Xoáy cực bắc của sao Thổ và hình lục giác dòng máy bay phản lực xung quanh, được nhìn thấy bởi tàu vũ trụ Cassini của NASA vào ngày 25 tháng 4 năm 2017.
(Ảnh: © NASA / JPL-Caltech / Viện khoa học vũ trụ)
Các nhà khoa học đã sử dụng một chiếc bình xoay lớn để mô phỏng bầu khí quyển của Sao Thổ và họ có thể đã tìm ra cách những cơn bão cực lớn của khí khổng lồ hình thành.
Với những cơn gió đạt tốc độ đáng kinh ngạc lên tới 1.100 dặm / giờ (1.800 km / giờ) - trong hệ mặt trời của chúng ta, chỉ có sao Hải Vương mới có thể trở nên gió hơn - và gây bão kích thước Trái đất, bầu khí quyển của Sao Thổ đã mê hoặc các nhà nghiên cứu ngay từ khi họ có cái nhìn đầu tiên về nó thông qua các quan sát của tàu vũ trụ Voyager song sinh của NASA vào đầu những năm 1980.
Trong bài báo xuất bản hôm thứ Hai (26/2) trên tạp chí Nature Geoscience, một nhóm các nhà nghiên cứu đã sử dụng nồi xoay để hiểu rõ hơn về bầu khí quyển của Sao Thổ và khắc phục một số hạn chế của các phương pháp thông thường hơn, như mô hình hóa máy tính. [Hình ảnh tuyệt đẹp: Bão hình lục giác kỳ lạ của sao Thổ]
Trưởng nhóm nghiên cứu Yakov Afanasyev, giáo sư về động lực học đại dương và khí quyển thực nghiệm và mô hình số của dòng chảy địa vật lý ở Đại học Newfoundland, Canada, cho biết: "Rất ít thông tin về sự đối lưu và xoáy trong khí quyển sâu của các đại gia khí . "Sự hiểu biết hiện tại của chúng tôi dựa trên các lý thuyết và mô phỏng máy tính khá lý tưởng hóa, chưa tiếp cận được các thông số của khí quyển hành tinh thực sự."
Bình rộng 43 inch (110 cm) của đội, chứa vài trăm lít nước, được đun nóng từ bên dưới để mô phỏng các quá trình đối lưu diễn ra trong không khí của Sao Thổ.
Nước ấm lên bởi lò sưởi, trong khi nước mặt, được làm mát bằng bay hơi, chìm xuống đáy.
"Chúng tôi đã cố gắng làm cho nước trở nên hỗn loạn hơn bằng cách làm nóng nó và xem cách nó hoạt động trong bể quay, mô phỏng sự quay của hành tinh", Afanasyev nói. "Không có thí nghiệm, hoặc mô hình máy tính cho vấn đề đó, có thể mô hình hóa một đại dương hoặc bầu khí quyển của một hành tinh trong tất cả sự phức tạp của chúng. Những gì chúng ta có thể làm là mô hình hóa động lực học thiết yếu."
Afanasyev cho biết các thành viên trong nhóm không hoàn toàn chắc chắn những gì họ sẽ thấy khi họ bắt đầu thử nghiệm.
"Trọng tâm của nghiên cứu của chúng tôi đã thay đổi khi chúng tôi quan sát thấy nhiều xoáy nhỏ, giống như lốc xoáy trong bể của chúng tôi", ông nói. "Các xoáy giống như những gì được quan sát bởi tàu vũ trụ trong bầu khí quyển của Sao Thổ."
Afanasyev và nhóm của ông đặc biệt quan tâm đến việc thúc đẩy việc tạo ra các xoáy cực mạnh nằm ở trung tâm của những cơn bão lục giác dai dẳng được biết đến từ những hình ảnh được chụp bởi tàu vũ trụ Cassini của NASA. Nghiên cứu trước đây cho thấy những cơn bão hình lục giác này là do dòng phản lực của Sao Thổ, Afanasyev nói.
Tuy nhiên, các cơn bão giống như cơn bão trung tâm đã gây hoang mang; Các nhà nghiên cứu không chắc chắn tại sao chúng xảy ra trên các cực. Nhưng thí nghiệm nồi cho thấy những cơn bão cực lớn có thể là kết quả của nhiều cơn lốc nhỏ hơn hợp nhất ở vùng cực.
"Một cơn lốc mạnh được tạo ra ở cực là kết quả của sự hợp nhất của lốc xoáy quy mô nhỏ", các nhà nghiên cứu viết trong bài báo. "Các xoáy cực xâm nhập đến tận đáy và làm thay đổi lưu thông chống bão ở đó."
Nghiên cứu trước đây cho thấy các cơn bão nhỏ hơn có thể phát sinh ở các khu vực khác trên hành tinh và sau đó được hướng về các cực bằng sự kết hợp giữa chuyển động quay và trọng lực của nó.
"Các thí nghiệm của chúng tôi đã cho chúng tôi ý tưởng này, nhưng chúng tôi không thể nhìn thấy các cơn bão cực trong bể của chúng tôi", Afanasyev nói. "Đó là bởi vì chúng tôi chỉ có thể mô hình hóa một bầu không khí lộn ngược trong thí nghiệm của chúng tôi. Dòng xoáy sẽ ở dưới đáy bể chứ không phải ở bề mặt."
Do đó, các nhà nghiên cứu đã phải đảo ngược "bầu không khí trong chậu" bằng kỹ thuật số.
Sự kết hợp của hai phương pháp - bể thí nghiệm và mô hình máy tính - là những gì mang lại kết quả tốt nhất, bởi vì mỗi phương pháp đều có những hạn chế nghiêm trọng để mô phỏng hành vi của khí quyển hành tinh, Afanasyev nói.
