צילומים של החללית ג'ונו גילו כי סופות הציקלון העצומות בקטבים של כוכב הלכת הענקי מוקפות במעגלים של סופות קטנות יותר, שאיש לא ידע להסביר איך הן נוצרו. חוקרים מישראל פתרו את התעלומה

אחד ההיבטים המעניינים של מערכת השמש היא העובדה שכוכבי הלכת שלה, ורוב הירחים שלהם, מקיפים את השמש פחות או יותר באותו מישור. לתופעה הזו יש גם חיסרון מסוים, כי אנו כמעט אף פעם לא רואים מה קורה בקטבים של כוכבי הלכת, שאינם נראים מפני כדור הארץ. גם רוב החלליות שנשלחו אל כוכבי הלכת לא עברו כמעט במסלולים המאפשרים מבט מעמיק על הקטבים שלהם. כך קרה שאחרי יותר מ-400 שנה של תצפיות בטלסקופים ויותר מ-60 שנות שיגור חלליות, רק בשנת 2018, כשנתיים לאחר שנכנסה למסלול סביב צדק, סיפקה החללית ג'ונו הצצה משמעותית ראשונה לקטבים של כוכב הלכת, וזו הניבה ממצאים מפתיעים.

צילומים מעטים יחסית של הקטבים של שבתאי, שעשתה החללית קסיני במשך 13 שנות פעילותה במערכת שלו, העלו כי בקטבים של ענק הגזים יש סופות ציקלון ענקיות. הצילומים של ג'ונו העלו שגם בכל אחד מהקטבים של צדק מסתחררת לה סופת ציקלון גדולה, אלא ששם חיכתה לחוקרים עוד הפתעה: סביב הסופה הקוטבית הגדולה היה מעגל של סופות ציקלון נוספות, קטנות ממנה אך עדיין ענקיות, בקוטר של כ-3,000 קילומטרים כל אחת. שמונה סופות כאלה נראו סביב הקוטב הצפוני של צדק, וחמש סביב הקוטב הדרומי. כעבור כמה שבועות הופתעו החוקרים שוב, כשסופה שישית הצטרפה למעגל הדרומי, ובהמשך נעלמה. התצפיות האלה עוררו שאלות רבות: איך נוצרים מעגלי הסופות? מדוע יש מעגל ציקלונים כזה בצדק, אך לא בשבתאי הדומה לו מבחינות רבות? מדוע מספר הציקלונים שונה בכל קוטב, וכיצד הוא משתנה בקוטב הדרומי?

שמונה סופות בקוטר של כ-3,000 קילומטר סביב ציקלון מרכזי גדול עוד יותר. הקוטב הצפונים של צדק בצילום של החללית ג'ונו | צילום: NASA
שמונה סופות בקוטר של כ-3,000 קילומטר סביב ציקלון מרכזי גדול עוד יותר. הקוטב הצפוני של צדק בצילום של החללית ג'ונו | צילום: NASA

דינמיקה של זורמים

השאלות הללו העסיקו רבות את הגיאופיזיקאים וחוקרי כוכבי הלכת, בהם פרופ' יוחאי כספי מהמחלקה למדעי כדור הארץ ולמדעים פלנטריים במכון ויצמן למדע. כספי חוקר בין השאר תהליכים אטמוספריים בשבתאי, וגם בצדק, כחבר בצוות המדעי של ג'ונו. בתחילת השנה שעברה הצטרף אליו תלמיד חדש לדוקטורט, נמרוד גבריאל, שבא מתחום הנדסת האנרגיה, ובעבודת המוסמך שלו בטכניון עסק בהפרדת גזים באמצעות גלי קול. "התחומים אמנם נשמעים מאוד שונים, אבל בסופו של דבר שניהם עוסקים בדינמיקה של זורמים והמשוואות הן אותן משוואות, גם אם עוברים מסדרי גודל מיקרוסקופיים לסדרי גודל של אלפי קילומטרים", אמר גבריאל לאתר מכון דוידסון. "מיקום הסופות ומספרן היו שאלות פתוחות ונמרוד פתר אותן ופיתח מודל המסביר את הממצאים", אמר כספי. הממצאים מתפרסמים במאמר בכתב העת Nature Geoscience.

בכדור הארץ סופות הציקלון הנפוצות ביותר הן סופות ההוריקן, הנוצרות באוקיינוס האטלנטי באזור קו המשווה, ונודדות מערבה וצפונה בשל תנועת הסיבוב שלהן ושל כדור הארץ. אם הן מגיעות צפונה לאזור קו רוחב ∘60, רוחות זרמי הסילון הנושבות מזרחה מפזרות אותן. גם בצדק יש זרמי סילון אופקיים, פחות או יותר בין קווי הרוחב ∘60 צפון ל-∘60 דרום, והם מונעים מסופות שנוצרות שם, כמו הכתם האדום הגדול, לנוע לכיוון הקטבים. ואולם, סופות שנוצרות מעבר לתחום קווי הרוחב האלה אכן נעות לכיוון הקוטב בשל סך הכוחות הפועלים עליהן, ויוצרות את הציקלונים הקוטביים הגדולים שיש בצדק וגם בשבתאי.

"הציקלון המרכזי בקוטב יוצר גם הוא כוח ערבוליות שלמעשה דוחה את הציקלונים שנעים לכיוון הקוטב. במקום מסוים, קרוב יחסית לקוטב, הכוחות הדוחפים לשם את הסופות מתאזנים עם כוח הדחייה של הציקלון המרכזי. על פי המודלים שפיתחנו זה קורה בערך בקו רוחב ∘84, ושם אכן נוצר מעגל הציקלונים", מסביר גבריאל.

מודל פשוט שעונה על שאלות מורכבות. גבריאל (מימין) וכספי עם דגם של כוכב הלכת צדק | צילום: איתי נבו
מודל פשוט שעונה על שאלות מורכבות. גבריאל (מימין) וכספי עם דגם של כוכב הלכת צדק | צילום: איתי נבו

כל קוטב והסופות שלו

כשהחוקרים הזינו למודל את נתוני הרדיוס ומהירות הסיבוב של הציקלונים הקוטביים בצדק ובשבתאי, ואת הנתונים של כוכבי הלכת עצמם, התבררה הסיבה להבדל במערכות הסופות. "בשבתאי הציקלון המרכזי גדול יותר, והוא יכול לדחות ציקלונים כלפי חוץ רק במרחק רב יותר מהקוטב, שם הכוח הדוחף את הציקלונים אל הקוטב חזק מידי. לכן הסופות שמתקרבות אל הקוטב של שבתאי נשאבות לציקלון המרכזי. אם הציקלון המרכזי שם יקטן קצת, או יסתובב מהר יותר, אולי יווצרו גם שם סופות הקפיות כאלה", אומר כספי. "מה שיפה במודל הזה הוא שהוא פשוט יחסית, ומחשב מערכת מורכבת על סמך מעט פרמטרים, בהם גודל הסופות, מהירותן, ומהירות הסיבוב של הפלנטות. המודל גם מתאים לכל כוכב לכת מהסוג של צדק ושבתאי, גם במערכות שמש אחרות".

בשלב הבא ניסו החוקרים להבין את הסיבה להבדל בין מספר הסופות ההיקפיות בשני הקטבים של צדק, ואת הסיבה לשינוי מספר הסופות סביב הקוטב הדרומי. הם הזינו למודל של גבריאל את הנתונים הרלוונטיים לגבי גודל הציקלונים ומהירותם, וחישבו את מספר הסופות ההיקפיות הצפוי. בקוטב הצפוני המספר אכן קרוב לשמונה, אבל בקוטב הדרומי הנתון שהתקבל הוא 5.62 סופות ציקלון היקפיות. "המשמעות היא שלחמישה ציקלונים יש מקום, אבל לציקלון שישי אין ממש, וכשהוא מופיע המצב לא יציב, ולכן הוא נעלם מהר", מסביר כספי. "ראינו את התופעה הזו מתרחשת שוב בצילומים של צדק ממש לפני כמה שבועות".

"למרות הסטייה המזערית בציר הסיבוב העצמי של צדק ביחס לציר הסיבוב שלו סביב השמש, ייתכן שנראה שם חילופי עונות בהן נחזה בהיפוך של המצב בשני הקטבים", אומר גבריאל. משימת החלל של ג'ונו קיבלה לאחרונה הארכה שבעיקבותיה תמשיך לספק צילומים מרהיבים של צדק עד שנת 2025. בנוסף, שינויים קלים במסלול החללית בין הקפה להקפה יבואו את ג'ונו קרוב יותר מאי פעם אל הקוטב הצפוני, מה שיאפשר איפיון מעמיק יותר של התהליכים שקורים שם.  "משך המשימה של גונו, והיעפים המתוככנים קרוב מאד לקוטב הצפוני בהחלט עשויים להרחיב את הידע שלנו ולהניב הפתעות", מסכם כספי.
רק חמש סופות סביב הציקלון המרכזי, ולעיתים מופיעה סופה שישית לזמן קצר. הקוטב הדרומי של צדק, בצילום תת-אדום מהחללית ג'ונו | צילום: NASA

בשלב הבא רוצים החוקרים להתמקד בציקלונים הקוטביים המרכזיים, כדי לנסות להבין מה קובע את הגודל שלהם, ולאיזה עומק של האטמוספרה הם חודרים. "ככל שהסופות יציבות יותר זה אומר שיש להם יותר מסה, והן עמוקות יותר", מציין כספי.

"למרות הסטייה המזערית בציר הסיבוב העצמי של צדק ביחס לציר הסיבוב שלו סביב השמש, ייתכן שנראה שם חילופי עונות, שבהן נחזה בהיפוך של המצב בשני הקטבים", אומר גבריאל. משימת ג'ונו הוארכה לאחרונה, והיא אמורה להמשיך לספק צילומים מרהיבים של צדק עד שנת 2025. בנוסף, שינויים קלים במסלול החללית בין הקפה להקפה יבואו את ג'ונו קרוב יותר מאי פעם אל הקוטב הצפוני, מה שיאפשר איפיון מעמיק יותר של התהליכים שקורים שם. "משך המשימה של ג'ונו, והיעפים המתוככנים קרוב מאד לקוטב הצפוני בהחלט עשויים להרחיב את הידע שלנו ולהניב הפתעות", מסכם כספי.

טיסה מעל הקוטב הצפוני של צדק: הסרטון של NASA מורכב מתמונות שצילמה החללית ג'ונו בקרינה תת-אדומה: