På Jupiters sydpol lurar en slående syn – även för en gasjätteplanet täckt av färgglada band som har en röd fläck som är större än jorden. Nere nära planetens sydpol, mestadels dold för människors nyfikna ögon, är en samling virvlande stormar arrangerade i ett ovanligt geometriskt mönster.

Sedan de först upptäcktes av NASA:s Juno-rymdsond 2019, stormarna har presenterat något av ett mysterium för forskare. Stormarna är analoga med orkaner på jorden. Dock, på vår planet, orkaner samlas inte vid polerna och snurrar runt varandra i form av en femkant eller sexhörning, liksom Jupiters märkliga stormar.

Nu, ett forskarlag som arbetar i Andy Ingersolls labb, Caltech professor i planetvetenskap, har upptäckt varför Jupiters stormar beter sig så konstigt. De gjorde det med hjälp av matematik som härletts från ett bevis skrivet av Lord Kelvin, en brittisk matematisk fysiker och ingenjör, för nästan 150 år sedan.

Ingersoll, som var medlem i Juno-teamet, säger att Jupiters stormar är anmärkningsvärt lika de som drabbar USA:s östkust varje sommar och höst, bara i mycket större skala.

"Om du gick under molntopparna, du skulle förmodligen hitta flytande vatten regndroppar, hagel, och snö, " säger han. "Vindarna skulle vara orkankraftiga vindar. Orkaner på jorden är en bra analog till de individuella virvlarna inom dessa arrangemang vi ser på Jupiter, men det finns inget så fantastiskt vackert här."

Som på jorden, Jupiters stormar tenderar att bildas närmare ekvatorn och sedan driva mot polerna. Dock, Jordens orkaner och tyfoner skingras innan de vågar sig för långt från ekvatorn. Jupiter fortsätter bara tills de når polerna.

"Skillnaden är att på jorden får orkaner slut på varmt vatten och de rinner in i kontinenter, " säger Ingersoll. Jupiter har inget land, "så det är mycket mindre friktion eftersom det inte finns något att gnugga mot. Det finns bara mer gas under molnen. Jupiter har också värme över från sin bildning som är jämförbar med värmen den får från solen, så temperaturskillnaden mellan dess ekvator och dess poler är inte lika stor som den är på jorden."

Dock, Ingersoll säger, denna förklaring förklarar fortfarande inte stormarnas beteende när de väl når Jupiters sydpol, vilket är ovanligt även jämfört med andra gasjättar. Saturnus, som också är en gasjätte, har en enorm storm vid var och en av sina poler, snarare än en geometriskt arrangerad samling av stormar.

Svaret på mysteriet om varför Jupiter har dessa geometriska formationer och andra planeter inte, Ingersoll och hans kollegor upptäckte, kunde hittas i det förflutna, speciellt i arbete utfört 1878 av Alfred Mayer, en amerikansk fysiker, och Lord Kelvin. Mayer hade placerat flytande cirkulära magneter i en vattenpöl och observerade att de spontant skulle ordna sig i geometriska konfigurationer, liknande de som ses på Jupiter, med former som berodde på antalet magneter. Kelvin använde Mayers observationer för att utveckla en matematisk modell för att förklara magneternas beteende.

"Tillbaka på 1800-talet, folk tänkte på hur snurrande vätskebitar skulle ordna sig i polygoner, ", säger Ingersoll. "Även om det fanns många laboratoriestudier av dessa flytande polygoner, ingen hade tänkt på att applicera det på en planetyta."

Att göra så, forskargruppen använde en uppsättning ekvationer som kallas grundvattenekvationerna för att bygga en datormodell av vad som kan hända på Jupiter, och började köra simuleringar.

"Vi ville utforska kombinationen av parametrar som gör dessa cykloner stabila, " säger Cheng Li (Phd '17), huvudförfattare och 51 Pegasi b postdoktor vid UC Berkeley. "Det finns etablerade teorier som förutspår att cykloner tenderar att smälta samman vid polen på grund av planetens rotation och det är vad vi fann i de första försöken."

Så småningom, dock, teamet fann att ett Jupiter-liknande stabilt geometriskt arrangemang av stormar skulle bildas om stormarna var omgivna av en ring av vindar som vände sig i motsatt riktning från de snurrande stormarna, eller en så kallad anticyklonring. Närvaron av anticyklonringar gör att stormarna stöter bort varandra, snarare än att slå samman.

Ingersoll säger att forskningen kan hjälpa forskare att bättre förstå hur vädret på jorden beter sig.

"Andra planeter ger ett mycket bredare spektrum av beteenden än vad du ser på jorden, " han säger, "så du studerar vädret på andra planeter för att stresstesta dina teorier."

Pappret, betitlad, "Modellera stabiliteten hos polygonala mönster av virvlar vid Jupiters poler som avslöjats av Juno-rymdfarkosten, " visas i numret för 8 september av Proceedings of the National Academy of Sciences.