Planeten Jupiter. Kredit:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstadt/Sean Doran
Virvlarna, virvlar, och vågiga band av Jupiter och Saturnus kan påminna oss om en lugnande, stjärnklar, stjärnklar natt – men de avslöjar att dessa två gasjättar är stormiga, turbulenta platser. Turbulensen producerar energikaskader, en icke-linjär överföring av energi mellan olika rörelseskalor. Dessa är lika grundläggande för att förstå planetarisk dynamik som det kardiovaskulära systemet är för att förstå människokroppen.
Men forskare har inte haft ett tillförlitligt sätt att kvantifiera planetarisk turbulens - förrän nu.
Ett globalt team ledd av forskare vid universitetet i Rom, som inkluderade Boris Galperin, Ph.D., en professor vid USF College of Marine Science, beskrev framstegen i Geophysical Research Letters. Resultaten visar att hastigheten för turbulensenergiöverföringen – fram till nu en svart låda av mystik – kan beräknas relativt enkelt från en variabel relaterad till planetrotationen och känd som potentiell virvel (PV).
Metoden utvecklades först av Galperin och hans doktorand, Jesse Hoemann, och testade i de experiment som utfördes vid universitetet i Rom under Jesses besök där. Metoden bekräftades med hjälp av verklig hastighetsdata extraherad från bilder av Jupiters molnrörelse som fångats av det 20 år långa Cassini-uppdraget, ytterligare laboratorieresultat utförda i en roterande tank vid universitetet i Rom i Italien, och datorsimuleringar för Saturnus.
Baserat på beräkningarna av PV, teamet visade för första gången att hastigheten för energiöverföringen i Jupiters atmosfär är fyra gånger större än den i Saturnus.
Bandade flöden på Jupiter och Saturnus (från Cassini), och i ett roterande tankexperiment av Cabanes et al. (2020), visar icke-monotona PV-profiler. Kredit:University of South Florida
"Nu kan du se varför jag var riktigt exalterad över det här arbetet, sa Galperin, som utvecklade den ursprungliga idén till experimenten för flera år sedan.
Sedan turbulensens lagar, som alla grundläggande fysiska lagar, är universella, Metoden kan nu tillämpas på andra naturliga miljöer som havet, sa Galperin. Virvlar i jordens hav som ser ut som virvlar på Jupiter, till exempel, kommer i olika styrkor, storlekar, och livstid, och är avgörande för att förstå jordens energibalanser, värme, salt, koldioxid, och mer.
"Detta är den första uppskattningen av Saturnus turbulenta kraft från observationer, och denna studie banar väg för framtida dataanalys i andra planetariska atmosfärer, " sa huvudförfattaren Simon Cabanes, Ph.D., en post doc vid institutionen för civil- och miljöteknik (DICEA) vid universitetet i Rom La Sapienza.
