Το βόρειο πολικό εξάγωνο του Κρόνου

Η δυναμική φύση του σχεδίου του εξαγωνικού νέφους στον βόρειο πόλο του Κρόνου ήταν ανεξήγητη από την πλανητική επιστήμη για ≈ 35 χρόνια από την πρώτη παρατήρησή της. Τίποτα σαν το εξάγωνο δεν έχει δει ποτέ σε κανέναν άλλο πλανήτη. Η έλλειψη παρόμοιου σχεδίου στον νότιο πόλο ήταν ένα άλλο άλυτο πρόβλημα.

Οι πρώιμες ορατές παρατηρήσεις του Voyager 1&2 που περνούσαν από τον Κρόνο το 1980-1981 αποκάλυψαν το εξαγωνικό μοτίβο σύννεφων του βόρειου πόλου του Κρόνου σε περίπου 77 ◦N πλανητικό γεωγραφικό πλάτος. Αυτό το μοτίβο παρατηρήθηκε ξανά τη δεκαετία του 1990 από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, και στη συνέχεια στη δεκαετία του 2000 από το τροχιακό Cassini. Πρώιμη ερμηνεία του μακρόβιου εξαγωνικού σχεδίου από τους Allison et al. (1990) υπέδειξε την αντικυκλωνική δίνη North Polar Spot (NPS), ορατή εκείνη τη στιγμή κοντά στο εξάγωνο, ως κύρια αιτία για το εξαγωνικό σχήμα των πολικών πίδακες. Η εξαφάνιση του NPS μεταξύ 1995 και 2004 ακύρωσε αυτό το σενάριο.

Αν και ορισμένα εργαστηριακά πειράματα και αριθμητικά μοντέλα θα μπορούσαν να απαντήσουν στα ερωτήματα της φύσης και ορισμένων χαρακτηριστικών του εξαγώνου (Vatistas et al., 1994; Marcus and Lee, 1998; Jansson et al., 2006; Bergmann et al., 2011), στο όλα τα προαναφερθέντα δοκίμια το εξαγωνικό σχήμα προέκυψε  από μια οδό δίνης που σχηματίστηκε από την ανάπτυξη βαροτροπικής αστάθειας του πίδακα, με κυκλωνικές και αντικυκλωνικές δίνες στις πλευρές του πίδακα προς τον πόλο και τον ισημερινό, αντίστοιχα. Οι δίνες που σχημάτιζαν την οδό ήταν πολύ μεγάλες και πολύ ισχυρές, σε σχέση με τις παρατηρήσεις. Προτείνοντας μια ad hoc κάθετη διάτμηση του πίδακα, οι Morales-Juberias et al. (2015) προσομοίωσαν ένα εξαγωνικό μοτίβο με έντονη δίνη δυναμικού (PV) παρόμοια με τις παρατηρήσεις. Ωστόσο, τόσο η κατακόρυφη διάτμηση όσο και οι υποτιθέμενες μεσημβρινές διαβαθμίσεις θερμοκρασίας που συνοδεύουν την κατακόρυφη διάτμηση του πολικού πίδακα δεν έχουν ακόμη επιβεβαιωθεί.

Οι Rostami et al. (2018) πρότεινε μια εναλλακτική προσέγγιση του προβλήματος στο πλαίσιο του μοντέλου βαροτροπικού περιστρεφόμενου ρηχού νερού (RSW), στην προσέγγιση του πολικού εφαπτομενικού επιπέδου και θα μπορούσε να αναπαράγει ένα εξαγωνικό σχέδιο παρόμοιο με τις παρατηρήσεις. Αυτή η μελέτη διευκρίνισε τη δυναμική του εξαγώνου και την ισχυρή σχέση του με τη βόρεια πολική δίνη του Κρόνου (NPV). Το μοντέλο RSW που εφαρμόζεται σε αυτή τη μελέτη συνδυάζει την απλότητα με τη δυναμική συνέπεια και, με τις αστρονομικές παραμέτρους του Κρόνου να δίνονται, περιέχει μια ενιαία ρυθμιζόμενη παράμετρο:την ενεργή ακτίνα παραμόρφωσης Rossby. Αποδεικνύεται ότι το εξάγωνο προκύπτει κυρίως από τη βαροτροπική αστάθεια του παρατηρούμενου σχεδίου του ζωνικού πίδακα και της πολικής δίνης.

Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί μια λεπτομερή γραμμική ανάλυση ευστάθειας των παρατηρούμενων ζωνικών πίδακες στην περιοχή του βόρειου και νότιου πόλου στον Κρόνο στο πλαίσιο των τυπικών εξισώσεων περιστρεφόμενου ρηχού νερού (RSW). Αποδείχθηκε ότι ένα μοτίβο αζιμουθιακού κύματος 6 (εξάγωνο) είναι ένας κυρίαρχος τρόπος στο βόρειο ημισφαίριο σε ένα εύλογο φάσμα παραμέτρων, αλλά όχι στο νότιο ημισφαίριο. Ένα νέο αποτέλεσμα είναι ο αποφασιστικός δυναμικός ρόλος του NPV που σταθεροποιεί το εξαγωνικό μοτίβο, χωρίς να δημιουργεί έναν ισχυρό «δρόμο δίνης», κατά τη διάρκεια της πλήρως μη γραμμικής εξέλιξης της αστάθειας χωρίς διασπορά. Ταυτόχρονα, η εξέλιξη μόνο του κυκλικού πίδακα καταλήγει με αυξανόμενους δρόμους δίνης σε κάθε πλευρά του εξαγώνου.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο On the dynamical nature of Saturn’s North Polar hexagon, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Masoud Rostami, Vladimir Zeitlin και Aymeric Spiga από το Université Pierre et Marie Curie (UPMC).

Αναφορές:

1. Allison, M., Godfrey, D. A., Beebe, R. F., 1990. A wave dynamical interpretation of saturn’s polar hexagon. Science 247 (4946), 1061-1063.
2. Bergmann, R., Tophoj, L., Homan, T., Hersen, P., Andersen, A., Bohr, T., 2011. Σχηματισμός πολυγώνου και επιφανειακή ροή σε περιστρεφόμενη επιφάνεια ρευστού. Journal of #uid mechanics 679, 415-431.
3. Jansson, T. R. N., Haspang, M. P., Jensen, K. H., Hersen, P., Bohr, T., Μάιος 2006. Πολύγωνα σε μια περιστρεφόμενη επιφάνεια #uid. Phys. Αναθ. Lett. 96, 174502.
4. Marcus, P. S., Lee, C., 1998. Ένα μοντέλο για πίδακες ανατολής και δυτικής κατεύθυνσης σε εργαστηριακά πειράματα και πλανητικές ατμόσφαιρες. Φυσική Ρευστών 10 (6).
5. Morales-Juberias, R., Sayanagi, K. M., Simon, A. A., Fletcher, L. N., Cosentino, R. G., 2015. Μαιανδρικός ρηχός ατμοσφαιρικός πίδακας ως μοντέλο του βορειο-πολικού εξαγώνου του Κρόνου. The Astrophysical Journal Letters 806 (1), L18.
6. Rostami, M., Zeitlin, V., Spiga, A., 2017. Σχετικά με τη δυναμική φύση του βόρειου πολικού εξαγώνου του Κρόνου. Ίκαρος 297, 59 – 70. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.06.006
7. Vatistas, G. H., Wang, J., Lin, S., 1994. Πρόσφατα ευρήματα σχετικά με τις ισορροπίες του Kelvin. Acta Mechanica 103 (1), 89-102.