Η ατελείωτη καταιγίδα πάνω από τον Δία
Ο Philip Marcus, μπορεί να πει κανείς, έχει εμμονή με την πιο διάσημη καταιγίδα του ηλιακού συστήματος. Ο υπολογιστικός φυσικός και καθηγητής στο τμήμα μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, ερευνά τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα του Δία - έναν τεράστιο, ακούραστο τυφώνα που χρειάζεται έξι ημέρες για να περιστραφεί πλήρως - από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, όταν το Voyager 1 άρχισε να στέλνει κοντινές εικόνες του Δία πίσω στη Γη.
Εκείνη την εποχή, ο Μάρκους βρισκόταν στο Κορνέλ και όταν χρειαζόταν, όπως το έλεγε, «να ξεκουραστεί, να χαλαρώσει, ό,τι κι αν γίνει», πήγαινε σε μια ειδική βιβλιοθήκη, δίπλα στο κτίριο της αστροφυσικής, και θαύμαζε τις φωτογραφίες του Βόγιατζερ. Η καταιγίδα είχε μαίνεται εκατοντάδες εκατομμύρια μίλια μακριά τουλάχιστον από το 1665, όταν παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Ρόμπερτ Χουκ. «Συνειδητοποίησα ότι σχεδόν κανείς στην αστρονομία δεν είχε εκπαιδευτεί στη δυναμική των ρευστών, και ήμουν», μου είπε. "Και είπα, καλά, είμαι σε θέση εξίσου καλή με οποιονδήποτε άλλον για να αρχίσω να το μελετώ."
Στο τέλος αυτού του μήνα στο Σιάτλ, στο ετήσιο συνέδριο του Τμήματος Ρευστοδυναμικής της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας, ο Μάρκους θα αναφερθεί σε επανειλημμένες αναφορές ότι η Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα πεθαίνει. Οι παρατηρήσεις από την περασμένη άνοιξη, της καταιγίδας που ρίχνει κόκκινα σύννεφα, φαίνεται να υποδηλώνουν τον χαμό της. Ο Μάρκους δεν είναι πεπεισμένος. Όπως είπε στον Nautilus πρόσφατα, "Το σημείο είναι δεν πεθαίνει."
Τι σας συναρπάζει η Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα του Δία;
Διάφορα πράγματα. Ο κόσμος αναρωτιόταν εδώ και καιρό, γιατί η Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα υπάρχει εδώ και τόσο καιρό; Η Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα είναι μια καταιγίδα και έχουμε συνηθίσει τις καταιγίδες στη Γη. Ο μέσος τυφώνας διαρκεί δύο εβδομάδες το πολύ, και έχει έναν συγκεκριμένο μηχανισμό καταστροφής:είτε πηγαίνει σε δροσερό νερό, το οποίο του κόβει την παροχή καυσίμου, είτε πηγαίνει πάνω από τη στεριά, που πραγματικά διακόπτει την παροχή καυσίμου. Οι ανεμοστρόβιλοι είναι αρκετά εντυπωσιακοί, αλλά είναι πολύ εφήμεροι - διαρκούν μόνο λίγες ώρες. Γιατί λοιπόν έχουμε μια Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα που διαρκεί τόσο πολύ; Οι άνθρωποι συνήθιζαν να λένε, «Ω, είναι σύννεφα που κρέμονται γύρω από μια κορυφή βουνού». Ή «Είναι ένα παγόβουνο σε μια θάλασσα υδρογόνου». Αυτές οι θεωρίες σχεδόν σταμάτησαν γύρω στο 1979, όταν τα Voyagers 1 και 2 πέταξαν δίπλα στον πλανήτη. Κανείς δεν ήξερε πραγματικά ότι ήταν μια δίνη, ένας τεράστιος τυφώνας που χρειάζεται περίπου έξι ημέρες για μία μόνο περιστροφή. Οι Ηνωμένες Πολιτείες θα ταίριαζαν στο Red Spot μερικές εκατοντάδες φορές. Θέλω να πω, είναι πραγματικά τεράστιο. Ένα από τα σπουδαία πράγματα για τις αποστολές Voyager ήταν ότι τράβηξαν εκατοντάδες φωτογραφίες από τα σύννεφα που συνθέτουν την Κόκκινη Κηλίδα, έτσι ώστε να μπορέσουμε επιτέλους να δούμε όλο το πράγμα να στροβιλίζεται και έτσι ξέραμε σίγουρα ότι ήταν μια δίνη. Κανείς δεν ήξερε ότι γυρνούσε πραγματικά.
Τι το συνέχισε;
Οι μέσες ταχύτητες που κινούνται γύρω από το σημείο είναι περίπου μερικές εκατοντάδες μίλια την ώρα. Και τα αεριωθούμενα ρεύματα είναι επίσης της τάξης των εκατοντάδων μιλίων την ώρα. Αλλά οι εκτιμήσεις για τις κατακόρυφες ταχύτητες είναι πραγματικά πολύ μικρές. Είναι της τάξης των ιντσών ανά ώρα, όχι εκατοντάδων μιλίων ανά ώρα, και εξαιτίας αυτού, έχουν θεωρηθεί σε μεγάλο βαθμό ασήμαντοι. Αλλά οι κάθετοι άνεμοι συμβαίνουν σε μια μεγάλη περιοχή και συμβαίνουν συνεχώς, και επομένως πιστεύουμε ότι μπορεί να είναι πολύ σημαντικοί. Πιστεύουμε ότι αυτό που προσπαθεί να καταστρέψει τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα είναι η θερμότητα που μεταφέρεται στη δροσερή κορυφή και έξω από τον θερμό πυθμένα, που προσπαθεί να αποκαταστήσει την ισορροπία της ακτινοβολίας. Αλλά πιστεύουμε ότι αυτό που κάνει τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα να παραμένει ζωντανή παρά αυτή τη μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία είναι αυτή η μικρή κατακόρυφη ταχύτητα.
Υπάρχει ένας εμπειρικός κανόνας ότι καθώς οι άνεμοι πέφτουν, ζεσταίνονται, αλλά καθώς ανεβαίνουν, γίνονται κρύοι. Η θερμική ακτινοβολία με φωτόνια μέσα στη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα προσπαθεί να εξισορροπήσει τη θερμοκρασία του καπακιού και του δαπέδου της με τη γύρω ατμόσφαιρα. Αυτό θα έτεινε να κάνει το κρύο, πυκνό καπάκι πιο ζεστό και τελικά θα εξαφανιστεί, καταστρέφοντας τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα.
Αλλά καθώς το βαρύ καπάκι αρχίζει να διαλύεται, η ισορροπία πίεσης χάνεται. Η απώλεια ισορροπίας επιτρέπει στη συνέχεια στην υψηλή πίεση στο κέντρο της Μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας να ωθήσει τα αέρια κάθετα προς τα έξω μέσω του εξασθενημένου καπακιού. Καθώς ο άνεμος ανεβαίνει, ψύχεται, σύμφωνα με τον εμπειρικό μας κανόνα, και παρέχει κρύο αέρα στο καπάκι, αποκαθιστώντας το ως ένα δροσερό, βαρύ καπάκι. Μια παρόμοια διαδικασία συμβαίνει στο πάτωμα της Μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας και με τη σειρά της αποκαθιστά το θερμό πάτωμα στο κάτω μέρος που η θερμική ακτινοβολία προσπαθεί να καταστρέψει.
Επιπλέον, το προς τα πάνω κινούμενο αέριο που διέρχεται από το καπάκι διασκορπισμού πηγαίνει έξω από τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα, σταματά τελικά να ανεβαίνει και ωθείται προς τα έξω οριζόντια σε μια περιοχή που είναι πολύ μεγάλη σε σύγκριση με την περιοχή της Μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας. Στη συνέχεια σταματά να κινείται προς τα έξω και κατεβαίνει. Αυτό το κατερχόμενο αέριο ωθεί τα άτομα και τα μόρια της ατμόσφαιρας που περιβάλλει τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα προς τα κάτω, μειώνοντας σημαντικά τη δυνητική τους ενέργεια. Τελικά το αέριο ολοκληρώνει το ταξίδι του επιστρέφοντας σπίτι στο κέντρο της Μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας. Στο τελευταίο του ταξίδι επιστροφής στο σπίτι, αυτό το αέριο συλλέγει τη δυνητική ενέργεια που απελευθερώθηκε από την ατμόσφαιρα που περιβάλλει την Ερυθρά Κηλίδα.
Η συγκομιδή αυτής της ενέργειας είναι αυτή που εξισορροπεί την απώλεια της ενέργειας της Μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας από τη θερμική ακτινοβολία. Σε μια προσομοίωση υπολογιστή, μπορείτε πραγματικά να μετρήσετε την κατεύθυνση και το μέγεθος όλων των ενεργειών που μπαίνουν και βγαίνουν από τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα και ολόκληρος ο ενεργειακός προϋπολογισμός ισορροπεί πολύ όμορφα. Έχετε αυτή τη μεγάλη αποστράγγιση δυναμικής ενέργειας στην ατμόσφαιρα στην περιοχή γύρω από τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα λόγω αυτής της κυκλοφορίας αερίου, αλλά είναι εντάξει επειδή ο ήλιος αποκαθιστά την ακτινοβολική ισορροπία στη γύρω περιοχή και παρέχει εκ νέου την ενέργειά του. Έτσι, τελικά, η πηγή ενέργειας που εμποδίζει την καταστροφή της Μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας είναι ο ήλιος.
Πώς ξεκίνησε το Great Spot;
Η Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα πιθανότατα ξεκίνησε με έναν από τους δύο τρόπους:Θα μπορούσε να ήταν ένα μεγάλο, ανοδικό λοφίο που χτύπησε τη στρατόσφαιρα και τυλίχτηκε για να δημιουργήσει μια δίνη. Εάν ένα ανερχόμενο λοφίο μπορεί να φτάσει προς τα πάνω σε ένα μέρος της ατμόσφαιρας που είναι πραγματικά σταθερό, θα εξαπλωθεί προς τα έξω οριζόντια και όταν αρχίσει να απλώνεται, εάν βρίσκεται σε ένα πραγματικά γρήγορα περιστρεφόμενο σύστημα όπως ο Δίας, η εξάπλωση παράγει μια δίνη. Η άλλη πιθανότητα είναι ότι ένα ρεύμα πίδακα ήταν ασταθές και ξεκίνησε μια κυματιστή ταλάντωση και όταν το πλάτος του κύματος έγινε αρκετά μεγάλο, έσπασε, δημιουργώντας δίνες που στη συνέχεια συγχωνεύτηκαν.
Γιατί ξεκίνησε στον Δία και όχι κάπου αλλού;
Εδώ στη Γη, αν πετάτε πάνω από τον ωκεανό, μπορείτε σχεδόν σίγουρα να πείτε πότε υπάρχει ένα νησί από κάτω σας, επειδή υπάρχει ένα σύννεφο που κρέμεται από πάνω - τοπογραφικά χαρακτηριστικά συχνά καρφώνουν σύννεφα στον εαυτό τους. Αλλά δεν υπάρχει στερεή επιφάνεια στον Δία μέχρι να φτάσετε σε έναν πολύ μικρό πυρήνα. Είναι βασικά μια μπάλα υγρού. Δεν έχετε διαφορική θέρμανση μεταξύ ηπείρων και ωκεανών. Δεν έχετε ανέμους που διακόπτονται από οροσειρές. Δεν έχετε όλα αυτά τα ακατάστατα πράγματα, επομένως έχει ένα πολύ καλά οργανωμένο σύνολο ροών τζετ. Μόλις έχετε ρεύματα τζετ, οι δίνες σχηματίζονται απλώς φυσικά. Έχετε ανέμους που κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις, που κόβονται ο ένας εναντίον του άλλου. Σκεφτείτε ένα ρουλεμάν ανάμεσα σε δύο αντίθετα κινούμενους τοίχους. Οι τοίχοι κάνουν το ρουλεμάν να περιστρέφεται και τα αντίθετα κινούμενα ρεύματα πίδακα στον Δία κάνουν τον αέρα μεταξύ τους να περιστρέφεται. Οι δίνες μεταξύ των ροών αεριωθουμένων είναι ανθεκτικές σε οτιδήποτε χτυπήσει πάνω τους. Αν δημιουργήσω μια δίνη σε μια μπανιέρα και τη σπάσω, η δίνη γενικά έχει φύγει. Αν κάνω μια προσομοίωση μιας μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας στον Δία που κάθεται ανάμεσα σε ζωνικούς ανέμους και τη χτυπήσω, προσπαθήσω να τη σπάσω στα δύο, θα επανέλθει. Οπότε σκέφτομαι τα jet streams ως κήπους στους οποίους θέλετε να καλλιεργήσετε δίνες.
Τι κρατά το Spot ενωμένο φυσικά;
Εικάζω ότι το Red Spot είναι, από πάνω προς τα κάτω, κάπου μεταξύ 50 και 70 χιλιομέτρων. Από πλευρά σε πλευρά, είναι περίπου 26.000 χιλιόμετρα. Είναι λοιπόν μια τηγανίτα. Ακριβώς όπως με ένα σωληνάριο οδοντόκρεμας, αν σφίξω τη τηγανίτα με υψηλή πίεση στο κέντρο της, κάτι θα εκτοξευθεί από τα πλαϊνά και από πάνω και κάτω. Είναι γνωστό ότι η Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα έχει υψηλή πίεση στο κέντρο της, αλλά τα αέρια της δεν εκτοξεύονται οριζόντια από τις πλευρές της λόγω της δύναμης Coriolis προς αυτές τις κατευθύνσεις - αντίθετα εκτοξεύονται κάθετα από πάνω και κάτω. Λοιπόν, τι μπορεί να εμποδίσει τα αέρια να εκτοξευθούν κάθετα; Ο μόνος τρόπος που ξέρω για να το αποτρέψω αυτό είναι εάν η κορυφή της Μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας έχει ένα πυκνό κρύο καπάκι ατμόσφαιρας από πάνω της. Είναι αυτή η επιπλέον πυκνότητα που ωθεί τα αέρια στη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα προς τα κάτω. Και, κάτω από τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα, πρέπει να υπάρχει ένα ζεστό πλευστό δάπεδο ατμόσφαιρας, και αυτό το δάπεδο εμποδίζει το κέντρο υψηλής πίεσης να σπρώξει τα αέρια στη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα προς τα κάτω και έξω από τον πυθμένα του. Αυτή είναι η ισορροπία.
Έτσι, μπορείτε να κάνετε τόσο αριθμητικούς όσο και αναλυτικούς υπολογισμούς και να πείτε «Λοιπόν ρε, πόσο πυκνό καπάκι χρειάζομαι; Πόσο πλευστό πρέπει να είναι το δάπεδο για να φτάσει σε αυτή την ισορροπία;» Υπάρχει κινητική ενέργεια που σχετίζεται με τους ανέμους της δίνης, αλλά υπάρχει επίσης αυτή η επιπλέον δυναμική ενέργεια που σχετίζεται με το ψυχρό πυκνό καπάκι πάνω από αυτό και το πλευστό θερμό δάπεδο κάτω από αυτό. Ενώ οι περισσότεροι από τους συναδέλφους μου που μελετούν τη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα ανησυχούν για την κινητική ενέργεια, λέω:«Όχι, όχι, όχι, παιδιά:αυτό είναι μόνο το 16% περίπου». Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας της Μεγάλης Ερυθράς Κηλίδας βρίσκεται στη δυναμική ενέργεια ενός ψυχρού καπακιού υψηλής πυκνότητας και του θερμού πλευστού δαπέδου. Αν θέλετε να περάσετε άγρυπνες νύχτες ανησυχώντας για το τι θα μπορούσε να επιτεθεί στη Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα, σκεφτείτε τι θα μπορούσε να επιτεθεί στη δυνητική της ενέργεια.
Γιατί η τριβή δεν έχει διαλύσει το σημείο;
Η διαίσθησή μας λέει ότι οι δίνες δεν διαρκούν για πάντα, ότι υπάρχει πάντα κάποιο είδος τριβής που τις διαλύει. Η τριβή μπορεί να εμφανιστεί σε πολλές μορφές, έτσι ένα από τα πράγματα που οι άνθρωποι πίστευαν ότι ήταν ένας πολύ ενεργός τρόπος καταστροφής της Κόκκινης Κηλίδας ήταν η τριβή των κυμάτων Rossby. Τα κύματα Rossby είναι ένας τύπος κυμάτων στην ατμόσφαιρα που υπάρχει λόγω του γεγονότος ότι η ατμόσφαιρα είναι ένα περιστρεφόμενο σφαιρικό κέλυφος σε αντίθεση με ένα περιστρεφόμενο επίπεδο επίπεδο, και είναι κοινά στην ατμόσφαιρα και κινούνται αργά. Οι άνθρωποι πίστευαν ότι η Κόκκινη Κηλίδα επρόκειτο να εκπέμπει κύματα Rossby και αυτά τα κύματα Rossby θα μεταφέρουν ενέργεια μαζί τους. Όταν συμβαίνουν ξαφνικά, απαίσια πράγματα στην ατμόσφαιρα, όπως όταν συγκρούονται δύο δίνες ή κάτι τέτοιο, βλέπετε κύματα Rossby να βγαίνουν. Γενικά, όμως, μόλις δημιουργηθεί μια δίνη, διακόπτει τη μετάδοση των κυμάτων Rossby, οπότε δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι η ακτινοβολία των κυμάτων Rossby προσπαθεί να καταστρέψει την Ερυθρά Κηλίδα, η οποία στην πραγματικότητα βρίσκεται σε μια κατάσταση σχεδόν σχεδόν ισορροπίας.
Τι άλλο θα μπορούσε να το σταματήσει;
Εάν θέλετε να διερευνήσετε τι θα μπορούσε να επιτεθεί στην Κόκκινη Κηλίδα και να την εξαφανίσει, δεν πρέπει να ανησυχείτε μόνο για το τι επιτίθεται στην κινητική ενέργεια, όπως η τριβή. πρέπει επίσης να ανησυχείτε για κάτι που αποδεικνύεται πιο σημαντικό - τι επιτίθεται στη δυνητική ενέργεια. Υπάρχει ένας πολύ γνωστός λόγος για τον οποίο η δυνητική ενέργεια δέχεται επίθεση:Ονομάζεται «ακτινοβολική ισορροπία». Εάν επρόκειτο να δροσίσω μια περιοχή της ατμόσφαιρας της Γης, θα μπορούσα να βγάλω το χρονόμετρο μου και να πω:"Εντάξει, πόσο καιρό χρειάζεται αυτή η δροσερή περιοχή για να ζεσταθεί και να έρθει σε ισορροπία ακτινοβολίας με τη γύρω ατμόσφαιρα;" Ή, αν έφτιαχνα ένα μικρό hot spot κάπου, θα μπορούσα να βγάλω το χρονόμετρο μου και να πω:«Εντάξει, πόσος χρόνος χρειάζεται, μεταφέροντας φωτόνια και άλλα πράγματα, για να αποκατασταθεί η ισορροπία, ώστε να μην υπάρχει πλέον θερμική υπογραφή του θερμού μου σημείο?" Γνωρίζουμε από υπολογισμούς άλλων επιστημόνων, ότι στην τοποθεσία στην ατμόσφαιρα όπου βρίσκεται η Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα, ο χρόνος για την εξαφάνιση των καυτών ή δροσερών κηλίδων είναι περίπου 4 ½ χρόνια, έτσι ώστε η πρόσθετη ζεστασιά ή αυτή η επιπλέον δροσιά θα ήταν μέχρι τότε δυσδιάκριτη- έφυγε τελείως. Κάναμε λοιπόν πολλές αριθμητικές προσομοιώσεις και σίγουρα, αν βάλετε αυτό το φαινόμενο της θέρμανσης και της ψύξης στο μοντέλο υπολογιστή μας της Ερυθράς Κηλίδας, η Μεγάλη Ερυθρά Κηλίδα θα εξαφανιστεί σε 4½ χρόνια.
Ποια είναι η αξία της μελέτης της ατμόσφαιρας ενός μακρινού πλανήτη;
Εάν δεν καταλαβαίνουμε πώς λειτουργεί ο Δίας στο δικό μας ηλιακό σύστημα, πώς μπορούμε να καταλάβουμε πώς λειτουργούν οι Δίας γύρω από άλλους ήλιους; Η εύρεση των Δία σε άλλα ηλιακά συστήματα είναι ένα πολύ καυτό θέμα τώρα, γιατί θέλουμε να μάθουμε αν υπάρχουν άλλοι πλανήτες εκεί έξω και αν αυτοί οι άλλοι πλανήτες θα μπορούσαν να φιλοξενούν ζωή. Πρέπει να ξεκινήσετε από κάπου να μελετάτε πλανήτες γύρω από αστέρια εκτός από τον ήλιο μας και πρέπει να κάνετε χαζά λάθη. Έτσι ξεκινούν τα πεδία.
Τώρα θα κάνω ένα παράπονο:η NASA είναι ένας υπέροχος οργανισμός και είμαι ευγνώμων στη NASA για τη χρηματοδότηση που έχει δώσει σε εμένα και στους συναδέλφους μου θεωρητικούς. Αλλά το ποσό των χρημάτων που ξοδεύουν σε υλικό - για να ανεβάσουν πράγματα στο διάστημα, σε σύγκριση με το ποσό των χρημάτων που ξοδεύουν για να αναλύσουν τα δεδομένα που λαμβάνουν από αυτά τα πράγματα είναι πολύ ανισόρροπο. Υπάρχουν τόνοι δεδομένων από τα ταξίδια του Voyager που συλλέχθηκαν πριν από 31 χρόνια, τα οποία εξακολουθούν να μην έχουν αναλυθεί και η εξεύρεση χρηματοδότησης για την εξέτασή τους είναι πολύ, πολύ δύσκολη. Ο κόσμος λέει, «Ω, όχι, πρέπει να κάνεις κάτι νέο και συναρπαστικό με νέα δεδομένα! Δεν θέλετε να επιστρέψετε και να δείτε δεδομένα που είναι τόσο παλιά». Αλλά υπάρχουν πράγματα εκεί που είναι πραγματικά πολύτιμα! Αυτό που πουλά στο Κογκρέσο είναι το υλικό. Σε όλους αρέσει το υλικό. Αυτό που πραγματικά χρειάζεται η NASA —δεν μου αρέσει να το λέω αυτό—είναι ένας άλλος Carl Sagan. Ο Καρλ είχε την ικανότητα να κάνει τους ανθρώπους να εκτιμήσουν αυτό που ανακαλύψαμε καθώς και τις μηχανές που έκαναν δυνατές τις ανακαλύψεις.
Μπράιαν Γκάλαχερ είναι ο συντάκτης του Facts So Romantic, ο Nautilus ιστολόγιο. Ακολουθήστε τον στο Twitter @BSGallagher.
Κύρια φωτογραφία από τη NASA/JPL. Αυτή η εικόνα του Δία καταγράφηκε από το Voyager 1. Συναρμολογήθηκε από τρία ασπρόμαυρα αρνητικά.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε αρχικά στο "Slow". ” τεύχος τον Μάρτιο του 2015.
