Nowe spojrzenie na niespokojną pogodę na Jowiszu
Jowisz to burzliwe miejsce – silne wiatry, które owiewają powierzchnię największej planety w Układzie Słonecznym, zwykle osiągają prędkość 360 km/h. Chociaż strefowe prądy strumieniowe na tym gazowym olbrzymie obserwowaliśmy od wieków, jak dotąd nie potrafiliśmy wyjaśnić, co sprawia, że przepływy te są tak potężne. Finansowany przez UE projekt JUMP (JUpiter Modeling Platform) pozwala powoli rozwikłać tę tajemnicę. Projekt – realizowany przy wsparciu programu działań „Maria Skłodowska-Curie” – umożliwił wykazanie, że siła prądów strumieniowych na Jowiszu zależy od energii ruchu obrotowego planety.
Ukryta dynamika
„Do tej pory przyjmowano, że siła energetyczna strefowych prądów strumieniowych jest bezpośrednio związana z przekształcaniem energii słonecznej w źródła wywołujące przepływ”, mówi Stefania Espa, profesor hydrauliki na Wydziale Inżynierii Lądowej, Budownictwa i Środowiska Uniwersytetu Rzymskiego „La Sapienza” i koordynatorka projektu JUMP. Zaznacza jednak, że to stwierdzenie nie wyjaśnia, dlaczego strefowe prądy strumieniowe na Jowiszu są cztery razy silniejsze niż te na Ziemi, podczas gdy Jowisz otrzymuje 30 razy mniej energii słonecznej. Aby zrozumieć dynamikę powstawania strefowych prądów strumieniowych, zespół naukowców opracował pierwszy model laboratoryjny gazowego olbrzyma. Odtworzyli w laboratorium przepływy zachodzące na Jowiszu, symulując mechanizmy wywołujące powstawanie prądów strumieniowych i badając zachodzący przepływ energii.
Łączenie wiedzy i danych
Aby skutecznie symulować ruchy powietrza na Jowiszu i Saturnie, innym gazowym olbrzymie, zespół wdrożył platformę łączącą modelowanie laboratoryjne i numeryczne. Umożliwiło im to zebranie dużych zbiorów danych, które zostały udostępnione na zasadzie otwartego dostępu innym badaczom. Dane zebrane w laboratorium i uzyskane na drodze symulacji numerycznych zostały następnie połączone z obserwacjami planet poczynionymi podczas misji kosmicznych. Naukowcy opracowali również nowe narzędzie diagnostyczne oparte na wirowości potencjalnej, które pozwala ilościowo określać turbulencje planetarne. Pozwoliło im to po raz pierwszy wykazać, że przepływ energii w atmosferze Saturna jest czterokrotnie mniej intensywny niż w atmosferze Jowisza. Łącząc wiedzę specjalistyczną z zakresu dynamiki płynów, planetologii i klimatologii, Espa i jej koledzy skupili się na opracowaniu nowej struktury łączącej prądy strumieniowe z energią ruchu obrotowego planety. „Wykazaliśmy, że strefowe prądy strumieniowe powstają w wyniku połączenia kaskad turbulentnych i sferycznej krzywizny planet, czyli tak zwanego efektu beta”, zauważa Espa. „Wykazaliśmy również, że wielkość energetyczna prądów strumieniowych zależy tylko od szybkości rotacji i promienia planety”. Odkrycia te wyjaśniają, dlaczego strefowe prądy strumieniowe na Jowiszu są silniejsze niż na Ziemi – ponieważ Jowisz obraca się 2,4 raza szybciej niż nasza planeta.
Wkład w badania klimatyczne
Oprócz poszerzenia wiedzy na temat wewnętrznej dynamiki Jowisza prace zespołu JUMP mogą dostarczyć ważnych wskazówek do badań nad klimatem. „Wiadomo, że strefowe prądy strumieniowe odgrywają zasadniczą rolę w organizacji systemu klimatycznego, ponieważ przenoszą ciepło, wilgoć, gazy i składniki odżywcze w obrębie całej planety”, wyjaśnia Espa. „Dogłębne zrozumienie fizyki rządzącej powstawaniem tych prądów jest niezbędne dla analizy zarówno przeszłych, jak i przyszłych zmian klimatu”.
Słowa kluczowe
JUMP, Jowisz, gazowy olbrzym, strefowy prąd strumieniowy, model laboratoryjny, modelowanie numeryczne, planeta, wirowość potencjalna, turbulencje, zmiana klimatu