در قطب شمال زحل، ابرها به دور شکلی میچرخند که به نظر میرسد با خطکش رسم شده است. شش ضلع عریض در شش گوشه به هم میرسند و منطقهای به وسعت تقریباً ۳۰,۰۰۰ کیلومتر را محاصره میکنند. زمین میتواند درون آن جا بگیرد و هنوز هم فضای اضافی داشته باشد.
این ششضلعی واقعی است، اما یک جسم ثابت نیست و بهطور کامل یک طوفان واحد نیز به شمار نمیرود. این یک جتاستریم قدرتمند به سمت شرق است که به شکل یک موج ششلبه در اطراف قطب شمال حرکت میکند. یک گردباد شبیه طوفان نیز در مرکز آن میچرخد. این دو پدیده یکی از شناختهشدهترین سیستمهای جوی در منظومه شمسی را تولید میکنند.
ناسا ششضلعی را بهعنوان یک جتاستریم موجی به عرض ۳۰,۰۰۰ کیلومتر توصیف میکند که سرعت بادهای آن به نزدیک ۳۲۲ کیلومتر در ساعت میرسد. اضلاع آن بهطور ملایمی منحنی هستند و نه بهطور ریاضی کاملاً دقیق. ابرهای کوچکتر بهطور مداوم درون و اطراف آن حرکت میکنند. نکته شگفتانگیز این است که یک جو متلاطم توانسته است چنین الگوی ششگانهای را برای حداقل چهار دهه حفظ کند.
ویجر گوشهها را دید، قبل از اینکه کاسینی کل آن را ببیند
ویجر ۱ و ویجر ۲ برای اولین بار در سالهای ۱۹۸۰ و ۱۹۸۱ در حین پروازهای خود به زحل، بخشهایی از این ویژگی را عکاسی کردند. مسیرهای آنها نمای کاملی از بالا ارائه نداد، اما موزاییکهای تصویری یک چندضلعی غیرمنتظره را در اطراف قطب شمال نشان دادند.
تحلیل دیوید گودفری در سال ۱۹۸۸، “ویژگی ششضلعی در اطراف قطب شمال زحل”، نشان داد که این الگو با یک جت پرسرعت در نزدیکی ۷۶ درجه شمالی مرتبط است. گوشهها با دورهای بهطور شگفتانگیزی ثابت در زحل حرکت میکنند و ششضلعی بهطور نسبی نسبت به چرخش عمیقتر سیاره ثابت به نظر میرسد.
زمانی که کاسینی در سال ۲۰۰۴ به زحل رسید، زمستان شمالی قطب را در تاریکی قرار داده بود. دوربینهای نوری نمیتوانستند بلافاصله نمای مطلوبی ارائه دهند، اما ابزارهای مادون قرمز میتوانستند گرما را شناسایی کنند و از شب عبور کنند. با بازگشت بهار، کاسینی در نهایت موزاییکهای کامل و با وضوح بالا از بالا بهدست آورد.
این نتیجه تأیید کرد که ویژگی ویجر بیش از ۲۰ سال دوام آورده است. حساب کاسینی از ششضلعی نشان میدهد که فضاپیما آن را در تاریکی، تغییر نور خورشید و تغییرات رنگ فصلی مشاهده کرده است. همان گردش ششضلعی در جای خود باقی مانده است.
شکل ششضلعی یک موج در یک جت سریع است
تصویر فیزیکی اصلی ششضلعی را بهعنوان یک موج سیارهای در یک جت به سمت شرق میداند. در یک سیاره با چرخش سریع، حرکات بزرگ جوی تحت تأثیر اثر کوریولیس و گرادیانهای ورتیسیته قرار دارند. اختلالات میتوانند به امواج راسبی تبدیل شوند، که خویشاوندان بزرگتری از انحناهایی هستند که الگوهای جوی را در زمین شکل میدهند.
اگر یک موج با شش قله را دور یک دایره بپیچید، جابجاییهای متناوب به سمت داخل و خارج یک ششضلعی را ترسیم میکند. بنابراین گوشهها نه لولاها یا مرزهای جامد، بلکه بخشهای بیرونیترین یک موج در حال حرکت یا تقریباً ثابت در اطراف قطب هستند.
یک مقاله در سال ۱۹۹۰ تعبیر ایستای موج راسبی را پیشنهاد کرد و بیان کرد که شکل خاص جت میتواند ناشی از دینامیک موج جوی باشد. اندازهگیریهای بعدی کاسینی ارتباط بین چندضلعی و یک جریان هوای باریک و قدرتمند را تقویت کرد.
این توضیح میدهد که چگونه یک سیال میتواند اضلاع بهظاهر مستقیم را بدون یک محفظه ایجاد کند. اما بهتنهایی به تمام سوالات پاسخ نمیدهد. دانشمندان هنوز باید توضیح دهند که چرا این جت یک حالت ششضلعی غالب را انتخاب میکند، عمق گردش مسئول چقدر است، نقش گرداب قطبی مرکزی چیست و چرا هیچ ششضلعی معادل در قطب جنوبی زحل وجود ندارد.
یک تانک چرخان میتواند چندضلعیها را بسازد
ایده اصلی در آزمایشگاه آزمایش شده است. محققان آبی را در یک تانک استوانهای چرخان قرار دادند و یک جت حلقوی با استفاده از سرعتهای متفاوت در نواحی داخلی و خارجی ایجاد کردند. تحت شرایط مناسب، مرز دایرهای اولیه ناپایدار شد و چندضلعیهای ایستایی را تشکیل داد.
مدل آزمایشگاهی منتشر شده در Icarus در سال ۲۰۱۰ اشکالی با تعداد مختلف اضلاع، از جمله یک ششضلعی تولید کرد. این آزمایش نشان داد که هیچ کوه، دیوار جامد یا مهندسی بیگانهای لازم نیست. چرخش و برش در یک سیال عادی میتواند بهطور خودبهخود یک جت را به یک موج چندضلعی سازماندهی کند.
این همچنین مشکل باقیمانده را نمایان کرد. تانک میتواند مثلثها، مربعها، ششضلعیها و الگوهای دیگر را بهعنوان تغییرات سرعت و شرایط سیال تولید کند. زحل شش ضلع را در طول تغییرات فصلی عظیم حفظ کرده است. یک توضیح موفق باید نهتنها یک چندضلعی، بلکه اندازه، پروفایل باد، نرخ چرخش، ساختار عمودی و طول عمر فوقالعاده این چندضلعی را بازتولید کند.
الگویی که در فصول زحل باقی مانده است
زحل حدود ۲۹ سال زمین را برای دور زدن خورشید نیاز دارد، بنابراین هر فصل بیش از هفت سال طول میکشد. کجبودن محوری آن قطبها را در معرض دورههای طولانی تاریکی و نور خورشید قرار میدهد. گرمایش، تولید مه و شیمی جوی بهطور قابل توجهی تغییر میکند، اما جت ششضلعی زیرین همچنان پایدار میماند.
یک مطالعه با استفاده از مشاهدات کاسینی و مشاهدات زمینی از ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۴ نشان داد که پروفایل جت در طول فشار فصلی قوی بهطور اساسی تغییر نکرده است. گوشهها با دورهای حدود ۱۰ ساعت، ۳۹ دقیقه و ۲۳ ثانیه میچرخند. مقایسهها با ویجر و مشاهدات قبلی زمینی تنها تغییر کوچکی را نشان داد که با یک آنتیسیلونی بزرگ در دوره قبلی مرتبط بود.
این ثبات به محققان این امکان را داد که ششضلعی را بهعنوان یک موج راسبی بهطور عمودی گرفتار در یک جت عمیقریشه تفسیر کنند. عبارت “عمیقریشه” مهم است اما نسبی است. کاسینی ایستگاه جوی را به داخل ششضلعی پایین نیاورد. دانشمندان عمق را از رفتار باد، ساختار حرارتی، اندازهگیریهای گرانشی و مدلها استنباط میکنند، که همه آنها فضای کافی برای جزئیات رقیب باقی میگذارد.
کارهای عددی آزمایش کردهاند که آیا ناپایداری در جت ترکیبی و گرداب قطبی میتواند شکل مشاهدهشده را حفظ کند. یک مطالعه در سال ۲۰۱۷ درباره طبیعت دینامیکی ششضلعی قطب شمال زحل نشان داد که یک پیکربندی جت و گرداب میتواند ساختاری با طول عمر طولانی شبیه به مشاهدات را موفقتر از حالت تنها جت تولید کند. این نشان میدهد که گردباد مرکزی ممکن است به سازماندهی یا تثبیت موج اطراف کمک کند، حتی اگر گردباد و جت ششضلعی ویژگیهای متمایزی باشند.
شکل بهطور عمودی فراتر از ابرهای قابل مشاهده گسترش مییابد
اندازهگیریهای مادون قرمز کاسینی یک شگفتی دیگر را در حالی که نیمکره شمالی زحل به سمت تابستان حرکت میکرد، فاش کرد. یک گرداب قطبی گرم در صدها کیلومتر بالای لایه اصلی ابرها توسعه یافت و مرز آن نیز به شکل ششضلعی درآمد.
این کشف که در Nature Communications گزارش شد، نشان داد که تأثیر ششگانه میتواند بیش از ۳۰۰ کیلومتر بهطور عمودی از منطقه ابرهای تروپوسفری به استراتوسفر گسترش یابد. محققان هنوز نتوانستهاند تعیین کنند که آیا ششضلعی بالایی همیشه وجود دارد اما فقط تحت دماهای فصلی مطلوب قابل مشاهده است، یا اینکه در حال توسعه به سمت بالا بهعنوان تشکیل گرداب تابستانی شمالی است.
مشاهدات فرابنفش از آخرین مدارهای کاسینی همچنین ساختار قطب شمال را در ارتفاع بالا شناسایی کردند. تحلیل ۲۰۱۹ از این اندازهگیریها دیدگاه را تقویت کرد که ششضلعی یک نمای سطحی کمعمق نیست که بر روی یک لایه ابر قرار دارد. امضای جوی آن در فشارها و طول موجهای مختلف ظاهر میشود.
چرا این شکل ناپدید نشده است؟
طوفانهای آشنا در زمین معمولاً با قارهها، اقیانوسها با دماهای متغیر و سیستمهای جوی همسایهای که آنها را مختل میکنند، مواجه میشوند. زحل هیچ سطح جامدی زیر ابرها ندارد. جو آن بهطور مداوم دور سیاره میپیچد، در حالی که چرخش سریع جتهای قوی و پایدار شرق-غرب را پشتیبانی میکند.
یک موج قفل شده به یکی از این جتها میتواند هندسه بزرگمقیاس خود را حفظ کند در حالی که ابرهای فردی درون آن شکل میگیرند، کشیده میشوند و ناپدید میشوند. بنابراین ششضلعی بیشتر شبیه به یک جریان پایدار است که مرز متحرک آن بهطور مداوم همان الگو را بازتولید میکند.
این توضیح کلی است. توضیح کامل هنوز ناقص است. مدلها در مورد اینکه موج چقدر کمعمق یا عمیق است، چگونه جت و گرداب قطبی انرژی را به اشتراک میگذارند، کدام ناپایداری شش ضلع را انتخاب میکند و چرا در قطب جنوبی زحل یک گردباد وجود دارد اما هیچ چندضلعی معادلی وجود ندارد، متفاوت هستند.
نامیدن ششضلعی بهعنوان “کامل” آنچه را که چشم میبیند به تصویر میکشد، اما ارزش علمی آن در انحرافات کوچک آن از کمال نهفته است. انحرافات ظریف، تغییرات مه، ساختار دمای عمودی و تحریفات ناشی از گردابهای نزدیک نیروهایی را که آن را حفظ میکنند، نمایان میسازد. سیستم طوفانی ششضلعی زحل به دلیل اینکه یک شی موقتی در جو نیست، ناپدید نمیشود. این هندسه قابل مشاهده حرکت جو است و دانشمندان هنوز در حال بررسی این موضوع هستند که چرا آن حرکت به شش ضلع پایدار تبدیل شده است.
