Yıllar boyunca, geçen uzay araçları Jüpiter ve Satürn'ün kutuplarında gizemli hava olayları gözlemledi. İki gezegen, gezegenin kutup bölgesinde dönen devasa atmosferik girdaplar olan kutup girdaplarının çok farklı türlerine ev sahipliği yapıyor. Satürn'de, tek bir devasa kutup girdabı, kuzey kutbunu ilginç bir şekilde altıgen bir şekille kaplıyor gibi görünürken, Jüpiter'de merkezi bir kutup girdabı, dönen tarçınlı çörekler gibi sekiz küçük girdapla çevrilidir.
İki gezegenin de birçok açıdan benzer olduğu göz önüne alındığında — yaklaşık olarak aynı boyutta olmaları ve aynı gaz elementlerinden oluşmaları — kutup bölgelerindeki hava koşullarındaki belirgin farklılık uzun zamandır bir gizem olmuştur.
MIT bilim insanları, iki farklı sistemin nasıl evrimleşmiş olabileceğine dair olası bir açıklama belirlediler. Bulguları, bilim insanlarının yalnızca gezegenlerin yüzey hava modellerini değil, aynı zamanda bulutların altında, iç kısımlarının derinliklerinde neler olabileceğini de anlamalarına yardımcı olabilir.
Bu hafta Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde yayınlanan bir çalışmada, ekip, gaz devlerinde rastgele uyarımlar sonucunda iyi organize edilmiş girdap desenlerinin oluşabileceği çeşitli yolları simüle etti. Gaz devi, Jüpiter ve Satürn gibi çoğunlukla gaz elementlerinden oluşan büyük bir gezegendir. Çok çeşitli olası gezegen konfigürasyonları arasında, ekip bazı durumlarda akımların Satürn'ün desenine benzer şekilde tek bir büyük girdap halinde birleştiğini, diğer simülasyonların ise Jüpiter'in girdaplarına benzer şekilde birden fazla büyük dolaşım ürettiğini buldu.
Simülasyonları karşılaştırdıktan sonra, ekip girdap desenlerinin ve bir gezegenin bir veya birden fazla kutup girdabı geliştirip geliştirmemesinin tek bir temel özelliğe bağlı olduğunu buldu: girdabın tabanının "yumuşaklığı", ki bu da iç bileşimle ilgilidir. Bilim insanları, tek bir girdabı, bir gezegenin birçok atmosferik katmanında dönen bir silindire benzetiyor. Bu dönen silindirin tabanı daha yumuşak, daha hafif malzemelerden oluştuğunda, gelişen herhangi bir girdap ancak belirli bir büyüklüğe ulaşabilir. Son desen daha sonra Jüpiter'dekine benzer şekilde birden fazla küçük girdaba izin verebilir. Buna karşılık, bir girdabın tabanı daha sert, daha yoğun maddelerden oluşursa, çok daha büyük büyüyebilir ve daha sonra diğer girdapları içine alarak Satürn'deki devasa siklona benzer tek bir büyük girdap oluşturabilir.
MIT Yer, Atmosfer ve Gezegen Bilimleri Bölümü'nde (EAPS) yardımcı doçent olan çalışmanın yazarı Wanying Kang, "Çalışmamız, girdabın iç özelliklerine ve tabanının yumuşaklığına bağlı olarak, yüzeyde gözlemlenen akışkan deseninin türünü etkileyeceğini gösteriyor" diyor. "Yüzeydeki akışkan deseni ile bu gezegenlerin iç özellikleri arasında bu bağlantıyı kuran daha önce kimse olduğunu sanmıyorum. Olası bir senaryo, Satürn'ün tabanının Jüpiter'den daha sert olması olabilir."
Çalışmanın ilk yazarı MIT yüksek lisans öğrencisi Jiaru Shi'dir.
Dönüyor
Kang ve Shi'nin yeni çalışması, Juno ve Cassini görevleri tarafından çekilen Jüpiter ve Satürn görüntülerinden ilham almıştır. NASA'nın Juno uzay aracı 2016'dan beri Jüpiter'in yörüngesinde dönüyor ve gezegenin kuzey kutbunun ve çok sayıda girdabının çarpıcı görüntülerini yakaladı. Bilim insanları bu görüntülerden yola çıkarak, Jüpiter'in girdaplarının her birinin yaklaşık 3.000 mil genişliğinde, yani Dünya'nın neredeyse yarısı kadar olduğunu tahmin ediyorlar.
Cassini uzay aracı, 2017'de Satürn'ün atmosferinde kasıtlı olarak yanarak imha edilmeden önce, halkalı gezegenin yörüngesinde 13 yıl boyunca görev yaptı. Satürn'ün kuzey kutbuna ilişkin gözlemlerinde, yaklaşık 18.000 mil genişliğinde, tek bir altıgen şekilli kutup girdabı kaydetti.
"İnsanlar Jüpiter ve Satürn arasındaki farkları çözmek için çok zaman harcadılar," diyor Shi. "Gezegenler yaklaşık aynı boyutta ve her ikisi de çoğunlukla hidrojen ve helyumdan oluşuyor. Kutup girdaplarının neden bu kadar farklı olduğu belirsiz."
Shi ve Kang, bir gezegenin neden tek bir girdap geliştirirken diğerinin birden fazla girdap barındırdığını açıklayacak fiziksel bir mekanizma belirlemeyi amaçladılar. Bunu yapmak için, yüzey akışkan dinamiğinin iki boyutlu bir modeliyle çalıştılar. Kutup girdabı doğası gereği üç boyutlu olsa da, ekip, Jüpiter ve Satürn'ün hızlı dönüşünün dönme ekseni boyunca düzgün hareketi zorunlu kıldığı için, girdap evrimini iki boyutta doğru bir şekilde temsil edebileceklerini düşündü.
Kang, “Hızlı dönen bir sistemde, akışkan hareketi dönme ekseni boyunca düzgün olma eğilimindedir,” diye açıklıyor. “Bu nedenle, akışkan deseni 3 boyutlu ortamda değişmediği için 3 boyutlu dinamik bir problemi 2 boyutlu bir probleme indirgeyebileceğimiz fikri bizi motive etti. Bu da problemi simüle etmeyi ve incelemeyi yüzlerce kat daha hızlı ve ucuz hale getiriyor.”
En dibe ulaşmak
Bu mantık doğrultusunda, ekip, girdap halindeki sıvının zaman içinde nasıl evrimleştiğini açıklayan mevcut bir denkleme dayanarak, bir gaz devinde girdap evriminin iki boyutlu bir modelini geliştirdi.
Kang, "Bu denklem, Dünya'daki orta enlem siklonlarını modellemek de dahil olmak üzere birçok bağlamda kullanıldı," diyor. "Biz de bu denklemi Jüpiter ve Satürn'ün kutup bölgelerine uyarladık."
Ekip, iki boyutlu modellerini kullanarak, farklı senaryolar altında bir gaz devinde akışkanın zaman içinde nasıl evrimleşeceğini simüle etti. Her senaryoda, ekip gezegenin boyutunu, dönüş hızını, iç ısınmasını ve dönen akışkanın yumuşaklığını veya sertliğini ve diğer parametreleri değiştirdi. Daha sonra, akışkanın başlangıçta gezegenin yüzeyinde rastgele desenlerde aktığı rastgele bir "gürültü" koşulu belirlediler. Son olarak, senaryonun özel koşulları göz önüne alındığında akışkanın zaman içinde nasıl evrimleştiğini gözlemlediler.
Birden fazla farklı simülasyon üzerinde yaptıkları gözlemlerde, bazı senaryoların Satürn'deki gibi tek bir büyük kutup girdabı oluşturduğunu, diğerlerinin ise Jüpiter'deki gibi birden fazla küçük girdap oluşturduğunu gördüler. Her senaryodaki parametre ve değişken kombinasyonlarını ve bunların nihai sonuçla nasıl ilişkili olduğunu analiz ettikten sonra, tek bir veya birden fazla girdabın oluşmasını açıklayan tek bir mekanizmaya ulaştılar: Rastgele akışkan hareketleri bireysel girdaplar halinde birleşmeye başladığında, bir girdabın büyüyebileceği boyut, girdabın tabanının ne kadar yumuşak olduğuna bağlıdır. Bir girdabın tabanında dönen gaz ne kadar yumuşak veya hafifse, girdap sonunda o kadar küçük olur ve bu da Jüpiter'dekine benzer şekilde, bir gezegenin kutbunda birden fazla küçük ölçekli girdabın bir arada bulunmasına olanak tanır.
Tersine, bir girdabın tabanı ne kadar sert veya yoğun olursa, sistem o kadar büyüyebilir ve sonunda Satürn'deki gibi tek bir gezegen ölçekli girdap olarak gezegenin eğriliğini takip edebilecek bir boyuta ulaşabilir.
Eğer bu mekanizma gerçekten de her iki gaz devinde de işliyorsa, bu durum Jüpiter'in daha yumuşak, daha hafif bir malzemeden oluşmuş olabileceğini, Satürn'ün ise iç kısmında daha ağır maddeler barındırabileceğini düşündürür.
"Jüpiter ve Satürn'ün yüzeyinden gördüğümüz sıvı deseni, bize iç yapısı hakkında, örneğin tabanın ne kadar yumuşak olduğu hakkında bir şeyler söyleyebilir," diyor Shi. "Ve bu önemli çünkü belki de Satürn'ün yüzeyinin altında, iç kısım daha fazla metal bakımından zengin ve daha yoğunlaşabilir malzemeye sahip, bu da Jüpiter'den daha güçlü bir tabakalaşma sağlamasına olanak tanıyor."
Weizmann Bilim Enstitüsü'nde jeofiziksel akışkan dinamiği profesörü ve Juno misyonunun bilim ekibinin bir üyesi olan, ancak yeni çalışmada yer almayan Yohai Kaspi, "Jüpiter ve Satürn diğer açılardan çok benzer oldukları için, kutup bölgelerindeki farklı hava koşulları bir bilmeceydi" diyor. "Shi ve Kang'ın çalışması, bu farklılıklar ile gezegenlerin derin iç kısımlarındaki 'yumuşaklık' arasında şaşırtıcı bir bağlantı ortaya koyuyor ve atmosferlerini şekillendiren temel iç özellikleri haritalamak için yeni bir yol sunuyor."
Bu araştırma kısmen Mathworks Bursu ve MIT Yer, Atmosfer ve Gezegen Bilimleri Bölümü'nden sağlanan bağış fonlarıyla desteklenmiştir.
