Warum Jupiters großer roter Fleck nicht stirbt

„Es ist ein Fehler, sich auf das Lesen einzulassen“, erzählt mir Philip Marcus, Computerphysiker und Professor für Ingenieurwissenschaften an der University of California in Berkeley, bei einer Tasse Kaffee in einem Café in der Nähe des Campus. „Du lernst zu viel. So war ich von der Fluiddynamik begeistert. “

Und es war 1978, als Marcus das erste Jahr als Doktor der Wissenschaften bei Cornell arbeitete und sich auf numerische Simulationen der Sonnenkonvektion mit spektralen Methoden spezialisierte. Aber er wollte die Entwicklung des Kosmos und die allgemeine Relativitätstheorie untersuchen; Das Problem sei, dass die Menschen behaupteten, sie hätten die Ergebnisse der Arbeit der allgemeinen Relativitätstheorie in ihrem ganzen Leben nicht gesehen. Infolgedessen "hat sich dieser Bereich etwas beruhigt, und alle Spezialisten für allgemeine Relativitätstheorie sind zu anderen Bereichen abgewichen."

1978 begann Voyager 1, Nahaufnahmen von Jupiter auf die Erde zu schicken. Als Marcus, wie er sagt, „sich entspannen, Spannungen abbauen und so weiter“ brauchte, ging er in ein spezielles Labor neben dem Astrophysikgebäude und bewunderte Fotos des Großen Roten Flecks von der Voyager. Der Sturm hat bereits Hunderte von Millionen Meilen zurückgelegt, zumindest seit 1665, als er zum ersten Mal von Robert Hooke gesehen wurde . "Ich erkannte, dass fast niemand auf dem Gebiet der Astronomie die Dynamik von Flüssigkeiten kannte, aber ich war einfach da", sagte er mir. "Und ich sagte - nun, dann habe ich die Möglichkeit, dieses Thema zu studieren, und es ist nicht schlimmer als die anderen."

Also hat er seitdem nicht aufgehört. Heute ist er Experte für den berühmtesten Sturm im Sonnensystem. Er besitzt den Körperbau eines Mountainbikers, beantwortet meine Fragen, bewegt sich aktiv und winkt manchmal mit den Armen, um seine Worte zu klären. Er räumte ein, dass seine Energie zu Ungeschicklichkeit führen könnte. "Die Leute sind mir gegenüber misstrauisch", sagt er. "Wenn ich das Labor betrete, breche ich sofort etwas." Glücklicherweise sagte er: "Ich hatte großes Glück, mit mehreren Experimentatoren befreundet zu sein."

Was fällt Ihnen am Großen Roten Fleck auf?

Ein paar Dinge. Die Leute haben lange darüber nachgedacht, warum der Große Rote Fleck (BKP) so lange gelebt hat. BKP ist ein Sturm, und wir sind an irdische Stürme gewöhnt. Ein durchschnittlicher Hurrikan lebt maximal ein paar Wochen, und der Mechanismus für seine Zerstörung ist völlig sicher: Er geht entweder über kaltes Wasser und verliert Energie oder geht über die Erde und verliert dramatisch Energie. Ein Tornado ist eine beeindruckende Sache, aber er lebt nur wenige Stunden. Warum lebt die BKP so lange? Die Leute sagten immer: "Das sind Wolken, die oben auf einem Berg verweilen." Oder: "Dies ist ein Eisberg in einem Meer aus Wasserstoff." Ähnliche Theorien endeten sofort 1979, als die Voyager 1 und 2 am Planeten vorbeiflogen. Niemand wusste damals, dass es ein Wirbelwind war, ein riesiger Hurrikan, dessen Wende sechs Tage dauerte. Die Vereinigten Staaten würden ein paar hundert Mal in die BKP passen. Es ist tatsächlich riesig. Eine der bemerkenswerten Errungenschaften der Voyager-Missionen war, dass sie Hunderte von Fotos von den Wolken gemacht haben, aus denen die BKP besteht, und wir konnten endlich sehen, wie sich dieses Ding dreht, und dann konnten wir mit Zuversicht sagen, dass dies ein Wirbelwind ist. Bis dahin wusste niemand, dass es sich drehte.

Wie ist BKP entstanden?

BKP erschien wahrscheinlich auf zwei Arten. Es könnte sich um einen aufwärts gerichteten Gasstrom handeln, der die Stratosphäre erreicht und eingepackt wird, weshalb sich der Wirbel herausstellte. Wenn die Aufwärtsströmung eine ausreichend stabile Schicht der Atmosphäre erreichen kann, kann sie sich horizontal ausbreiten, und wenn sich eine solche Strömung horizontal auf einem so schnell rotierenden System wie Jupiter ausbreitet, führt diese Ausbreitung zur Bildung eines Wirbels. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Strahl in der Atmosphäre an Stabilität verlor, Wellenschwingungen begannen und als die Wellenamplitude bis zu einer bestimmten Grenze anstieg, sich auflöste und kleine Wirbel bildete, die dann verschmolzen.

Warum erschien es auf Jupiter und nicht woanders?

Wenn Sie auf der Erde über den Ozean fliegen, können Sie fast genau sagen, an welchen Orten sich die Inseln unter Ihnen befinden, da Wolken über ihnen hängen - topografische Merkmale ziehen oft Wolken an. Aber es gibt keine feste Oberfläche auf Jupiter, es sei denn, Sie gehen zu einem sehr flachen Kern hinunter. Dies ist im Wesentlichen eine Flüssigkeitskugel. Es gibt keinen Unterschied in der Erwärmung zwischen Kontinenten und Inseln. Winde werden nicht durch Gebirgszüge unterbrochen. All dies ist nicht der Fall, daher gibt es eine Reihe sehr gut organisierter Stromflüsse. Und wenn Sie solche Ströme haben, dann erscheinen die Wirbel natürlich. Winde gehen in entgegengesetzte Richtungen, reiben sich aneinander. Es ist wie eine Lagerkugel zwischen zwei Wänden, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Die Wände lassen den Ball rotieren, und die entgegengesetzten Ströme auf dem Jupiter lassen die Luft zwischen ihnen rotieren. Zwischen Strömen gebildete Wirbel widerstehen allem, was gegen sie stößt. Wenn ich im Badezimmer herumwirbele und es klatsche, verschwindet es. Wenn ich eine BKP-Simulation auf Jupiter mache, die sich zwischen den Zonenwinden befindet, und sie klopfe und versuche, sie in zwei Teile zu teilen, wird sie wieder zusammengesetzt. Daher stelle ich mir Jetstreams als Gärten vor, in denen Wirbel wachsen können.

Und was verhindert physisch, dass sich das BKP auflöst?

Ich denke, dass der BKP in der Höhe 50-70 km beträgt. Im Durchmesser hat es etwa 26.000 km. Es stellt sich heraus, so ein Pfannkuchen. Wenn ich wie bei einer Zahnpastatube Druck auf den Pfannkuchen in der Mitte ausübe, kommt etwas von seinen Seiten sowie von oben und unten heraus. Es ist bekannt, dass im Zentrum von BKP ein hoher Druck herrscht, aber seine Gase kriechen aufgrund der Coriolis-Kraft nicht von allen Seiten horizontal heraus - sie kriechen vertikal von oben und von unten heraus. Was verhindert also, dass die Gase von oben und unten austreten? Ich kenne nur einen Weg, dies zu verhindern. Auf dem BKP befindet sich eine dichte Abdeckung mit kalter Atmosphäre. Es ist diese zusätzliche Dichte, die die BKP-Gase wieder nach unten drückt. Und unter dem BKP sollte sich ein warmer, schwebender atmosphärischer Boden befinden, der verhindert, dass der hohe Druck in der Mitte die Gase aus dem BKP nach unten drückt. Dies ist ein Gleichgewicht.

Sie können numerische und analytische Berechnungen durchführen und denken: „Hmm, ich frage mich, wie viel dicke Abdeckung hier benötigt wird? Welchen Boden sollte es Auftrieb geben, um ein solches Gleichgewicht zu erreichen? “ Kinetische Energie ist mit den Winden des Wirbels verbunden, und potentielle Energie ist mit einem kalten, dichten Deckel oben und einem schwebenden warmen Boden unten verbunden. Die meisten meiner Kollegen, die BKP studieren, konzentrieren sich auf kinetische Energie, aber ich sage ihnen: „Nein, nein, Leute, nur 16% der Energie sind darin konzentriert.“ Der größte Teil der BKP-Energie ist die potentielle Energie einer dichten kalten Abdeckung und eines warmen schwimmenden Bodens. Wenn Sie nachts nicht schlafen möchten und darüber nachdenken, was der BKP angreifen kann, dann überlegen Sie, was seine potenzielle Energie angreifen kann.

Warum löst sich BKP nicht von Reibung?

Unsere Intuition sagt uns, dass die Wirbel nicht ewig sind, dass sie sich aufgrund von Reibung immer auflösen. Reibung kann unterschiedlich sein, und einer der Gründe, die laut Menschen die BKP zerstören können, sind Rossby-Wellen . Rossby-Wellen sind eine der Arten von atmosphärischen Wellen, die existieren, weil die Atmosphäre eine rotierende Kugelschale und keine rotierende Ebene ist. Sie sind oft in der Atmosphäre zu finden und bewegen sich mit niedriger Geschwindigkeit. Die Leute dachten, dass die BKP anfangen würde, Rossby-Wellen auszustrahlen, was ihm Energie entziehen würde. Wenn unerwartete Ereignisse in der Atmosphäre auftreten, z. B. zwei Wirbel kollidieren, treten Rossby-Wellen auf. In der Regel wird der Wirbel nach der Bildung des Wirbels jedoch nicht mehr von Rossby-Wellen emittiert. Daher gibt es keine Hinweise darauf, dass die Strahlung von Rossby-Wellen das BKP zerstört, das sich in einem Quasi-Gleichgewichtszustand befindet.

Was könnte ihn sonst noch aufhalten?

Wenn Sie sich mit der Frage befassen, was BKP angreifen und zerstören kann, müssen Sie nicht nur über den Einfluss von Faktoren wie Reibung auf die kinetische Energie nachdenken. Sie müssen darüber nachdenken, was sich als wichtiger herausstellt - das, was potenzielle Energie angreift. Es gibt einen bekannten Grund für den möglichen Verlust potentieller Energie - er wird als " Strahlungsgleichgewicht " bezeichnet. Wenn ich einen Teil der Erdatmosphäre kühlen könnte, könnte ich eine Stoppuhr herausnehmen und sagen: "Also frage ich mich, wie lange sich dieser Abschnitt wieder erwärmt und in ein strahlendes Gleichgewicht mit der umgebenden Atmosphäre gerät?" Oder wenn ich irgendwo einen kleinen Hot Spot machen würde, könnte ich fragen: "Wie lange wird es dauern, bis das Gleichgewicht aufgrund der Übertragung von Photonen und allem anderen hergestellt ist, wonach meine Site ihre Temperaturunterschiede verliert?" Aus den Berechnungen anderer Wissenschaftler ist bekannt, dass an der Stelle der Atmosphäre, an der sich das BKP befindet, kalte oder heiße Bereiche in etwa viereinhalb Jahren verschwinden - diese Zeit ist erforderlich, damit besonders warme oder kalte Bereiche nicht mehr von der Umgebung zu unterscheiden sind. Wir haben also viele numerische Simulationen durchgeführt, und wenn wir den Effekt der Erwärmung oder Abkühlung in unser Computermodell einführen, stellt sich heraus, dass sich der BKP in viereinhalb Jahren auflöst.

Und was nährt ihn?

Die Durchschnittsgeschwindigkeit um diesen Punkt beträgt ungefähr dreihundert Kilometer pro Stunde. Jetstreams bewegen sich ebenfalls mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit. Ihre vertikalen Geschwindigkeiten gelten jedoch als sehr gering. Sie liegen wahrscheinlich in der Größenordnung von Zentimetern pro Stunde und werden daher normalerweise vernachlässigt. Vertikale Winde treten jedoch ständig in großen Bereichen der Atmosphäre auf, weshalb wir der Meinung sind, dass sie nicht ausgeschlossen werden können. Wir glauben, dass die Wärmeübertragung auf die kalte Abdeckung und vom warmen Boden und der Versuch, ein strahlendes Gleichgewicht herzustellen, das BKP zerstören. Wir glauben jedoch, dass BKP trotz dieser Strahlungswärmeübertragung überleben kann, da seine vertikale Geschwindigkeit sehr gering ist.

In der Praxis können wir davon ausgehen, dass der Wind wärmer wird und sich abkühlt, wenn er aufsteigt. Die Wärmestrahlung von Photonen im BKP versucht, die Temperatur des Deckels und des Bodens mit der Temperatur der umgebenden Atmosphäre in Einklang zu bringen. Dies sollte den kalten, dichten Deckel wärmer machen und am Ende verschwinden, was das BKP zerstören wird.

Zu Beginn der Dispersion des BKP geht jedoch das Druckgleichgewicht verloren. Durch den Verlust des Gleichgewichts kann ein hoher Druck in der Mitte des BKP die Gase vertikal durch eine geschwächte Abdeckung drücken. Beim Aufnehmen kühlt sich der Wind ab, wodurch der Deckel mit neuer kalter Luft versorgt wird. Dadurch kühlt er ab und wird schwerer. Ungefähr der gleiche Prozess findet am Boden des BKP statt und stellt den warmen Boden wieder her, der versucht, die Wärmestrahlung zu zerstören.

Außerdem verlässt das Gas, das sich vertikal nach oben bewegt und durch die verschwindende Abdeckung strömt, das BKP und hört schließlich auf zu steigen, und es wird horizontal in einem Bereich abgeflacht, der um ein Vielfaches größer ist als der Bereich des BKP. Dann hört er auf auszuziehen und geht hinunter. Dieses absteigende Gas drückt die Atome und Moleküle der das BKP umgebenden Atmosphäre nach unten und reduziert ihre potentielle Energie. Infolgedessen beendet das Gas seine Reise und kehrt zum BKP-Zentrum zurück. Auf dem Heimweg sammelt das Gas potenzielle Energie, die aus der das BKP umgebenden Atmosphäre freigesetzt wird.

Die Sammlung dieser Energie gleicht den Verlust an BKP-Energie durch Wärmestrahlung aus. In einer Computersimulation können Sie die Richtung und Leistung aller Energien messen, die in das BKP ein- und aus dem BKP austreten, und dieses gesamte Energiebudget passt perfekt. Aufgrund der Gaszirkulation tritt ein großes Leck an potentieller Energie in die das BKP umgebende Atmosphäre aus, aber es besteht kein Grund zur Sorge, da die Sonne an dieser Stelle das Strahlungsgleichgewicht wiederherstellt und zusätzliche Energie liefert. Am Ende stellt sich heraus, dass die Sonne als Energiequelle dient, um das Verschwinden des BKP zu verhindern.

Welchen Wert hat es, die Atmosphäre eines fernen Planeten zu untersuchen?

Wenn Sie nicht verstehen, wie Jupiter in unserem eigenen Sonnensystem funktioniert, wie können Sie dann verstehen, wie Jupiter um andere Sonnen herum arbeiten? Jetzt ist es sehr in Mode, nach anderen Jupitern in anderen Sonnensystemen zu suchen, weil wir uns fragen, ob andere Planeten existieren und ob Leben auf ihnen existieren kann. Wenn man Planeten studiert, die andere Sonnen umkreisen, muss man irgendwo anfangen, man muss dumme Fehler machen. So entwickelt sich das wissenschaftliche Forschungsfeld.

Und jetzt - eine Beschwerde. Die NASA ist eine großartige Organisation, und ich bin ihr dankbar für die Mittel, die mir und meinen Theoretikerkollegen zur Verfügung gestellt wurden. Der Geldbetrag, den wir für Geräte ausgeben, um Geräte in den Weltraum zu senden, ist jedoch sehr unausgewogen im Vergleich zu dem Geldbetrag, den wir für die Analyse der von diesen Geräten empfangenen Daten ausgeben. Noch vor 31 Jahren gingen von Voyagers enorme Datenmengen ein, die noch nicht verarbeitet wurden. Es ist äußerst schwierig, eine Finanzierung für ihre Verarbeitung zu erhalten. Normalerweise sagt jeder: „Sie müssen etwas Neues und Interessantes mit neuen Daten tun! Sie müssen nicht in die Vergangenheit reisen und sich mit alten Daten herumschlagen! “ Aber es gibt so viele wertvolle Dinge! Aber geben Sie dem Kongress nur Ausrüstung.

Jeder liebt Ausrüstung. Und was die NASA braucht, ist ein weiterer Carl Sagan. Karl hatte das Talent, Menschen davon zu überzeugen, unsere Entdeckungen selbst zu respektieren, und nicht nur die Maschinen, die diese Entdeckungen ermöglichten.