لماذا لا تموت بقعة حمراء كبيرة للمشتري

يقول لي فيليب ماركوس ، عالم الفيزياء الحاسوبية وأستاذ الهندسة في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: "إن الابتعاد عن القراءة خطأ" ، على فنجان من القهوة في مقهى بالقرب من الحرم الجامعي. "أنت تتعلم الكثير. هذه هي الطريقة التي أصبحت مدمن مخدرات ديناميكيات السوائل. "

وكان ذلك في عام 1978 ، عندما عمل ماركوس للسنة الأولى كطبيب علوم في كورنيل ، متخصصًا في المحاكاة العددية للحمل الحراري الشمسي باستخدام الطرق الطيفية. لكنه أراد دراسة تطور الكون والنظرية العامة للنسبية. وقال إن المشكلة تكمن في أن الناس ادعوا أنهم لم يروا نتائج عمل النسبية العامة طوال حياتهم. ونتيجة لذلك ، "هدأت هذه المنطقة قليلاً ، وقد اختلف جميع المتخصصين في النسبية العامة إلى مناطق أخرى."

في عام 1978 ، بدأت فوييجر 1 في إرسال صور مقربة للمشتري إلى الأرض. عندما احتاج ماركوس ، كما يقول ، إلى "الاسترخاء ، وتخفيف التوتر ، وكل ذلك" ، ذهب إلى مختبر خاص يقع بجوار مبنى الفيزياء الفلكية وأعجب بصور البقعة الحمراء العظيمة المأخوذة من فوييجر. اجتازت العاصفة بالفعل مئات الملايين من الأميال ، على الأقل منذ عام 1665 ، عندما شاهده روبرت هوك لأول مرة. قال لي: "أدركت أنه لا يوجد أحد تقريبًا في مجال علم الفلك على دراية بديناميكيات السوائل ، لكنني كنت هناك فقط". "وقلت - حسنًا ، لدي الفرصة لدراسة هذه القضية ، وهي ليست أسوأ من غيرها".

لذلك لم يتوقف منذ ذلك الحين. اليوم ، هو خبير في العاصفة الأكثر شهرة في النظام الشمسي. امتلاك بنية راكب الدراجة الجبلية ، يجيب على أسئلتي ، يتحرك بنشاط ، ويلوح في بعض الأحيان بذراعيه في محاولة لتوضيح كلماته. اعترف أن طاقته يمكن أن تؤدي إلى الخرقاء. يقول: "الناس يشكون بي". "إذا دخلت المختبر ، فسأكسر شيئًا على الفور". لحسن الحظ ، قال: "كنت محظوظًا جدًا لأنني صديق للعديد من المجربين".

ما الذي يدهشك في البقعة الحمراء الكبرى؟

بعض الأشياء. لطالما فكر الناس في سبب البقعة الحمراء العظيمة (BKP) منذ فترة طويلة؟ BKP هي عاصفة ، ونحن معتادون على العواصف الأرضية. يعيش متوسط ​​الإعصار لمدة أسبوعين كحد أقصى ، وآلية تدميره مؤكدة تمامًا: إما أنه يمر فوق الماء البارد ويفقد الطاقة ، أو يمر فوق الأرض ويفقد الطاقة بشكل كبير. إن الإعصار شيء مثير للإعجاب ، لكنه لا يعيش سوى بضع ساعات. فلماذا يعيش BKP طويلا؟ اعتاد الناس على القول: "هذه غيوم باقية على قمة جبل". أو: "هذا جبل جليدي في بحر من الهيدروجين". انتهت نظريات مماثلة دفعة واحدة في عام 1979 ، عندما حلقت فوييجر 1 و 2 عبر الكوكب. لم يعلم أحد بعد ذلك أنه كان زوبعة ، إعصارًا ضخمًا ، استغرق الأمر ستة أيام. ستصل الولايات المتحدة إلى حزب العمال الكردستاني بضع مئات من المرات. إنه ضخم بالفعل. كان من الإنجازات الرائعة لمهام فوييجر أنها التقطت مئات الصور من السحب التي تشكل BKP ، وتمكنا أخيرًا من رؤية كيف يتحول هذا الشيء ، ثم تمكنا من القول بثقة أن هذه زوبعة. حتى ذلك الحين ، لم يكن أحد يعرف أنها تدور.

كيف جاء BKP؟

ربما ظهر BKP بإحدى طريقتين. يمكن أن يكون تدفقًا صاعدًا للغاز ، يصل إلى الستراتوسفير ويختتم ، وهذا هو السبب في تحول الدوامة. إذا كان التدفق الصاعد يمكن أن يصل إلى طبقة مستقرة بما فيه الكفاية في الغلاف الجوي ، يمكن أن ينتشر أفقياً ، وعندما ينتشر هذا التدفق أفقياً على نظام سريع الدوران مثل المشتري ، فإن هذا الانتشار يؤدي إلى تكوين دوامة. الاحتمال الآخر هو أن التيار النفاث في الغلاف الجوي فقد الاستقرار ، وبدأت تذبذبات الموجة ، وعندما زاد اتساع الموجة إلى حد معين ، انهار ، وشكل دوامات صغيرة ، ثم اندمجت.

لماذا ظهر على المشتري وليس في مكان آخر؟

على الأرض ، إذا كنت تطير فوق المحيط ، يمكنك تقريبًا أن تحدد بالضبط الأماكن التي ستكون فيها الجزر تحتك ، لأن الغيوم ستتدلى فوقها - غالبًا ما تجذب السمات الطبوغرافية الغيوم لأنفسهم. ولكن لا يوجد سطح صلب على المشتري ، إلا إذا نزلت إلى قلب ضحل للغاية. هذه في الأساس كرة من السوائل. لا يوجد فرق في التدفئة بين القارات والجزر. الرياح لا تقطعها سلاسل الجبال. كل هذا ليس ، إذن ، هناك مجموعة من التدفقات المنظمة بشكل جيد للغاية عليها. وإذا كان لديك مثل هذه التيارات ، فإن الدوامات تظهر بشكل طبيعي. الرياح تسير في اتجاهين متعاكسين ، فرك ضد بعضها البعض. إنها مثل كرة تحمل تقع بين جدارين تتحرك في اتجاهين متعاكسين. الجدران تجعل الكرة تدور ، والتيارات المتضاربة على المشتري تجعل الهواء يدور بينهما. الدوامات المشكلة بين التيارات تقاوم كل ما يصطدم بها. إذا قمت بالدوران في الحمام وصفعته ، فسوف يختفي. إذا قمت بعمل محاكاة BKP على المشتري ، تقع بين رياح المنطقة ، وقمت بصفعها ، في محاولة لتقسيمها إلى قسمين ، فسوف تتجمع مرة أخرى. لذلك ، أتخيل التيارات النفاثة كحدائق يمكن أن تنمو فيها الدوامات.

وما الذي يمنع BKP جسديًا من التفكك؟

أعتقد أن ارتفاع BKP هو 50-70 كم. يبلغ قطرها حوالي 26000 كم. اتضح مثل هذا فطيرة. كما هو الحال مع أنبوب معجون الأسنان ، إذا ضغطت على فطيرة في الوسط ، فسيخرج شيء من جوانبها ، وكذلك من فوق وأسفل. من المعروف أنه في وسط BKP هناك ضغط مرتفع ، لكن غازاته لا تتسلل أفقياً من جميع الجوانب بسبب قوة Coriolis - فهي تزحف عموديًا من الأعلى ومن الأسفل. إذن ما الذي يمنع الغازات من الخروج من الأعلى والأسفل؟ أنا أعرف طريقة واحدة فقط لمنع هذا. على رأس BKP هناك غطاء جو بارد كثيف. هذه الكثافة الإضافية هي التي تدفع غازات BKP إلى الأسفل. وتحت BKP ، يجب أن يكون هناك قاع دافئ عائم في الغلاف الجوي ، مما يمنع الضغط العالي في المركز لدفع الغازات خارج BKP لأسفل. هذا توازن.

يمكنك إجراء حسابات عددية وتحليلية والتفكير: "يا إلهي ، أتساءل ، ما مقدار الغطاء السميك المطلوب هنا؟ أي قاع يجب أن يكون هناك طفو لتحقيق هذا التوازن؟ " ترتبط الطاقة الحركية برياح الدوامة ، وترتبط الطاقة الكامنة بغطاء بارد وكثيف في الأعلى وقاع دافئ عائم أدناه. يركز معظم زملائي الذين يدرسون BKP على الطاقة الحركية ، لكنني أقول لهم: "لا ، لا ، يا شباب ، يتم تركيز 16٪ فقط من الطاقة فيها". معظم طاقة BKP هي الطاقة الكامنة لغطاء بارد كثيف وقاع عائم دافئ. إذا كنت لا ترغب في النوم ليلًا ، ففكر فيما يمكن أن يهاجمه حزب العمال الكردستاني ، ثم فكر في ما يمكن أن تهاجمه طاقته المحتملة.

لماذا لا ينفصل BKP عن الاحتكاك؟

يخبرنا حدسنا أن الدوامات ليست أبدية ، وأنها تتفكك دائمًا بسبب بعض الاحتكاك. يمكن أن يكون الاحتكاك مختلفًا ، وأحد الأسباب التي يمكن أن تدمر BKP ، وفقًا للناس ، ستكون موجات روسبي . موجات روسبي هي أحد أنواع الموجات الجوية الموجودة لأن الغلاف الجوي عبارة عن قشرة كروية دوارة ، وليست طائرة دوارة. غالبًا ما توجد في الغلاف الجوي ، وتتحرك بسرعة منخفضة. اعتقد الناس أن BKP سيبدأ في إشعاع موجات روسبي ، والتي ستأخذ منه الطاقة. عندما تحدث أحداث غير متوقعة في الغلاف الجوي ، على سبيل المثال ، تصطدم دوامة اثنين ، تظهر موجات روسبي نتيجة لذلك. ولكن عادة بعد تشكيل الدوامة ، فإنه ينتهي بانبعاث موجات روسبي ، وبالتالي ، لا يوجد دليل على أن إشعاع موجات روسبي سوف يدمر BKP ، وهو في حالة شبه توازن.

ماذا يمكن أن يمنعه؟

إذا بدأت في دراسة مسألة ما يمكن أن يهاجم BKP وتدميره ، فعليك التفكير ليس فقط في تأثير عوامل مثل الاحتكاك على الطاقة الحركية ؛ عليك أن تفكر في ما يتبين أنه أكثر أهمية - ما يهاجم الطاقة الكامنة. هناك سبب معروف للتسرب المحتمل للطاقة الكامنة - يطلق عليه " التوازن الإشعاعي ". إذا تمكنت من تبريد جزء واحد من الغلاف الجوي للأرض ، فيمكنني أخذ ساعة إيقاف وقول: "لذا ، أتساءل إلى متى يسخن هذا القسم مرة أخرى ويدخل في توازن إشعاعي مع الغلاف الجوي المحيط؟" أو ، إذا قمت بعمل نقطة ساخنة صغيرة في مكان ما ، فيمكنني أن أسأل: "كم من الوقت سيستغرق إنشاء التوازن بسبب نقل الفوتونات وكل شيء آخر ، وبعد ذلك يفقد موقعي اختلافات درجات الحرارة؟" من حسابات العلماء الآخرين ، من المعروف أنه في مكان الغلاف الجوي حيث يقع BKP ، تختفي المناطق الباردة أو الساخنة في حوالي أربع سنوات ونصف - هذه المرة مطلوبة للمناطق الدافئة أو الباردة بشكل خاص بحيث لا يمكن تمييزها تمامًا عن البيئة. لذلك قمنا بالكثير من المحاكاة العددية ، وإذا أدخلنا تأثير الاحترار أو التبريد في نموذج الكمبيوتر لدينا ، فقد اتضح أن BKP يتحلل خلال أربع سنوات ونصف.

وماذا يطعمه؟

يبلغ متوسط ​​السرعة حول هذه البقعة حوالي ثلاثمائة كيلومتر في الساعة. تتحرك التيارات النفاثة أيضًا بنفس السرعة تقريبًا. لكن سرعاتها العمودية تعتبر صغيرة جدًا. من المرجح أن تكون في حدود السنتيمترات في الساعة ، وبالتالي يتم إهمالها عادة. لكن الرياح الرأسية تظهر باستمرار في مناطق واسعة من الغلاف الجوي ، وبالتالي نعتقد أنه لا يمكن خصمها. نعتقد أن الحرارة التي تنتقل إلى الغطاء البارد ومن القاع الدافئ ، وتحاول إنشاء توازن مشع ، تحاول تدمير BKP. لكننا نعتقد أن BKP تمكن من البقاء ، على الرغم من هذا انتقال الحرارة المشع ، لأن سرعته الرأسية صغيرة جدًا.

من الناحية العملية ، يمكننا أن نفترض أنه عندما تسقط الرياح ، فإنها تصبح أكثر دفئًا ، وعندما ترتفع ، تبرد. يحاول الإشعاع الحراري للفوتونات داخل BKP موازنة درجة حرارة غطاءه وأسفله مع درجة حرارة الغلاف الجوي المحيط. وهذا من شأنه أن يجعل الغطاء الضيق البارد أكثر دفئًا ، وفي النهاية يجب أن يختفي ، مما سيدمر BKP.

ولكن في بداية تشتت BKP ، يتم فقدان توازن الضغط. يسمح فقدان التوازن للضغط العالي في وسط BKP بدفع الغازات عموديًا من خلال غطاء ضعيف. عند التقاطها ، تبرد الرياح ، التي تزود الغطاء بهواء بارد جديد ، ونتيجة لذلك يبرد ويصبح أثقل. تحدث نفس العملية تقريبًا في الجزء السفلي من BKP ، وتستعيد القاع الدافئ ، الذي يحاول تدمير الإشعاع الحراري.

بالإضافة إلى ذلك ، يتحرك الغاز عموديًا إلى الأعلى ، ويمر عبر الغطاء المختفي ، ويترك BKP ويتوقف أخيرًا عن الارتفاع ، ويتم تسويته أفقيًا في منطقة عدة أضعاف مساحة BKP. ثم يتوقف عن الحركة ويهبط. يدفع هذا الغاز الهابط ذرات وجزيئات الغلاف الجوي المحيطة بـ BKP إلى أسفل ، مما يقلل من طاقتها المحتملة. ونتيجة لذلك ، ينهي الغاز رحلته ويعود إلى مركز BKP. في طريق العودة إلى المنزل ، يجمع الغاز الطاقة الكامنة المنبعثة من الجو المحيط بـ BKP.

يؤدي جمع هذه الطاقة إلى موازنة فقدان طاقة BKP من خلال الإشعاع الحراري. في محاكاة الكمبيوتر ، يمكنك قياس اتجاه وقوة جميع الطاقات الداخلة والخارجة من BKP ، وتناسب ميزانية الطاقة بأكملها هذه تمامًا. هناك تسرب كبير من الطاقة الكامنة في الغلاف الجوي المحيط بـ BKP بسبب دوران الغاز ، ولكن لا يوجد ما يدعو للقلق ، حيث تعيد الشمس التوازن الإشعاعي في هذا المكان وتعطي طاقة إضافية. لذلك اتضح في النهاية أن الشمس تعمل كمصدر للطاقة لمنع اختفاء BKP.

ما قيمة دراسة الغلاف الجوي لكوكب بعيد؟

إذا كنت لا تفهم كيف يعمل المشتري في نظامنا الشمسي ، كيف يمكنك فهم كيفية عمل المشتري حول شموس أخرى؟ الآن من المألوف للغاية البحث عن جوبيتر أخرى في أنظمة شمسية أخرى ، لأننا نتساءل عما إذا كانت هناك كواكب أخرى وما إذا كانت الحياة موجودة عليها. دراسة الكواكب التي تدور حول شموس أخرى ، تحتاج إلى البدء من مكان ما ، تحتاج إلى ارتكاب أخطاء غبية. هذه هي الطريقة التي يتطور بها المجال العلمي للبحث.

والآن - شكوى. ناسا هي منظمة عظيمة ، وأنا ممتن لها للتمويل المخصص لي ولزملائي من المنظرين. لكن كمية الأموال التي ننفقها على المعدات - من أجل إرسال الأجهزة إلى الفضاء ، غير متوازنة للغاية مقارنة بحجم الأموال التي ننفقها على تحليل البيانات الواردة من تلك الأجهزة. تم استلام كميات هائلة من البيانات من فوييجرز قبل 31 عامًا فقط ، ولم تتم معالجتها بعد. من الصعب للغاية الحصول على تمويل لمعالجتها. عادة ما يقول الجميع: "تحتاج إلى القيام بشيء جديد ومثير للاهتمام ، باستخدام بيانات جديدة! لا حاجة للعودة في الوقت المناسب والعبث بالبيانات القديمة! " ولكن هناك الكثير من الأشياء القيمة! ولكن فقط إعطاء المعدات للكونغرس.

الجميع يحب المعدات. وما تحتاجه ناسا هو كارل ساجان آخر. كان لدى كارل الموهبة لإقناع الناس باحترام اكتشافاتنا بأنفسهم ، وليس فقط الآلات التي جعلت هذه الاكتشافات ممكنة.