«S'impliquer dans la lecture est une erreur», raconte Philip Marcus, physicien en informatique et professeur d'ingénierie à l'Université de Californie à Berkeley, autour d'une tasse de café dans un café près du campus. «Tu apprends trop. C'est comme ça que je suis devenu accro à la dynamique des fluides. »
Et c'est en 1978, lorsque Marcus a travaillé pour la première année en tant que docteur ès sciences à Cornell, spécialisé dans les simulations numériques de la convection solaire à l'aide de méthodes spectrales. Mais il voulait étudier l'évolution du cosmos et la théorie générale de la relativité; le problème, a-t-il dit, était que les gens affirmaient qu'ils n'avaient pas vu les résultats du travail de la relativité générale de toute leur vie. En conséquence, "ce domaine s'est un peu calmé, et tous les spécialistes de la relativité générale ont divergé vers d'autres domaines".
C'est en 1978 que Voyager 1 a commencé à envoyer des photos rapprochées de Jupiter sur Terre. Quand Marcus a eu besoin, comme il le dit, "de se détendre, de soulager les tensions et tout ça", il est allé dans un laboratoire spécial situé à côté du bâtiment d'astrophysique et a admiré les photographies du Grand Point Rouge prises du Voyager. La tempête a déjà dépassé des centaines de millions de kilomètres, du moins depuis 1665, date à laquelle il a été vu pour la première fois par
Robert Hooke . «J'ai réalisé que presque personne dans le domaine de l'astronomie n'était au courant de la dynamique des liquides, mais j'étais juste là», m'a-t-il dit. "Et j'ai dit - eh bien, alors, j'ai l'occasion d'étudier cette question, et ce n'est pas pire que les autres."
Il ne s'est donc pas arrêté depuis. Aujourd'hui, il est un expert de la tempête la plus célèbre du système solaire. Possédant le physique d'un vététiste, il répond à mes questions, bougeant activement et agitant parfois les bras pour tenter de clarifier ses mots. Il a reconnu que son énergie pouvait conduire à la maladresse. «Les gens se méfient de moi», dit-il. "Si j'entre dans le laboratoire, je casse immédiatement quelque chose." Heureusement, il a déclaré: "J'ai eu beaucoup de chance d'être ami avec plusieurs expérimentateurs."
Qu'est-ce qui vous frappe dans le Great Red Spot?
Quelques trucs. Les gens se demandent depuis longtemps pourquoi le Great Red Spot (BKP) vit depuis si longtemps? BKP est une tempête et nous sommes habitués aux tempêtes terrestres. Un ouragan moyen vit pendant quelques semaines au maximum, et le mécanisme de sa destruction est complètement certain: il passe au-dessus de l'eau froide et perd de l'énergie, ou passe au-dessus de la terre et perd considérablement de l'énergie. Une tornade est une chose impressionnante, mais elle ne vit que quelques heures. Alors pourquoi le BKP vit-il si longtemps? Les gens disaient: "Ce sont des nuages qui persistent au sommet d'une montagne." Ou: "Ceci est un iceberg dans une mer d'hydrogène." Des théories similaires ont pris fin en 1979, lorsque les Voyagers 1 et 2 ont survolé la planète. Personne ne savait alors que c'était un tourbillon, un énorme ouragan, qui a mis six jours à tourner. Les États-Unis feraient partie du BKP quelques centaines de fois. C'est en fait énorme. L'une des réalisations remarquables des missions Voyager a été de prendre des centaines de photos des nuages qui composent le BKP, et nous avons finalement pu voir comment cette chose tourne, puis nous avons pu dire avec confiance qu'il s'agissait d'un tourbillon. Personne ne savait avant qu'il tournait.
Comment est né le BKP?
BKP est probablement apparu de deux manières. Ce pourrait être un flux ascendant de gaz, atteignant la stratosphère et enveloppé, c'est pourquoi le vortex s'est avéré. Si le flux ascendant peut atteindre une couche suffisamment stable de l'atmosphère, il peut se propager horizontalement, et lorsqu'un tel flux se propage horizontalement sur un système en rotation rapide comme Jupiter, cette propagation conduit à la formation d'un vortex. Une autre possibilité est que le courant-jet dans l'atmosphère ait perdu sa stabilité, les oscillations des vagues ont commencé et lorsque l'amplitude des vagues a augmenté jusqu'à une certaine limite, elle s'est rompue, formant de petits tourbillons, qui ont ensuite fusionné.
Pourquoi est-il apparu sur Jupiter, et pas ailleurs?
Sur Terre, si vous survolez l'océan, vous pouvez presque dire exactement où les îles seront sous vous, car les nuages se suspendent au-dessus d'eux - les caractéristiques topographiques attirent souvent les nuages vers elles-mêmes. Mais il n'y a pas de surface solide sur Jupiter, sauf si vous descendez vers un noyau très peu profond. Il s'agit essentiellement d'une boule de fluide. Il n'y a pas de différence de chauffage entre les continents et les îles. Les vents ne sont pas interrompus par les chaînes de montagnes. Tout cela n'est pas, par conséquent, il y a un ensemble de flux de flux très bien organisés. Et si vous avez de tels courants, alors les tourbillons apparaissent naturellement. Les vents vont dans des directions opposées, se frottent les uns contre les autres. C’est comme une boule de roulement située entre deux murs se déplaçant dans des directions opposées. Les murs font tourner la balle et les courants opposés sur Jupiter font tourner l'air entre eux. Les tourbillons formés entre les courants résistent à tout ce qui s'y écrase. Si je tourbillonne dans la salle de bain et que je la gifle, elle disparaîtra. Si je fais une simulation BKP sur Jupiter, située entre les vents zonaux, et que je la gifle, essayant de la diviser en deux parties, elle se réunira à nouveau. Par conséquent, j'imagine les courants-jets comme des jardins dans lesquels des tourbillons peuvent être cultivés.
Et qu'est-ce qui empêche physiquement le BKP de se désintégrer?
Je pense que le BKP en hauteur est de 50 à 70 km. De diamètre, elle a environ 26 000 km. Il s'avère qu'une telle crêpe. De la même manière qu'avec un tube de dentifrice, si je mets une pression sur la crêpe au centre, alors quelque chose sortira de ses côtés, ainsi que d'en haut et d'en bas. Il est connu qu'au centre de BKP il y a une haute pression, mais ses gaz ne rampent pas horizontalement de tous les côtés en raison de
la force de Coriolis - ils rampent verticalement par le haut et par le bas. Alors, qu'est-ce qui empêche les gaz de sortir d'en haut et d'en bas? Je ne connais qu'une seule façon d'empêcher cela. Au sommet du BKP, il y a une couverture dense d'atmosphère froide. C'est cette densité supplémentaire qui repousse les gaz BKP. Et sous le BKP, il devrait y avoir un fond atmosphérique chaud et flottant, ce qui empêche la haute pression au centre de pousser les gaz hors du BKP. Ceci est un équilibre.
Vous pouvez effectuer des calculs numériques et analytiques et penser: «Hmm, je me demande, combien d'épaisseur de couverture est nécessaire ici? Quel fond doit-il y avoir de flottabilité pour atteindre un tel équilibre? » L'énergie cinétique est associée aux vents du vortex, et l'énergie potentielle est associée à un couvercle froid et dense en haut et un fond chaud flottant en dessous. La plupart de mes collègues qui étudient le BKP se concentrent sur l'énergie cinétique, mais je leur dis: "Non, non, les gars, seulement 16% de l'énergie y est concentrée." La majeure partie de l'énergie BKP est l'énergie potentielle d'une couverture froide dense et d'un fond flottant chaud. Si vous ne voulez pas dormir la nuit, pensez à ce que le BKP peut attaquer, alors pensez à ce que son énergie potentielle peut attaquer.
Pourquoi le BKP ne rompt-il pas avec le frottement?
Notre intuition nous dit que les tourbillons ne sont pas éternels, qu'ils se désintègrent toujours à cause de certaines frictions. La friction peut être différente, et l'une des raisons qui peuvent détruire le BKP, selon les gens, sera
les vagues de Rossby . Les ondes de Rossby sont l'un des types d'ondes atmosphériques qui existent parce que l'atmosphère est une coquille sphérique tournante et non un plan rotatif. Ils se trouvent souvent dans l'atmosphère et se déplacent à faible vitesse. Les gens pensaient que le BKP commencerait à émettre des ondes de Rossby, ce qui lui prendrait de l'énergie. Lorsque des événements inattendus se produisent dans l'atmosphère, par exemple, deux tourbillons entrent en collision, des ondes de Rossby apparaissent en conséquence. Mais généralement après la formation du vortex, il finit d'émettre des ondes de Rossby, par conséquent, il n'y a aucune preuve que le rayonnement des ondes de Rossby détruira le BKP, qui est dans un état de quasi-équilibre.
Quoi d'autre pourrait l'arrêter?
Si vous commencez à étudier la question de ce qui peut attaquer le BKP et le détruire, vous devez penser non seulement à l'influence de facteurs tels que le frottement sur l'énergie cinétique; vous devez penser à ce qui s'avère plus important - ce qui attaque l'énergie potentielle. Il y a une raison bien connue pour la fuite potentielle d'énergie potentielle - elle est appelée «
équilibre radiant ». Si je pouvais refroidir une partie de l'atmosphère terrestre, je pourrais sortir un chronomètre et dire: "Alors, je me demande combien de temps cette section se réchauffe à nouveau et entre en équilibre rayonnant avec l'atmosphère environnante?" Ou, si j'ai fait un petit point chaud quelque part, je pourrais demander: "Combien de temps cela prendra-t-il pour établir l'équilibre dû au transfert de photons et tout le reste, après quoi mon site perdra ses différences de température?" D'après les calculs d'autres scientifiques, il est connu qu'à la place de l'atmosphère où se trouve le BKP, les zones froides ou chaudes disparaissent en environ quatre ans et demi - ce temps est nécessaire pour que les zones particulièrement chaudes ou froides deviennent complètement indiscernables de l'environnement. Nous avons donc fait beaucoup de simulations numériques, et si nous introduisons l'effet du réchauffement ou du refroidissement dans notre modèle informatique, il s'avère que le BKP se résout en quatre ans et demi.
Et qu'est-ce qui le nourrit?
La vitesse moyenne autour de cet endroit est d'environ trois cents kilomètres à l'heure. Les courants-jets se déplacent également à environ la même vitesse. Mais leurs vitesses verticales sont considérées comme très faibles. Ils sont susceptibles d'être de l'ordre de quelques centimètres par heure et sont donc généralement négligés. Mais les vents verticaux apparaissent constamment dans de grandes zones de l'atmosphère, et nous pensons donc qu'ils ne peuvent pas être ignorés. Nous pensons que la chaleur transférée vers la couverture froide et du fond chaud, et essayant d'établir un équilibre radiant, essaie de détruire le BKP. Mais nous pensons que BKP parvient à survivre, malgré ce transfert de chaleur rayonnante, car sa vitesse verticale est très faible.
En pratique, nous pouvons supposer que lorsque le vent tombe, il se réchauffe et lorsqu'il se lève, il se refroidit. Le rayonnement thermique des photons à l'intérieur du BKP tente d'équilibrer la température de son couvercle et de son fond avec la température de l'atmosphère environnante. Cela devrait rendre le couvercle étanche au froid plus chaud, et à la fin, il devrait disparaître, ce qui détruira le BKP.
Mais au début de la dispersion du BKP, l'équilibre de pression est perdu. La perte d'équilibre permet à une pression élevée au centre du BKP de pousser les gaz verticalement à travers un couvercle affaibli. Une fois ramassé, le vent se refroidit, ce qui alimente le couvercle avec de l'air froid neuf, par conséquent, il se refroidit et devient plus lourd. Environ le même processus se produit au fond du BKP, et il restaure le fond chaud, qui essaie de détruire le rayonnement thermique.
De plus, le gaz se déplaçant verticalement vers le haut, passant à travers le couvercle qui disparaît, quitte le BKP et cesse finalement de monter, et il est aplati horizontalement dans une zone plusieurs fois plus grande que la zone BKP. Puis il arrête de sortir et descend. Ce gaz descendant pousse les atomes et les molécules de l'atmosphère entourant le BKP vers le bas, réduisant leur énergie potentielle. En conséquence, le gaz termine son voyage et retourne au centre BKP. Sur le chemin du retour, le gaz recueille l'énergie potentielle libérée par l'atmosphère entourant le BKP.
La collecte de cette énergie équilibre la perte d'énergie BKP par le rayonnement thermique. Dans une simulation informatique, vous pouvez mesurer la direction et la puissance de toutes les énergies entrant et sortant du BKP, et l'ensemble de ce budget énergétique s'intègre parfaitement. Il y a une grande fuite d'énergie potentielle dans l'atmosphère entourant le BKP en raison de la circulation du gaz, mais il n'y a rien à craindre, car le Soleil rétablit l'équilibre rayonnant à cet endroit et donne de l'énergie supplémentaire. Donc, au final, il s'avère que le Soleil sert de source d'énergie pour empêcher la disparition du BKP.
Quelle est la valeur de l'étude de l'atmosphère d'une planète lointaine?
Si vous ne comprenez pas comment Jupiter fonctionne dans notre propre système solaire, comment pouvez-vous comprendre comment les jupiters travaillent autour d'autres soleils? Maintenant, il est très à la mode de chercher d'autres Jupiters dans d'autres systèmes solaires, parce que nous nous demandons si d'autres planètes existent et si la vie peut exister sur elles. En étudiant des planètes en orbite autour d'autres soleils, vous devez commencer quelque part, vous devez faire des erreurs stupides. C'est ainsi que se développe le champ scientifique de la recherche.
Et maintenant - une plainte. La NASA est une grande organisation, et je lui suis reconnaissante pour le financement qui m'a été alloué ainsi qu'à mes collègues théoriciens. Mais le montant d'argent que nous dépensons pour l'équipement - afin d'envoyer des appareils dans l'espace, est très déséquilibré par rapport au montant que nous dépensons pour analyser les données reçues de ces appareils. D'énormes quantités de données ont été reçues de Voyagers il y a à peine 31 ans et n'ont pas encore été traitées. Il est extrêmement difficile d'obtenir un financement pour leur traitement. Habituellement, tout le monde dit: «Vous devez faire quelque chose de nouveau et d'intéressant, avec de nouvelles données! Pas besoin de remonter le temps et de jouer avec les anciennes données! » Mais il y a tellement de choses précieuses! Mais ne donnez de l'équipement qu'au Congrès.
Tout le monde aime l'équipement. Et ce dont la NASA a besoin, c'est d'un autre Carl Sagan. Karl a eu le talent de convaincre les gens de respecter eux-mêmes nos découvertes, et pas seulement les machines qui ont rendu ces découvertes possibles.