"Menjadi terbawa oleh membaca adalah kesalahan," Philip Marcus, seorang ahli fisika komputasi dan profesor teknik di University of California, Berkeley, memberi tahu saya tentang secangkir kopi di sebuah kedai kopi di dekat kampus. “Kamu terlalu banyak belajar. Begitulah cara saya terpikat pada dinamika fluida. ”
Dan itu pada tahun 1978, ketika Marcus bekerja untuk tahun pertama sebagai dokter sains di Cornell, yang mengkhususkan diri dalam simulasi numerik konveksi matahari menggunakan metode spektral. Tetapi dia ingin mempelajari evolusi kosmos dan teori relativitas umum; masalahnya, katanya, adalah bahwa orang mengklaim bahwa mereka belum melihat hasil kerja relativitas umum dalam seluruh hidup mereka. Akibatnya, "area ini sedikit tenang, dan semua spesialis relativitas umum telah menyimpang ke area lain."
Pada tahun 1978 Voyager 1 mulai mengirim foto-foto jarak dekat Jupiter ke Bumi. Ketika Marcus membutuhkan, sebagaimana katanya, "untuk bersantai, meredakan ketegangan, dan semua itu", ia pergi ke laboratorium khusus yang terletak di sebelah gedung astrofisika dan mengagumi foto-foto Bintik Merah Besar yang diambil dari Voyager. Badai telah melewati ratusan juta mil, setidaknya sejak 1665, ketika ia pertama kali dilihat oleh
Robert Hooke . "Saya menyadari bahwa hampir tidak ada orang di bidang astronomi yang menyadari dinamika cairan, tetapi saya hanya ada di sana," katanya kepada saya. "Dan aku berkata - ya, kalau begitu, aku punya kesempatan untuk mempelajari masalah ini, dan itu tidak lebih buruk dari yang lain."
Jadi dia tidak berhenti sejak itu. Saat ini, ia adalah pakar badai paling terkenal di tata surya. Memiliki tubuh seorang pengendara sepeda gunung, dia menjawab pertanyaan saya, bergerak aktif, dan kadang-kadang melambaikan tangannya dalam upaya untuk memperjelas kata-katanya. Dia mengakui bahwa energinya dapat menyebabkan kecanggungan. "Orang-orang curiga pada saya," katanya. "Jika saya memasuki laboratorium, saya segera memecahkan sesuatu." Untungnya, dia berkata, "Saya sangat beruntung berteman dengan beberapa peneliti."
Apa yang mengejutkan Anda di Bintik Merah Hebat?
Beberapa hal. Orang-orang telah lama memikirkan mengapa Bintik Merah Besar (BKP) telah hidup begitu lama? BKP adalah badai, dan kita terbiasa dengan badai duniawi. Badai rata-rata hidup selama maksimal beberapa minggu, dan mekanisme penghancurannya benar-benar pasti: ia melewati air dingin dan kehilangan energi, atau melewati bumi dan secara dramatis kehilangan energi. Tornado adalah hal yang mengesankan, tetapi hanya hidup beberapa jam. Jadi mengapa BKP hidup sangat lama? Orang-orang biasa berkata: "Ini adalah awan yang melekat di puncak gunung." Atau: "Ini adalah gunung es di lautan hidrogen." Teori serupa berakhir sekaligus pada tahun 1979, ketika Voyagers 1 dan 2 terbang melewati planet ini. Tidak ada yang tahu bahwa itu adalah angin puyuh, badai besar, yang membutuhkan waktu enam hari untuk berubah. Amerika Serikat akan muat dalam BKP beberapa ratus kali. Ini sebenarnya besar. Salah satu prestasi luar biasa dari misi Voyager adalah bahwa mereka mengambil ratusan foto awan yang membentuk BKP, dan kami akhirnya dapat melihat bagaimana hal ini berubah, dan kemudian kami dapat mengatakan dengan keyakinan bahwa ini adalah angin puyuh. Sampai saat itu, tidak ada yang tahu bahwa itu berputar.
Bagaimana BKP terjadi?
BKP mungkin muncul dalam satu dari dua cara. Itu bisa berupa aliran gas ke atas, mencapai stratosfer dan terbungkus, itulah sebabnya pusaran itu muncul. Jika aliran ke atas dapat mencapai lapisan atmosfer yang cukup stabil, ia dapat merambat secara horizontal, dan ketika aliran seperti itu merambat secara horizontal pada sistem yang berputar cepat seperti Yupiter, maka perambatan ini mengarah pada pembentukan pusaran. Kemungkinan lain adalah bahwa aliran jet di atmosfer kehilangan stabilitas, osilasi gelombang dimulai, dan ketika amplitudo gelombang meningkat ke batas tertentu, itu pecah, membentuk vortisitas kecil, yang kemudian bergabung.
Mengapa itu muncul di Jupiter, dan bukan di tempat lain?
Di Bumi, jika Anda terbang di atas lautan, Anda hampir dapat mengatakan dengan tepat di mana tempat pulau-pulau itu berada di bawah Anda, karena awan akan menggantung di atas mereka - fitur topografi sering menarik awan untuk diri mereka sendiri. Tetapi tidak ada permukaan yang kokoh di Jupiter, kecuali jika Anda turun ke inti yang sangat dangkal. Ini pada dasarnya adalah bola cairan. Tidak ada perbedaan dalam pemanasan antara benua dan pulau. Angin tidak terganggu oleh pegunungan. Semua ini bukan, oleh karena itu, ada satu set aliran yang terorganisir dengan sangat baik di atasnya. Dan jika Anda memiliki arus seperti itu, maka vortisitas muncul secara alami. Angin bertiup berlawanan arah, saling bergesekan. Itu seperti bola bantalan yang terletak di antara dua dinding yang bergerak berlawanan arah. Dinding membuat bola berputar, dan arus yang berlawanan di Jupiter membuat udara berputar di antara mereka. Vortisitas yang terbentuk di antara arus menahan segala sesuatu yang menabraknya. Jika saya berputar di kamar mandi dan menamparnya, itu akan hilang. Jika saya membuat simulasi BKP pada Jupiter, yang terletak di antara angin zonal, dan menamparnya, mencoba membaginya menjadi dua bagian, ia akan berkumpul lagi. Oleh karena itu, saya membayangkan jet stream sebagai taman tempat pusaran dapat tumbuh.
Dan apa yang secara fisik mencegah BKP dari disintegrasi?
Saya pikir ketinggian BKP adalah 50-70 km. Dengan diameter, ia memiliki sekitar 26.000 km. Ternyata panekuk seperti itu. Dengan cara yang sama seperti dengan pasta gigi, jika saya menekan pancake di tengahnya, maka sesuatu akan keluar dari sisinya, juga dari atas dan bawah. Diketahui bahwa di pusat BKP ada tekanan tinggi, tetapi gasnya tidak merayap keluar secara horizontal dari semua sisi karena
gaya Coriolis - mereka merayap keluar secara vertikal dari atas dan dari bawah. Jadi apa yang mencegah gas keluar dari atas dan bawah? Saya hanya tahu satu cara untuk mencegah hal ini. Di atas BKP ada penutup atmosfer dingin yang padat. Kepadatan tambahan inilah yang mendorong gas BKP turun kembali. Dan di bawah BKP harus ada dasar atmosfer yang hangat dan mengambang, yang mencegah tekanan tinggi di pusat untuk mendorong gas keluar dari BKP ke bawah. Ini adalah keseimbangan.
Anda dapat melakukan perhitungan numerik dan analitik dan berpikir: "Hmm, saya ingin tahu, berapa banyak penutup tebal yang dibutuhkan di sini? Apa dasar yang harus ada daya apung untuk mencapai keseimbangan seperti itu? " Energi kinetik dikaitkan dengan angin pusaran, dan energi potensial dikaitkan dengan tutup yang dingin dan padat di atas dan dasar hangat yang mengambang di bawah. Sebagian besar kolega saya yang mempelajari BKP berkonsentrasi pada energi kinetik, tetapi saya memberi tahu mereka: "Tidak, tidak, teman-teman, hanya 16% energi terkonsentrasi di dalamnya." Sebagian besar energi BKP adalah energi potensial dari lapisan dingin yang rapat dan dasar apung yang hangat. Jika Anda tidak ingin tidur di malam hari, pikirkan apa yang bisa diserang BKP, maka pikirkan energi potensial apa yang bisa diserang.
Mengapa BKP tidak putus karena gesekan?
Intuisi kita memberi tahu kita bahwa vortisitas tidak abadi, bahwa mereka selalu hancur karena beberapa gesekan. Gesekan bisa berbeda, dan salah satu alasan yang dapat menghancurkan BKP, menurut orang, adalah
gelombang Rossby . Gelombang Rossby adalah salah satu jenis gelombang atmosfer yang ada karena atmosfernya adalah cangkang bola yang berputar, dan bukan bidang yang berputar. Mereka sering ditemukan di atmosfer, dan bergerak dengan kecepatan rendah. Orang-orang berpikir bahwa BKP akan mulai memancarkan gelombang Rossby, yang akan mengambil energi darinya. Ketika peristiwa tak terduga terjadi di atmosfer, misalnya, dua vortisitas bertabrakan, gelombang Rossby muncul sebagai hasilnya. Tetapi biasanya setelah pembentukan pusaran itu selesai memancarkan gelombang Rossby, oleh karena itu, tidak ada bukti bahwa radiasi gelombang Rossby akan menghancurkan BKP, yang berada dalam keadaan kuasi-kesetimbangan.
Apa lagi yang bisa menghentikannya?
Jika Anda mulai mempelajari pertanyaan tentang apa yang dapat menyerang BKP dan menghancurkannya, Anda harus memikirkan tidak hanya tentang pengaruh faktor-faktor seperti gesekan pada energi kinetik; Anda harus berpikir tentang apa yang ternyata lebih penting - yang menyerang energi potensial. Ada alasan terkenal untuk potensi kebocoran energi potensial - ini disebut "
radiant equilibrium ." Jika saya dapat mendinginkan satu bagian dari atmosfer bumi, saya dapat mengambil stopwatch dan berkata: "Jadi, saya ingin tahu berapa lama bagian ini memanas lagi dan masuk ke dalam keseimbangan cahaya dengan atmosfer di sekitarnya?" Atau, jika saya membuat hot spot kecil di suatu tempat, saya bisa bertanya: "Berapa lama waktu yang diperlukan untuk membangun keseimbangan karena transfer foton dan yang lainnya, setelah itu situs saya akan kehilangan perbedaan suhu?" Dari perhitungan ilmuwan lain, diketahui bahwa di tempat atmosfer di mana BKP berada, area dingin atau panas menghilang dalam waktu sekitar empat setengah tahun - kali ini diperlukan agar area hangat atau dingin menjadi benar-benar tidak dapat dibedakan dari lingkungan. Jadi kami melakukan banyak simulasi numerik, dan jika kami memperkenalkan efek pemanasan atau pendinginan ke dalam model komputer kami, ternyata BKP terselesaikan dalam empat setengah tahun.
Dan apa yang memberinya makan?
Kecepatan rata-rata di sekitar tempat ini adalah sekitar tiga ratus kilometer per jam. Jet stream juga bergerak dengan kecepatan yang hampir sama. Tetapi kecepatan vertikal mereka dianggap sangat kecil. Mereka cenderung berada di urutan sentimeter per jam, dan karena itu mereka biasanya diabaikan. Tetapi angin vertikal terus-menerus muncul di area atmosfer yang luas, dan oleh karena itu kami pikir itu tidak dapat diabaikan. Kami berpikir bahwa perpindahan panas ke lapisan dingin dan dari bagian bawah yang hangat, dan mencoba untuk membangun keseimbangan cahaya, sedang mencoba untuk menghancurkan BKP. Tetapi kami percaya bahwa BKP berhasil bertahan, meskipun perpindahan panasnya sangat baik, karena kecepatan vertikalnya sangat kecil.
Dalam praktiknya, kita dapat mengasumsikan bahwa ketika angin turun, ia menjadi lebih hangat, dan ketika naik, ia mendingin. Radiasi termal foton di dalam BKP berusaha menyeimbangkan suhu tutup dan dasarnya dengan suhu atmosfer di sekitarnya. Ini akan membuat tutup rapat dingin menjadi lebih hangat, dan pada akhirnya akan menghilang, yang akan menghancurkan BKP.
Tetapi pada awal dispersi BKP, keseimbangan tekanan hilang. Kehilangan keseimbangan memungkinkan tekanan tinggi di tengah BKP untuk mendorong gas secara vertikal melalui penutup yang melemah. Ketika diangkat, angin mendingin, yang memasok tutupnya dengan udara dingin baru, sebagai hasilnya, mendingin dan menjadi lebih berat. Kira-kira proses yang sama terjadi di bagian bawah BKP, dan memulihkan bagian bawah yang hangat, yang mencoba menghancurkan radiasi termal.
Plus, gas bergerak vertikal ke atas, melewati penutup yang hilang, meninggalkan BKP dan akhirnya berhenti naik, dan itu diratakan secara horizontal di area berkali-kali area BKP. Lalu dia berhenti bergerak dan turun. Gas turun ini mendorong atom dan molekul atmosfer di sekitar BKP ke bawah, mengurangi energi potensial mereka. Akibatnya, gas mengakhiri perjalanannya, kembali ke pusat BKP. Dalam perjalanan pulang, gas tersebut mengumpulkan energi potensial yang dilepaskan dari atmosfer di sekitar BKP.
Pengumpulan energi ini menyeimbangkan hilangnya energi BKP melalui radiasi termal. Dalam simulasi komputer, Anda dapat mengukur arah dan kekuatan semua energi yang masuk dan keluar dari BKP, dan seluruh anggaran energi ini sangat cocok. Ada kebocoran besar energi potensial ke atmosfer di sekitar BKP karena sirkulasi gas, tetapi tidak ada yang perlu dikhawatirkan, karena Matahari mengembalikan keseimbangan radiasi di tempat ini dan memberikan energi tambahan. Jadi pada akhirnya ternyata Matahari berfungsi sebagai sumber energi untuk mencegah menghilangnya BKP.
Apa nilai mempelajari atmosfer planet yang jauh?
Jika Anda tidak mengerti bagaimana Jupiter bekerja di tata surya kita sendiri, bagaimana Anda bisa memahami bagaimana jupiter bekerja di sekitar matahari lain? Sekarang sangat modis untuk mencari Jupiter lainnya di tata surya lain, karena kami bertanya-tanya apakah ada planet lain, dan apakah ada kehidupan di dalamnya. Mempelajari planet yang mengorbit matahari lain, Anda harus mulai dari suatu tempat, Anda perlu membuat kesalahan bodoh. Ini adalah bagaimana bidang penelitian ilmiah berkembang.
Dan sekarang - keluhan. NASA adalah organisasi yang hebat, dan saya berterima kasih kepadanya atas dana yang dialokasikan untuk saya dan rekan-rekan teori saya. Tetapi jumlah uang yang kita habiskan untuk peralatan - untuk mengirim perangkat ke ruang angkasa, sangat tidak seimbang dibandingkan dengan jumlah uang yang kita habiskan untuk menganalisis data yang diterima dari perangkat tersebut. Jumlah data yang sangat besar diterima dari Voyagers hanya 31 tahun yang lalu, dan belum diproses. Sangat sulit mendapatkan pembiayaan untuk pemrosesan mereka. Biasanya semua orang mengatakan: “Anda perlu melakukan sesuatu yang baru dan menarik, dengan data baru! Tidak perlu kembali ke masa lalu dan mengacaukan data lama! " Tetapi ada begitu banyak hal berharga! Tapi hanya berikan perlengkapan ke Kongres.
Semua orang menyukai peralatan. Dan apa yang dibutuhkan NASA adalah Carl Sagan yang lain. Karl memiliki bakat untuk meyakinkan orang untuk menghargai penemuan kita sendiri, dan bukan hanya mesin yang memungkinkan penemuan ini.