شبیه‌سازی کامپیوتری جریان‌های گردابی روی مشتری

شبیه‌سازی کامپیوتری جریان‌های گردابی روی مشتری

در تصویر بالا در سمت چپ سیاره‌ی مشتری و درسمت راست جریان عمیق اتمسفری شبیه‌سازی‌شده از این سیاره را می‌بینید. تصویر اصلی در واقع تصویری است که تلسکوپ فضایی هابل از مشتری گرفته است.

تصویر دوم دیدگاه جالبی از حالت گردابی موجود در مرز بیرونی، مرز درونی و سیاره به ما می‌دهد برش نصف‌النهاری می‌دهد. لکه های آبیواچرخندها هستند که در واقع جریان‌های غالب روی مشتری بوده و در جهتی خلاف جهت گردش جریان‌های واچرخندی کره‌ی زمین حرکت می‌کنند.

در شبیه‌سازی انجام شده جریان‌های واچرخندی با باریکه‌های چرخندهاحاطه شده‌اند که این باریکه‌ها در سطح مشتری هم دیده شده بودند. این تصویر همچنین حالت گردابی برش مقطعی را هم نشان می‌دهد که به مراتب از جریان‌های گردابی روی سطح ضعیف‌‌تر است. جریان داخلی در برش نصف‌النهاری مشاهده می‌شود که به نظر می‌رسد قویا تحت تاثیر حرکات چرخشی سیاره شکل گرفته است.

یک پژوهشگر در دانشگاه آلبرتا توانسته است یک مدل یه‌بعدی کارآمد ازجریان‌های جتی و توفان‌های روی مشتری و زحل بسازد. این مدل به بخشی از پرسش‌هایمان درباره‌ی فرآیند‌های دینامیکی روی سیارات پاسخ خواهد داد. نتایج به دست آمده درک عمیق‌تری از اتمسفر سیاره‌ها را به ما می‌دهد و نشانه‌هایی را در مورد وجود الگوهای هوایی همانند کره‌ی زمین بر روی سیارات مشتری و زحل و همچنین جریان‌های جتی وجریان‌های اقیانوسی روی آنها به دانشمندان می‌دهد.

مورتیز هیمپل (Mortiz Heimpel) پروفسور فیزیک دانشگاه آلبرتا که مطالعاتش منجر به ساخت یک مدل از مشاهدات انجام شده از سطح مشتری شده است، در این باره می‌گوید:

از سال‌ها پیش و از زمانی که جیوانی کاسینی (Giovanni Cassini) ستاره‌شناس ایتالیایی با تلسکوپ خود مشاهداتی از سطح مشتری به دست آورد تا به امروز، نوارها و لکه‌های روی سیاره‌ی مشتری ستاره‌شناسان و فیزیک‌دانان را شگفت زده کرده است.

نوارهایی که هیمپل از آنها یاد می‌کند در واقع جریان‌های جتی بوده و لکه‌ها هم نشانه‌ی توفان‌ها هستند. هیمپل در حال مطالعه‌ی سازوکارهای دینامیکی بین این دو پدیده است. او ادامه می‌دهد:

یک شهروند عادی هم می‌تواند با استفاده از یک تلسکوپ ساده در حیاط خانه‌ی خود به آسمان نگاه کند و ساختارهایی را مشاهده کند که ما درباره‌ی آن صحبت می‌کنیم. با این وجود حتی در زمان حال هم که فضاپیمای کاسینی (Cassini)  به دور زحل و فضاپیمای جونو (Juno) به دور مشتری در گردش هستند باز هم درباره‌ی فرآیندهای دینامیکی اتمسفر این سیاره‌های عظیم پرسش‌های زیادی در ذهن داریم. با وجود اینکه ما بیش از ۳۵۰ سال است که این سیاره‌ها را مورد رصد و بررسی قرار داده ایم ولی همچنان درباره‌ی جریان‌های جتی، گردبادها و توفان‌های سیاره‌ای کارهای انجام نشده‌ی زیادی باقی است.

شبیه‌سازی لایه‌های هوای کم‌عمق توانسته است تا به خوبی جریان‌های جتی روی مشتری و زحل را بازسازی کند و این در حالی است که مدل‌های جریان عمیق قبلی هرگز نتوانسته بودند گردبادها را بازسازی کند. هیمپل و همکارانش با استفاده از معادلات دینامیک سیالات و ابرکامپیوترها توانسته‌اند شبیه‌سازی‌‌های واقع‌بینانه‌تری انجام دهند و مدل‌های آنها دیدگاه عمیق‌تری از پیدایش هر دو پدیده ارائه می‌کنند و در واقع به عنوان یک گام رو به جلو تلقی می‌شود. هیمپل در این مورد می‌گوید:

یکی از پرسش‌های بزرگی که ما با‌ آن روبرو بودیم این بود که این پدیده‌ها تا چه عمقی وجود دارند؟ ریشه‌ی این توفان‌ها در جریان‌های جتی است و از سوی دیگر برای متوقف کردن آنها سطح جامدی وجود ندارد. بر اساس مدل ما، جریان‌های جتی هنگامی که توفان‌ها هنوز ضعیف‌تر هستند به سمت داخل سیاره فرو می‌روند.

بر خلاف کره‌ی زمین که در آن توفان‌های بزرگ پس از رسیدن به خشکی فروکش می‌کنند، توفان‌های سیاره‌ای می‌توانند تا قرن‌های متمادی ادامه داشته باشند. او ادامه می‌دهد:

در اصل پژوهش‌های ما از روی کنجکاوی اولیه شروع شد و مشاهدات ما در ادامه باعث شکل‌گیری ایده‌های در ذهنمان شد. ما در این راه از ماموریت‌های فضایی ارزشمند ناسا و تلسکوپ‌های زمینی کمک گرفتیم. ما اکنون می‌خواهیم مشاهدات خود را با تئوری تطبیق دهیم.

گروه هیمپل پس از این هم به پژوهش‌های بیشتر در این مورد ادامه می‌دهند و با رسیدن فضاپیمای جونو به یکی از قمرهای قطبی مشتری در تابستان سال ۲۰۱۶ و همچنین انجام فاز نهایی ماموریت کاسینی در رسیدن به یکی از قمرهای قطبی زحل در سال ۲۰۱۷، پژوهش‌های آن‌ها وارد مرحله‌ی جدیدتری خواهد شد.

این دو ماموریت در واقع برای تایید صحت پیش‌بینی‌های به دست آمده از شبیه‌سازی کامپیوتری کلیدی خواهند بود و موضوع مهم‌تر این است که انجام این ماموریت‌ها خود باعث پیدا شدن پرسش‌ها و ابهامات جدید می‌شود که در ادامه ما را به سمت تحلیل‌های بسیار پیچیده‌تر خواهد برد.

هیمپل و گروهش در دانشگاه آلبرتا یکی از چند گروه کانادایی هستند که از ابرکامپیوترها برای حل مسایل مرتبط با اتمسفر سیاره‌ای و دینامیک درونی سیاره‌ها استفاده می‌کنند. این گروه به عنوان بخشی از یک سیستم ملی موسوم به کامپیوت کانادا (Compute Canada) فعالیت می‌کنند که کار این سیستم به اشتراک گذاشتن منابع و مراجع علمی بین دانشگاه‌ها است.

گروه هیمپل در این کار پژوهشی با دو پژوهشگر به نام‌های توماس گاستین (Thomas Gastine) و یوهان ویشت (Johannes Wicht) از انستیتوی مکس پلنک آلمان همکاری داشتند که این انستیتو در زمینه‌ی تحقیقات منظومه‌ی شمسی فعالیت دارد.