Det långlivade internationella Cassini-uppdraget har avslöjat ett överraskande drag som dyker upp vid Saturnus norra pol när det närmar sig sommartid:en uppvärmning, virvel på hög höjd med en sexkantig form, besläktad med den berömda hexagonen sett djupare ner i Saturnus moln. Detta tyder på att hexagonen på lägre höjd kan påverka vad som händer ovanför, och att det kan vara en höga struktur som sträcker sig över hundratals kilometer i höjd.

När Cassini anlände till det Saturniska systemet 2004, det södra halvklotet njöt av sommaren, medan den norra var mitt i vintern. Rymdfarkosten spanade en bred, värma, virvel på hög höjd vid Saturnus södra pol, men ingen vid planetens norra pol.

En ny långtidsstudie har nu sett de första glimtarna av en nordlig polarvirvel som bildas högt uppe i atmosfären när Saturnus norra halvklot närmade sig sommartid. Denna varma virvel sitter hundratals kilometer över molnen, i ett lag av atmosfär som kallas stratosfären, och avslöjar en oväntad överraskning.

"Kanterna på denna nyfunna virvel verkar vara sexkantiga, som exakt matchar ett berömt och bisarrt sexkantigt molnmönster som vi ser djupare ner i Saturnus atmosfär, säger Leigh Fletcher från University of Leicester, STORBRITANNIEN, huvudförfattare till den nya studien.

"Medan vi förväntade oss att se en virvel av något slag vid Saturnus nordpol när det blev varmare, dess form är verkligen överraskande. Antingen har en hexagon skapat spontant och identiskt på två olika höjder, en lägre i molnen och en hög i stratosfären, eller sexkanten är i själva verket en högkonstruktion som sträcker sig över ett vertikalt område på flera hundra kilometer. "

Saturnus molnnivåer är värd för majoriteten av planetens väder, inklusive den redan existerande nordpolära hexagonen. Denna funktion upptäcktes av NASA:s Voyager -rymdfarkoster på 1980 -talet och har studerats i årtionden; det är en långvarig våg som potentiellt är kopplad till Saturnus rotation, en typ av fenomen som också ses på jorden i strukturer som Polar Jet Stream.

Dess egenskaper avslöjades i detalj av Cassini, som observerade det i flera våglängder - från ultraviolett till infrarött - med hjälp av instrument inklusive dess sammansatta infraröda spektrometer (CIRS). Dock, i början av uppdraget kunde detta instrument inte titta längre upp i den norra stratosfären, som hade temperaturer runt -158 grader Celsius – cirka 20 grader för kallt för tillförlitliga CIRS infraröda observationer – vilket lämnade dessa högre höjdområden relativt outforskade under många år.

"Ett Saturnian-år sträcker sig över ungefär 30 jordår, så vintrarna är långa, "tillägger medförfattaren Sandrine Guerlet från Laboratoire de Météorologie Dynamique, Frankrike.

"Saturnus började dyka upp från djupet av den nordliga vintern först 2009, och värmdes gradvis upp när det norra halvklotet närmade sig sommartid."

En märklig process i spel i Saturnus atmosfär påskyndade denna uppvärmning:när luft sjönk vid nordpolen, den övre hexagonen värmdes allt snabbare, och lufttransporten nedåt gjorde mängden av flera mindre arter mer koncentrerad. Den ökade temperaturen gjorde att Fletcher och kollegor kunde studera polarvirveln i infrarött ljus.

"Vi kunde använda CIRS-instrumentet för att utforska den norra stratosfären för första gången, från 2014 och framåt, ", tillägger Guerlet. "I takt med att polarvirveln blev mer och mer synlig, vi märkte att den hade sexkantiga kanter, och insåg att vi såg den redan existerande hexagonen på mycket högre höjder än tidigare trott."

Detta indikerar att Saturns två poler beter sig väldigt olika - det fanns ingen sexkant vid sydpolen, antingen på molntopparna eller ovanför, när den observerades tidigt i Cassinis uppdrag under södra sommaren. Den norra virveln är inte heller i närheten av lika mogen som den södra virveln, eftersom det är svalare, och uppvisar en annan dynamik från dess södra motsvarighet.

"Detta kan betyda att det finns en grundläggande asymmetri mellan Saturnus poler som vi ännu inte förstår, eller det kan betyda att den nordpolära virveln fortfarande utvecklades i våra senaste observationer och fortsatte att göra det efter Cassinis bortgång, " tillägger Fletcher. Cassini-uppdraget avslutades i september 2017.

Förekomsten av en sexkant långt upp i Saturns norra stratosfär, hundratals kilometer ovanför molnen, tyder på att det finns mycket mer att lära om dynamiken som spelar i gasjättens atmosfär.

En enda, tornande sexkantiga struktur som sträcker sig upp genom atmosfären skulle vara osannolikt med tanke på att vindförhållandena förändras avsevärt med höjden. Dock, genom att undersöka atmosfärens egenskaper i den norra regionen, Fletcher och kollegor fastställde också att vågor som hexagonen inte borde kunna fortplanta sig uppåt – de borde förbli instängda i molntopparna, som tidigare trott.

"Ett sätt som våg "information" kan läcka uppåt är via en process som kallas evanescens, där styrkan av en våg avtar med höjden men är nästan tillräckligt stark för att fortfarande hålla i sig upp i stratosfären, " förklarar Fletcher. "Vi behöver helt enkelt veta mer. Det är ganska frustrerande att vi bara upptäckte denna stratosfäriska hexagon precis i slutet av Cassinis livstid."

Att förstå hur och varför Saturnus nordpolära virvel har antagit en hexagonal form kommer att belysa hur fenomen djupare nere i en atmosfär kan påverka miljön högt upp, något som är av särskilt intresse för forskare som försöker ta reda på hur energi transporteras runt i planetariska atmosfärer.

Saturnus nordpolregion förväntas fortsätta utvecklas under kommande år; det norra halvklotet passerade sommarsolståndet i maj 2017, och är på väg mot sin höstdagjämning 2024.

"Saturns norra sexkant är en ikonisk funktion hos en av de mest karismatiska medlemmarna i solsystemet, så att upptäcka att den fortfarande rymmer stora mysterier är väldigt spännande, säger Nicolas Altobelli, ESA-projektforskare för Cassini-Huygens-uppdraget.

"Cassini -rymdfarkosten fortsatte att ge nya insikter och upptäckter ända till slutet. Utan en skicklig rymdfarkost som Cassini, dessa mysterier skulle ha förblivit outforskade. Den visar precis vad som kan åstadkommas av ett internationellt team som skickar en sofistikerad robotutforskare till en tidigare outforskad destination – med resultat som fortsätter att flyta på även när själva uppdraget har avslutats."