"Involucrarse en la lectura es un error", me dice Philip Marcus, físico computacional y profesor de ingeniería en la Universidad de California, Berkeley, mientras toma una taza de café en una cafetería cerca del campus. “Aprendes demasiado. Así es como me enganché con la dinámica de fluidos ".
Y fue en 1978, cuando Marcus trabajó durante el primer año como doctor en ciencias en Cornell, especializándose en simulaciones numéricas de convección solar utilizando métodos espectrales. Pero él quería estudiar la evolución del cosmos y la teoría general de la relatividad; El problema, dijo, era que las personas afirmaban que no habían visto los resultados del trabajo de la relatividad general en toda su vida. Como resultado, "esta área se ha calmado un poco, y todos los especialistas en relatividad general han divergido a otras áreas".
Fue en 1978 que la Voyager 1 comenzó a enviar fotografías en primer plano de Júpiter a la Tierra. Cuando Marcus necesitaba, como dice, "relajarse, aliviar la tensión y todo eso", fue a un laboratorio especial ubicado al lado del edificio de astrofísica y admiró las fotografías de la Gran Mancha Roja tomadas de la Voyager. La tormenta ya ha pasado cientos de millones de millas, al menos desde 1665, cuando
Robert Hooke lo vio por primera vez. "Me di cuenta de que casi nadie en el campo de la astronomía era consciente de la dinámica de los líquidos, pero yo estaba allí", me dijo. "Y dije: bueno, entonces, tengo la oportunidad de estudiar este tema, y no es peor que los demás".
Entonces no se ha detenido desde entonces. Hoy es un experto en la tormenta más famosa del sistema solar. Poseyendo el físico de un ciclista de montaña, responde mis preguntas, se mueve activamente y, a veces, agita los brazos en un intento de aclarar sus palabras. Reconoció que su energía podría conducir a la torpeza. "La gente sospecha de mí", dice. "Si entro al laboratorio, inmediatamente rompo algo". Afortunadamente, dijo: "Tuve mucha suerte de ser amigo de varios experimentadores".
¿Qué te sorprende en la Gran Mancha Roja?
Algunas cosas La gente ha pensado durante mucho tiempo por qué la Gran Mancha Roja (BKP) ha estado viviendo durante tanto tiempo. BKP es una tormenta, y estamos acostumbrados a las tormentas terrenales. Un huracán promedio vive un máximo de un par de semanas, y el mecanismo para su destrucción es completamente seguro: pasa sobre el agua fría y pierde energía, o pasa sobre la tierra y pierde energía dramáticamente. Un tornado es algo impresionante, pero solo dura unas pocas horas. Entonces, ¿por qué el BKP vive tanto tiempo? La gente solía decir: "Estas son nubes persistentes en la cima de una montaña". O: "Este es un iceberg en un mar de hidrógeno". Teorías similares terminaron de inmediato en 1979, cuando los Voyager 1 y 2 volaron más allá del planeta. Nadie supo entonces que fue un torbellino, un gran huracán, que tardó seis días en girar. Estados Unidos encajaría en el BKP un par de cientos de veces. En realidad es enorme. Uno de los logros notables de las misiones Voyager fue que tomaron cientos de fotos de las nubes que componen el BKP, y finalmente pudimos ver cómo gira esta cosa, y luego pudimos decir con confianza que esto es un torbellino. Hasta entonces, nadie sabía que estaba girando.
¿Cómo surgió BKP?
BKP probablemente apareció en una de dos formas. Podría ser un flujo ascendente de gas, llegando a la estratosfera y envuelto, por lo que resultó el vórtice. Si el flujo ascendente puede alcanzar una capa suficientemente estable de la atmósfera, puede propagarse horizontalmente, y cuando dicho flujo se propaga horizontalmente en un sistema tan rápido de rotación como Júpiter, entonces esta propagación conduce a la formación de un vórtice. Otra posibilidad es que la corriente en chorro en la atmósfera perdió estabilidad, comenzaron las oscilaciones de las olas, y cuando la amplitud de las olas aumentó hasta cierto límite, se rompió, formando pequeños vórtices, que luego se fusionaron.
¿Por qué apareció en Júpiter y no en otro lugar?
En la Tierra, si vuela sobre el océano, casi puede decir exactamente qué lugares estarán las islas debajo de usted, porque las nubes se ciernen sobre ellas: las características topográficas a menudo atraen las nubes hacia sí mismas. Pero no hay una superficie sólida en Júpiter, a menos que bajes a un núcleo muy poco profundo. Esto es esencialmente una bola de fluido. No hay diferencia en calefacción entre continentes e islas. Los vientos no son interrumpidos por las cadenas montañosas. Todo esto no es, por lo tanto, hay un conjunto de flujos de flujo muy bien organizados en él. Y si tienes tales corrientes, entonces los vórtices aparecen naturalmente. Los vientos van en direcciones opuestas, se frotan unos contra otros. Es como una bola de rodamiento ubicada entre dos paredes que se mueven en direcciones opuestas. Las paredes hacen que la bola gire, y las corrientes opuestas en Júpiter hacen que el aire gire entre ellas. Los vórtices formados entre las corrientes resisten todo lo que choca contra ellos. Si me arremolino en el baño y lo abofeteo, desaparecerá. Si hago una simulación BKP en Júpiter, ubicada entre los vientos zonales, y la abofeteo, tratando de dividirla en dos partes, se ensamblará nuevamente. Por lo tanto, imagino las corrientes en chorro como jardines en los que se pueden cultivar remolinos.
¿Y qué impide físicamente que el BKP se desintegre?
Creo que el BKP en altura es de 50-70 km. De diámetro, tiene unos 26,000 km. Resulta un panqueque. De la misma manera que con un tubo de pasta de dientes, si presiono el panqueque en el centro, entonces algo saldrá de sus lados, así como de arriba y abajo. Se sabe que en el centro de BKP hay alta presión, pero sus gases no se arrastran horizontalmente por todos lados debido a
la fuerza de Coriolis , sino que se arrastran verticalmente desde arriba y desde abajo. Entonces, ¿qué impide que los gases salgan de arriba y abajo? Solo conozco una forma de prevenir esto. En la parte superior del BKP hay una densa cubierta de atmósfera fría. Es esta densidad adicional la que empuja los gases BKP hacia abajo. Y debajo del BKP debe haber un fondo atmosférico cálido y flotante, que evite que la alta presión en el centro empuje los gases fuera del BKP hacia abajo. Este es un equilibrio.
Puede realizar cálculos numéricos y analíticos y pensar: “Hmm, me pregunto, ¿cuánto espesor de cobertura se necesita aquí? ¿Qué fondo debería haber flotabilidad para lograr ese equilibrio? La energía cinética se asocia con los vientos del vórtice, y la energía potencial se asocia con una tapa fría y densa en la parte superior y un fondo flotante y cálido en la parte inferior. La mayoría de mis colegas que estudian BKP se concentran en la energía cinética, pero les digo: "No, no, muchachos, solo el 16% de la energía se concentra en ella". La mayor parte de la energía BKP es la energía potencial de una cubierta fría densa y un fondo flotante cálido. Si no quiere dormir por la noche, pensando en lo que puede atacar el BKP, piense en lo que puede atacar su energía potencial.
¿Por qué BKP no se separa de la fricción?
Nuestra intuición nos dice que los vórtices no son eternos, que siempre se desintegran debido a alguna fricción. La fricción puede ser diferente, y una de las razones que pueden destruir el BKP, según las personas, serán
las olas de Rossby . Las ondas de Rossby son uno de los tipos de ondas atmosféricas que existen porque la atmósfera es una capa esférica giratoria y no un plano giratorio. A menudo se encuentran en la atmósfera y se mueven a baja velocidad. La gente pensaba que el BKP comenzaría a irradiar ondas de Rossby, lo que le quitaría energía. Cuando ocurren eventos inesperados en la atmósfera, por ejemplo, dos vórtices chocan, las ondas de Rossby aparecen como resultado. Pero generalmente después de la formación del vórtice termina de emitir ondas de Rossby, por lo tanto, no hay evidencia de que la radiación de las ondas de Rossby destruya el BKP, que está en un estado de casi equilibrio.
¿Qué más podría detenerlo?
Si comienzas a estudiar la cuestión de qué puede atacar a BKP y destruirlo, debes pensar no solo en la influencia de factores como la fricción en la energía cinética; tienes que pensar en lo que resulta ser más importante: aquello que ataca la energía potencial. Hay una razón bien conocida para la fuga potencial de energía potencial: se llama "
equilibrio radiante ". Si pudiera enfriar una parte de la atmósfera de la Tierra, podría sacar un cronómetro y decir: "Entonces, me pregunto cuánto tiempo esta sección se calienta de nuevo y entra en equilibrio radiante con la atmósfera circundante". O, si creara un pequeño punto caliente en algún lugar, podría preguntar: "¿Cuánto tiempo llevará establecer el equilibrio debido a la transferencia de fotones y todo lo demás, después de lo cual mi sitio perderá sus diferencias de temperatura?" De los cálculos de otros científicos, se sabe que en el lugar de la atmósfera donde se encuentra el BKP, las áreas frías o calientes desaparecen en aproximadamente cuatro años y medio; este tiempo es necesario para que las áreas particularmente cálidas o frías se vuelvan completamente indistinguibles del medio ambiente. Así que hicimos muchas simulaciones numéricas, y si introducimos el efecto de calentamiento o enfriamiento en nuestro modelo de computadora, resulta que el BKP se resuelve en cuatro años y medio.
¿Y qué lo alimenta?
La velocidad media alrededor de este lugar es de unos trescientos kilómetros por hora. Las corrientes en chorro también se mueven aproximadamente a la misma velocidad. Pero sus velocidades verticales se consideran muy pequeñas. Es probable que sean del orden de centímetros por hora y, por lo tanto, generalmente se descuidan. Pero los vientos verticales aparecen constantemente en grandes áreas de la atmósfera y, por lo tanto, creemos que no se pueden descartar. Creemos que el calor que se transfiere a la cubierta fría y desde el fondo cálido, e intenta establecer un equilibrio radiante, está tratando de destruir el BKP. Pero creemos que BKP logra sobrevivir, a pesar de esta transferencia de calor radiante, porque su velocidad vertical es muy pequeña.
En la práctica, podemos suponer que cuando cae el viento, se vuelve más cálido y cuando sube, se enfría. La radiación térmica de los fotones dentro del BKP está tratando de equilibrar la temperatura de su tapa y fondo con la temperatura de la atmósfera circundante. Esto debería calentar la tapa hermética al frío, y al final debería desaparecer, lo que destruirá el BKP.
Pero al comienzo de la dispersión del BKP, se pierde el equilibrio de presión. La pérdida de equilibrio permite que la alta presión en el centro del BKP empuje los gases verticalmente a través de una cubierta debilitada. Cuando se levanta, el viento se enfría, lo que proporciona a la tapa aire frío nuevo, como resultado, se enfría y se vuelve más pesado. Aproximadamente el mismo proceso ocurre en la parte inferior del BKP, y restaura el fondo cálido, que está tratando de destruir la radiación térmica.
Además, el gas que se mueve verticalmente hacia arriba, pasando a través de la cubierta que desaparece, abandona el BKP y finalmente deja de elevarse, y se aplana horizontalmente en un área muchas veces más grande que el área del BKP. Luego deja de moverse y baja. Este gas descendente empuja hacia abajo los átomos y las moléculas de la atmósfera que rodea al BKP, reduciendo su energía potencial. Como resultado, el gas finaliza su viaje y regresa al centro BKP. En el camino a casa, el gas recoge la energía potencial liberada de la atmósfera que rodea el BKP.
La recolección de esta energía equilibra la pérdida de energía BKP a través de la radiación térmica. En una simulación por computadora, puede medir la dirección y la potencia de todas las energías que entran y salen del BKP, y todo este presupuesto de energía se ajusta perfectamente. Hay una gran fuga de energía potencial en la atmósfera que rodea el BKP debido a la circulación de gas, pero no hay nada de qué preocuparse, ya que el Sol restaura el equilibrio radiante en este lugar y le da energía adicional. Así que al final resulta que el Sol sirve como fuente de energía para evitar la desaparición del BKP.
¿Cuál es el valor de estudiar la atmósfera de un planeta distante?
Si no comprende cómo funciona Júpiter en nuestro propio sistema solar, ¿cómo puede comprender cómo funcionan los júpiter alrededor de otros soles? Ahora está muy de moda buscar otros Júpiter en otros sistemas solares, porque nos preguntamos si existen otros planetas y si la vida puede existir en ellos. Al estudiar planetas que orbitan alrededor de otros soles, debes comenzar en algún lugar, debes cometer errores estúpidos. Así es como se desarrolla el campo científico de la investigación.
Y ahora, una queja. La NASA es una gran organización, y le estoy agradecida por los fondos asignados a mí y a mis colegas teóricos. Pero la cantidad de dinero que gastamos en equipos, con el fin de enviar dispositivos al espacio, está muy desequilibrada en comparación con la cantidad de dinero que gastamos en analizar los datos recibidos de esos dispositivos. Hace 31 años, se recibieron enormes cantidades de datos de Voyagers, y aún no se han procesado. Es extremadamente difícil obtener financiamiento para su procesamiento. Usualmente todos dicen: “¡Necesitas hacer algo nuevo e interesante, con nuevos datos! ¡No es necesario retroceder en el tiempo y meterse con datos antiguos! ¡Pero hay tantas cosas valiosas! Pero solo entregue equipo al Congreso.
Todos aman los equipos. Y lo que la NASA necesita es otro Carl Sagan. Karl tenía el talento para convencer a las personas de respetar nuestros descubrimientos, y no solo las máquinas que hicieron posibles estos descubrimientos.