるかもしれません」とシー氏は言う。 「そして、これは重要です。なぜなら、おそらく土星の表面の下では、内部はより金属が豊富で、より多くの凝縮性物質が含まれているため、木星よりも強い成層が可能になるからです。」

「木星と土星はそれ以外の点では非常に似ているため、極地の天気の違いが謎になっています」とワイツマン科学研究所の地球物理流体力学の教授であり、ジュノー計画の科学チームのメンバーであるヨハイ・カスピ氏は言う。 「シー博士とカン博士の研究は、これらの違いと惑星の深部内部の『柔らかさ』との間の驚くべき関連性を明らかにし、大気を形成する主要な内部特性をマッピングする新しい方法を提供します。」

この研究は、Mathworks フェローシップと MIT 地球大気惑星科学部門からの寄付金によって部分的に支援されました。