Zvětšit obrázek

Saturn – severní polární atmosférický cyklón zasahuje až do 70. stupně severní šířky. Každá strana šestiúhelníku je porovnatelná s průměrem Země. Kredit: Kevin H. Baines et. al./ Planetary and Space Science 2009

Před třiceti lety, kdy okolo Saturnu prolétaly sondy Voyager 1 a 2 jsme na Zemi po prvé uviděli ten zvláštní obrovský šestiúhelníkový útvar, který tvoří vířící masy plynů v horních vrstvách atmosféry nad severním pólem této druhé největší planety Sluneční soustavy. Již šestý rok kolem ní kroužící sonda Cassini poslala na Zem další záběry v infračerveném i viditelném spektru záření. Před pěti měsíci v Saturnově severní oblasti skončila dlouhá, 15 pozemských let trvající polární noc a Slunce začalo postupně gigantický trojúhelník ozařovat. Na Oslu se o tomto fenoménu objevil podrobnější článek i s videem. Přibývající informace pomáhají rozlousknout tvrdý oříšek šestiúhelníkové záhady.

Zvětšit obrázek

Graf rychlosti větru v polárním hexagonu v závislosti od stupně severní šířky Saturnu. Nejde o planetární extrém, atmosférické proudy i jinde na planetě dosahují závratných rychlostí až 500 km/h. Kredit: Kevin H. Baines et. al./ Planetary and Space Science 2009

Saturnovy oba polární „vzdušné“ víry jsou vskutku impozantní. Ten severní má průměr 25 tisíc kilometrů (2 x průměr Země) je zahlouben do horní 100 kilometrové vrstvy mohutné Saturnovy atmosféry. Ohromující je i rychlost větru. Uvnitř šestiúhelníku víří níže vnořený kruhový cyklón, který na 88. stupni severní šířky přesahuje 135 m/s, v přepočtu 486 km/h. Jeho centrální oko je přesně na pólu a má průměr asi 500 km. Jižněji, okolo 78. stupně severní šířky, na vnitřní hranici samotného šestiúhelníku, prudce klesá rychlost větru na asi 10m/s (36 km/h). Aby pak, dál směrem na jih, v samotném šestiúhelníkovém útvaru, opět narostla na asi 125 m/s (450 km/h). Jak se rychlost větru prudce mění s planetocentrickou šířkou (na Zemi je to zeměpisná šířka) znázorňuje obrázek vlevo. Šestiúhelníkový útvar jako celek rotuje v harmonii se Saturnem jako celkem (je to plynný obr, má tedy diferenciální rotaci), jenom dlouhodobější pozorování odhalilo, že se vůči celoplanetárnímu rotačnímu systému malinko opožďuje.

Samozřejmě, že vědci zabývající se planetární fyzikou útočí na tajemství tohoto překvapujícího fenoménu a snaží se vysvětlit proč a jak vzniká. Jednou z cest jsou modely – simulace vírů v rotující kapalině. Výsledky jednoho zajímavého experimentu přináší i dubnové číslo časopisu Icarus. Nejde jen o hrátky s rovnicemi a teorií, ale o reálný laboratorní model s použitím vířící vody. Pětice britských vědců z Katedry fyziky, z Oddělení pro fyziku atmosféry, oceánů a planet Oxfordské university, pod taktovkou Any Claudie Barbosy Aguiar naplnila 30litrový válec, který díky otáčejícímu se podstavci mohl rotovat. Tento pohyb představoval rotaci Saturnu kolem osy. Rychlejší cyklón uvnitř šestiúhelníku vědci simulovali tak, že ve středu válce se točil menší kruh rychleji než samotná nádoba. To, co se s kapalinou v hlavním proudu vody dělo, pomáhalo zviditelnit malé množství zelené barvy.

Když středový kruh rotoval rychleji než samotný válec, začaly v hlavním kruhovém proudu vznikat pravidelně rozmístěná místa lokálních nestabilit, kde se tvořily nejdříve malé víry. Ty se pod vlivem proudu hnaného rotací celé nádoby zvětšovaly, až zdeformovaly původně kruhový „cyklón“ do mnohoúhelníku. Počet jeho úhlů, tedy počet vnitřních sekundárních menších vírů, závisel od vzájemného poměru rychlosti centrálního kruhu a celého válce. Deformace začaly vznikat od jisté kritické hodnoty tohoto poměru, nad ní pak platila zajímavá závislost – když se rozdíl rychlostí mezi středem a okrajem dál zvětšoval, počet úhlů se zmenšoval. Až při dostatečně velkém rozdílu vědci vytvořili protáhlý ovál ukončený na obou koncích vírem. "Mohli jsme vytvářet ovály, trojúhelníky, čtverce,… téměř cokoliv," tvrdí člen výzkumného týmu, Peter Read. Vědci na základě této laboratorní analogie předpokládají, že Saturnův severní polární vír v šestiúhelníku rotuje rychleji v porovnání s okolní atmosférou a tak vytváří na svém vnějším rozhraní záhadný útvar. I v tomto případě je názornější experiment vidět, nežli se snažit jej popsat:

Šéfka týmu Ana Barbosa Aguiar připomíná, že polygonální útvary byly pozorovány také v centrálních oblastech velkých hurikánů na Zemi, i když zde jsou krátkodobé a rychle zanikají. „Většina planetárních vědců si ani neuvědomuje, že v dynamice kapalin jsou tyto vzory všudypřítomné."

I když jde o zajímavý experiment, je nutné dodat, že vytvořený model sice naznačuje, jak Saturnův šestiúhelník může vznikat, ale neodpovídá na otázku proč. I na pólech jiných planet s atmosférou jsou alespoň dočasně velké víry, ale žádný z nich nemá tak záhadný tvar. I když je Saturn plynným obrem, s průměrem téměř desetkrát větším než má Země, a rotuje více než dvakrát rychleji - den zde trvá asi 10 a půl pozemské hodiny, nenabízí to dostatečnou odpověď. Například Jupiter je ještě větší i rychleji rotující.

Zvětšit obrázek

Experiment se statickým válcem, v kterém rotuje kruhová deska. Graf znázorňuje, jak rychlost otáček a výška sloupce kapaliny ovlivňuje výsledný tvar víru. Kredit: Thomas R. N. Jansson et. al.

A patří se prozradit, že nejde o jediný experiment svého druhu. Již před dvěma lety dánští fyzikové uveřejnili výsledky podobného experimentu. I oni použili válec naplněný kapalinou, ale ten byl statický, rotoval v něm jenom velký kruh, jenž poháněl kapalinu (obrázek). V závislosti od výšky sloupce tekutiny a rychlosti rotace se ve víru tvořily nestability. Při tomto pokusu v zásadě platilo, že čím rychleji rotoval kruh v kapalině, tím více úhlů – lokálních vírů – v kruhovém proudu vznikalo. Vědci zkoumali, jak se systém chová, když použijí namísto vody viskóznější etylenglykol. Video přibližuje, jak v rotující vodě při jisté rychlosti (samozřejmě v závislosti od dalších okrajových podmínek) vznikají nestability, kde lokální víry deformují kruhový tvar proudu:

A další simulaci na stejné téma nedávno na konferenci v německém Hannoveru prezentoval mezinárodní tým. Tři jeho členové patřili i k zmíněné pětici, která nyní publikovala v Icaru výsledky prvního modelu.

Zvětšit obrázek

Norský experiment s pětimetrovým rotujícím válcem naplněným vodou. Nákres znázorňuje jak konstrukci nádoby a prstenců otvorů kudy proudila čerpadlem poháněná voda. V spodní řadě jsou různé tvary proudů, které simulují reálné atmosférické víry. Kredit: L. Montabone et. al.

V létě 2008 na Universitě v norském Trotheimu roztočili velkou válcovou nádrž, napuštěnou do výšky 40 cm vodou. V nádobě s pětimetrovým průměrem byly dva centrické prstence s dírkami – velký, 4 metrový téměř u vnějšího okraje a pak malý, s průměrem, který bylo možné měnit. Při experimentech vědci testovali změny velikosti tohoto středového sifonu od 18 do 90 cm, ale nejvíce se jim osvědčil průměr 54 centimetrů. Pod nádobou umístěné malé čerpadlo zajišťovalo v průběhu rotace vertikální cirkulaci vody. Hnalo jí přes otvory většího prstence do nádoby, odkud odtékala přes středový sifon spět k čerpadlu. Opět jsou obrázky vpravo názornější, než spousta slov. 

 Do proudu vody vědci opět vstřikovali barvivo, aby zviditelnili vznikající víření. V závislosti od rychlosti rotace a proudů vody se ve velkém válci tvořily zajímavé útvary. Na dvojicích snímků v spodní části obrázku jsou laboratorně vytvořené proudy a jejich atmosférické analogie z reálného světa: a/ dipólový jižní polární vír na Venuši, b/trojúhelníkový tvar cirkumpolárního atmosférického proudu nad Antarktidou, c/náš známý Saturnův šestiúhelníkový cyklón. 

Tyto tři podobné, ale zdaleka ne stejné experimenty potvrzují, že šestiúhelníkový tvar Saturnova polárního cyklónu dokážeme vysvětlit pomocí nestabilit, které v kruhovém víru vznikají následkem rozdílných rychlostí na jeho vnitřní a vnější straně i kombinací horizontálních a vertikálních atmosférických proudů. Nenabízejí ale přesnou odpověď a ani vysvětlení jaké planetární procesy trvale udržují jeho tvar, jenž se výrazně liší od oko připomínajícího cyklónu na jižním pólu. Ten je také unikátní - představuje nejteplejší oblast Saturnu. Teplota v jižním víru je někdy až o 60 K vyšší než je průměrná teplota horních vrstev atmosféry.

Zdroje: Science News , Kevin H. Baines et. al./ Planetary and Space Science  ,  R. N. Jansson et. al. , L. Montabone et. al.