Πολική δίνη του Άρη

Μια εκπληκτική ακτινική κατανομή του δυναμικού στροβιλισμού (PV) της ατμόσφαιρας του Άρη αντιπροσωπεύει μια ελάχιστη τιμή PV στον χειμερινό πόλο, ο οποίος περιβάλλεται από μια δακτυλιοειδή κυκλική δίνη με υψηλή PV.

Το δυναμικό στροβιλισμού (PV) είναι η απόλυτη κυκλοφορία ενός δέματος αέρα σε μια ρευστή κίνηση που περικλείεται μεταξύ δύο ισεντροπικών επιφανειών. Τα Φ/Β διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργική διάγνωση καιρού, τις μετεωρολογικές προβλέψεις και την έρευνα.

Σύμφωνα με τους κανόνες αστάθειας, η Φ/Β δομή του Άρη, που μοιάζει με κοίλο φωτοβολταϊκό πύργο, είναι ασταθής και δεν πρέπει να υπάρχει για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό το προφίλ έρχεται σε αντίθεση με αυτό που αναμένεται από τη μη γραμμική εξέλιξη μιας ασταθούς κυκλωνικής δίνης που ικανοποιεί το κριτήριο αστάθειας Rayleigh-Kuo. Ένα υψηλό κεντραρισμένο ΦΒ στον πόλο θα ήταν αποτέλεσμα μιας τυπικής εξέλιξης αστάθειας χωρίς εξωτερική πίεση. Η βόρεια πολική δίνη στη στρατόσφαιρα της Γης είναι ένα παράδειγμα τέτοιας μονοτονικής αύξησης της Φ/Β προς τον πόλο.

Πρέπει να τονιστεί ότι η πολική δίνη του Άρη είναι δακτυλιοειδής μόνο κατά μέσο όρο [1]. Προκειμένου να γίνει κατανοητό αυτό το φαινομενικό παράδοξο,  το απλούστερο ατμοσφαιρικό μοντέλο που λαμβάνεται με κατακόρυφο μέσο όρο των αδιαβατικών «πρωτόγονων» εξισώσεων της ατμόσφαιρας [2] χρησιμοποιείται στην πρόσφατη έρευνα των Rostami et al (2018) [3]. Το μοντέλο περιστρεφόμενου ρηχού νερού (RSW) βελτιώθηκε με την προσθήκη ακτινοβολίας ψύξης και μετααγωγικών ροών λόγω των μεταπτώσεων φάσης του CO2, που είναι το κύριο συστατικό της ατμόσφαιρας του Άρη.

Ο κύριος στόχος του πρόσφατα δημοσιευμένου άρθρου των Rostami et al. (2018) [2] είναι να κατανοήσουμε τη δυναμική επίδραση της χαλάρωσης με ακτινοβολία και του CO ₂  απόθεση ως δύο κύρια διαβατικά φαινόμενα που δρουν κατά τη διάρκεια του χειμώνα του Άρη στην πολική δίνη του Άρη. Καθώς δεν υπάρχουν άμεσες μετρήσεις στην ατμόσφαιρα του Άρη, όλα τα σύνολα δεδομένων επαναανάλυσης έχουν εξαχθεί με τη χρήση μοντέλων γενικής κυκλοφορίας του Άρη. Το σύνολο δεδομένων επαναανάλυσης παρουσιάζει τμήματα υψηλών ΦΒ σε χαμηλότερα υψόμετρα, στις ημερήσιες χρονικές κλίμακες, κατά τη διάρκεια του χειμερινού ηλιοστασίου. Ωστόσο, οι χάρτες της μέσης τιμής PV 30 sol αντιπροσωπεύουν έναν σχεδόν συνεχή ελλειπτικό δακτύλιο υψηλής PV. Ο Νότιος πόλος παρουσιάζει παρόμοιο χαρακτηριστικό με μικρότερη ένταση.

Μια νέα απλή παραμετροποίηση του CO ₂  Η εναπόθεση της ατμόσφαιρας του Άρη προτείνεται στο πλαίσιο του μοντέλου RSW. Ο μηχανισμός εναπόθεσης περιλαμβάνει πυρήνες ως ενεργό ιχνηθέτη στο ετερογενές ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Η διασταύρωση των περιοχών με πυρήνες υψηλής πίεσης και υψηλής συγκέντρωσης προκαλεί εναπόθεση CO2, η οποία είναι μια άμεση μετάβαση από την αέρια στη στερεά φάση, και κατά συνέπεια, μια λανθάνουσα απελευθέρωση θερμότητας που συνοδεύεται από άνοδο του δυναμικού στροβιλισμού.

Ενώ ο μη γραμμικός αδιαβατικός κορεσμός της αστάθειας τείνει να αναδιοργανώσει τη δίνη, τα διαβατικά φαινόμενα το αποτρέπουν και, ως εκ τούτου, παρέχουν μια εξήγηση για τη μορφή και τη μακροζωία της δίνης. Επιπλέον, η ανομοιομορφία του φωτοβολταϊκού χάρτη εξηγείται από τον ρόλο και των δύο χωρικά ανομοιογενών πυρήνων του CO₂  και ακτινοβόλο χαλάρωση ταυτόχρονα. Οι ελάχιστες παραμετροποιήσεις σε ένα εξιδανικευμένο αριθμητικό μοντέλο μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε τις αιτίες μεταξύ των διαθέσιμων φαινομένων, π.χ., στην προαναφερθείσα μελέτη. CO₂  Η εναπόθεση συμβάλλει ουσιαστικά στον σχηματισμό κηλίδων υψηλής Φ/Β που περικυκλώνουν τον πόλο.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Σχετικά με το ρόλο των χωρικά ανομοιογενών διαβατικών επιδράσεων στην εξέλιξη της δακτυλιοειδούς πολικής δίνης του Άρη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Masoud Rostami από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας και τα Πανεπιστήμια της Σορβόννης (Université Pierre et Marie Curie, UPMC) και την Ecole Normale Supérieure, Vladimir Zeitlin από τα πανεπιστήμια της Σορβόννης (Université Pierre et Mariecurie, και, Montabone από το Space Science Institute.

Αναφορές:

1. Λ. Montabone, K. Marsh, S.R. Lewis, P.L. Read, M.D. Smith, J. Holmes, A. Spiga, D. Lowe, A. Pamment The Mars analysis correction data assimilation data (MACDA) v1.0 Geosci. Data J., 1 (2) (2014), σελ. 129-139.
2. Rostami, M. and Zeitlin, V. (2018), Βελτιωμένο μοντέλο υγρού-συναγωγής περιστρεφόμενου ρηχού νερού και η εφαρμογή του σε αστάθειες στροβιλισμών που μοιάζουν με τυφώνα. Q J R Meteorol Soc. Αποδεκτό Χειρόγραφο Συγγραφέα. . doi:10.1002/qj.3292
3. Masoud Rostami, Vladimir Zeitlin, Luca Montabone, On the role of spatially inhomogeneous diabatic effect on the evolution of Mars' nular polar vortex, Ίκαρος, Τόμος 314, 2018, Σελίδες 376-388, https://linkinghub.elsevier. com/retrieve/pii/S0019103517306073.