Шестиугольник Сатурна: как ветер образует фигуру с шестью сторонами

У северного полюса Сатурна облака образуют шестиугольник поперечником около 30 тысяч километров. Внутри такой фигуры поместились бы рядом две Земли. Её заметили ещё на снимках аппаратов Voyager в начале 1980-х, а спустя четверть века вновь увидели с борта Cassini. За это время облака многократно сменились, но шесть сторон остались на прежнем месте.

Шестиугольник возникает в мощном струйном течении — полосе ветра, которая огибает полюс. Поток движется по волнистому пути с шестью изгибами. Подобную форму удаётся получить и в лаборатории, и в компьютерных расчётах. На Сатурне она оказалась необыкновенно долговечной: даже смена зимы и лета заметно не нарушила её очертаний.

Полоса ветра вокруг полюса

На крупных снимках видно, что шестиугольник составлен из облаков разного размера. Вдоль его сторон тянутся светлые полосы, рядом закручиваются небольшие вихри. Углы сглажены, и граница местами теряется среди соседних облаков. Чёткая геометрическая фигура получается, если смотреть на полярную область целиком.

Газ в этой полосе движется на восток. По обе стороны от неё скорость ветра другая, поэтому соседние потоки взаимодействуют. При определённых условиях течение начинает изгибаться. Шесть повторяющихся изгибов замыкаются вокруг полюса в тот самый контур, который виден на фотографиях.

Облака при этом проходят вдоль сторон и поворачивают вместе с потоком. Форма сохраняется, хотя составляющее её вещество непрерывно перемещается. Для такой волны вовсе не требуется, чтобы один и тот же участок облака десятилетиями удерживал место в вершине шестиугольника.

Ближе к самому полюсу находится крупный вихрь с тёмным центром. Его часто сравнивают с земным ураганом: у него тоже различимы глаз и окружающие облака. Однако шестигранное течение проходит значительно дальше от центра и охватывает всю полярную область. На снимке ниже можно рассмотреть обе структуры.

На Земле тоже есть струйные течения, а крупные атмосферные волны определяют перемещение областей высокого и низкого давления. При изучении Сатурна используют ту же физику вращающейся атмосферы. Среди предложенных объяснений шестиугольника — волны Россби и неустойчивость потока на границе участков с разной скоростью ветра. Такая неустойчивость может изменить форму течения: ровная полоса становится волнистой, после чего некоторое время сохраняет новые очертания.

Cassini застал север в темноте

Voyager 1 и Voyager 2 пролетели возле Сатурна в 1980 и 1981 годах. Они передали первые изображения необычной полярной полосы, но ракурс был далёк от удобного вида сверху. Одни участки удавалось различить лучше, другие уходили к краю диска планеты.

В 2004 году у Сатурна появился постоянный исследователь — Cassini. Аппарат вышел на орбиту и получил возможность возвращаться к одним и тем же областям. На северном полюсе в это время стояла зима. Солнечного света там почти не было, поэтому обычная съёмка мало помогала.

Один оборот Сатурна вокруг Солнца занимает около 29 земных лет. На каждое время года приходится больше семи лет, и зимний полюс долго остаётся тёмным. Команда миссии использовала инфракрасный спектрометр VIMS: прибор регистрировал тепло, поступающее из глубины атмосферы. Облака задерживали часть этого излучения и выделялись на более тёплом фоне.

В 2006 году VIMS позволил рассмотреть шестиугольник в полярную ночь. Сравнение с кадрами Voyager показало, что фигура сохранилась за десятилетия между экспедициями. Для короткоживущей облачной структуры такой промежуток был бы огромным; здесь обнаружилось течение, способное поддерживать один рисунок многие годы.

В августе 2009-го на Сатурне наступило равноденствие. Север стал получать больше солнечного света, и камеры Cassini начали снимать полюс подробнее. Из последовательностей кадров собрали фильмы, на которых облака движутся вдоль шести сторон. История наблюдений и одна из таких последовательностей опубликованы в материалах миссии Cassini.

Съёмка в разных диапазонах давала сведения о разных слоях атмосферы. Видимые облака, тепловое излучение снизу и температура более высоких слоёв дополняли друг друга. Это позволило изучать полярную область по высоте, а не только по её очертаниям на карте.

Многоугольники во вращающейся жидкости

Проверять объяснение шестиугольника начали с опытов, в которых размеры установки несопоставимы с размерами планеты. Для исследования течения важны соотношения скоростей, вращение и свойства среды. Сходное поведение можно получить в лабораторной жидкости, если подобрать эти условия.

В 2010 году Ана Барбоза Агиар и её коллеги опубликовали работу о таких экспериментах. Разные части установки вращались с разной скоростью, и в жидкости возникало струйное течение. При изменении режима его граница становилась волнистой. Число изгибов тоже менялось; среди полученных форм были многоугольники, напоминающие сатурнианский.

Шестигранной стенки в установке не было. Углы возникали в движущейся жидкости, и это позволяло проверить сам механизм образования волны. Авторы сопоставили результаты с расчётами для полярного течения Сатурна. Устройство опыта и фотографии приведены в статье в журнале Icarus.

В таком опыте удобно по очереди менять параметры и следить за результатом. На настоящей планете скорость ветра, вращение и строение атмосферы действуют одновременно. Поэтому лаборатория помогает понять, при каких условиях возникает многоугольник, а наблюдения Cassini показывают, насколько выбранные условия похожи на сатурнианские.

Другой способ расчёта предложили Ракеш Ядав и Джереми Блоксэм. В их трёхмерной модели 2020 года движение охватывало глубокие слои газовой оболочки. Нагретое вещество поднималось, остывшее опускалось; вращение планеты превращало эти движения в струи и крупные вихри. Соседние вихри сдавливали полярный поток, и его граница приобретала многоугольную форму.

Эта модель глубокой конвекции связывает видимый рисунок с процессами, происходящими ниже облаков. Лабораторная работа больше сосредоточена на самом течении и разнице скоростей. Обе дают физически возможные способы образования многоугольника, но точные условия внутри Сатурна ещё приходится восстанавливать по косвенным измерениям.

Течение пережило смену сезона

На фотографиях можно отслеживать два движения: как смещаются отдельные облака и как поворачивается вся шестиугольная фигура. Первое показывает скорость ветра, второе — скорость распространения волны. Они не обязаны совпадать, потому что облака проходят через участки уже существующего волнистого потока.

Агустин Санчес-Лавега и соавторы сравнили наблюдения 2008–2014 годов, когда север Сатурна переходил от зимы к весне. Распределение скоростей в струйном течении за это время существенно не изменилось. Период вращения самого шестиугольника тоже оставался очень устойчивым.

Смена освещения меняет нагрев атмосферы, облачность и химические реакции в верхних слоях. Если бы форма полностью зависела от кратковременного сочетания этих условий, сезонная перемена могла бы её разрушить. Наблюдения показали более устойчивую систему. Поэтому среди объяснений рассматривают процессы в глубоких слоях, которые слабее откликаются на смену времен года у видимой поверхности.

В 2018 году группа Ли Флетчера описала ещё одну шестиугольную структуру. В стратосфере, примерно на 300 километров выше видимых облаков, обнаружилась тёплая полярная область с шестигранной границей. Исследователи связали её с влиянием волны, расположенной ниже.

Нижний облачный рисунок и верхняя температурная граница получены разными способами. Камера выделяет детали облаков, инфракрасные измерения позволяют восстановить температуру. Совпадение очертаний указывает, что движение в нижней атмосфере может влиять на значительно большую высоту. Учёным ещё нужно выяснить, как именно передаётся это воздействие и насколько глубоко уходит само течение.

Возраст шестиугольника при этом известен только в пределах наблюдений. Его снимали Voyager и Cassini, за ним следят с Земли и околоземной орбиты. Когда возникла эта волна, наблюдатели не застали.

Синий полюс стал золотистым

Пока форма течения оставалась почти прежней, цвет полярной области изменился. На изображениях 2012 года север внутри шестиугольника выглядел голубоватым. К 2016-му он приобрёл золотистый оттенок. На сравнительной панели использованы близкие к естественным цвета, поэтому перемена хорошо видна без специальной цветовой кодировки.

Перемену связывают с накоплением фотохимической дымки. Солнечное излучение вызывает реакции в верхней атмосфере, в результате которых образуются мелкие частицы. Когда света больше, количество и свойства этой взвеси меняются, а вместе с ними меняется и видимый цвет.

Такое объяснение проверили по данным камер и спектрометров за 2012–2017 годы. Расчёты показали, что изменение стратосферной дымки способно объяснить большую часть перехода от голубого к золотистому. Центральный глаз вихря отличался от окружающей области и оставался сравнительно тёмным.

Условные цвета на других иллюстрациях Cassini служат отдельной задаче: они делают заметнее различия между частицами и слоями облаков. Поэтому ярко-красный вихрь или бирюзовая полоса на обработанном кадре могут обозначать свойства излучения. Для наблюдавшейся сезонной перемены использовали именно изображения, передающие естественные оттенки.

У южного полюса появились десять сторон

В сентябре 2026 года история получила продолжение. ESA сообщило об обнаружении волны с десятью изгибами вокруг южного полюса Сатурна. Долгое время там не находили устойчивой фигуры, сопоставимой с северным шестиугольником.

Волнистую полосу сначала заметили на наземных изображениях. Затем исследователи обратились к снимкам Hubble, полученным в рамках программы OPAL — регулярных наблюдений за внешними планетами. В них удалось проследить южную фигуру начиная с 2023 года. Результаты и ссылка на научную работу приведены в сообщении ESA от 2 сентября 2026 года.

Новая волна ещё развивается, и длительного ряда наблюдений, сравнимого с северным, для неё нет. Зато теперь на одной планете доступны два разных многоугольных течения. У северного полюса десятилетиями сохраняются шесть сторон, у южного удалось наблюдать появление десяти. Именно этот ранний этап на севере был пропущен: к первым пролётам Voyager его шестиугольник уже существовал.