"Me envolver na leitura é um erro", diz Philip Marcus, físico da computação e professor de engenharia da Universidade da Califórnia em Berkeley, enquanto toma uma xícara de café em uma cafeteria perto do campus. “Você aprende demais. Foi assim que me apeguei à dinâmica dos fluidos. ”
E foi em 1978, quando Marcus trabalhou pelo primeiro ano como doutor em ciências em Cornell, especializado em simulações numéricas de convecção solar usando métodos espectrais. Mas ele queria estudar a evolução do cosmos e a teoria geral da relatividade; o problema, disse ele, era que as pessoas alegavam que não haviam visto os resultados do trabalho da relatividade geral em toda a vida. Como resultado, "essa área se acalmou um pouco e todos os especialistas em relatividade geral divergiram para outras áreas".
Foi em 1978 que a Voyager 1 começou a enviar fotos em close de Júpiter para a Terra. Quando Marcus precisou, como ele diz, "relaxar, aliviar a tensão e tudo mais", ele foi a um laboratório especial localizado ao lado do prédio da astrofísica e admirou fotografias da Grande Mancha Vermelha tiradas da Voyager. A tempestade já passou centenas de milhões de quilômetros, pelo menos desde 1665, quando ele foi visto pela primeira vez por
Robert Hooke . "Percebi que quase ninguém no campo da astronomia estava ciente da dinâmica dos líquidos, mas eu estava lá", ele me disse. "E eu disse - bem, então, tenho a oportunidade de estudar esse assunto e não é pior que os outros."
Então ele não parou desde então. Hoje, ele é especialista na tempestade mais famosa do sistema solar. Possuindo o físico de um ciclista de montanha, ele responde às minhas perguntas, movendo-se ativamente e às vezes balançando os braços na tentativa de esclarecer suas palavras. Ele reconheceu que sua energia poderia levar a falta de jeito. "As pessoas suspeitam de mim", diz ele. "Se eu entrar no laboratório, eu imediatamente quebro alguma coisa." Felizmente, ele disse: "Tive muita sorte de ser amigo de vários pesquisadores".
O que te impressiona na Grande Mancha Vermelha?
Algumas coisas As pessoas pensam há muito tempo por que a Grande Mancha Vermelha (BKP) vive há tanto tempo? BKP é uma tempestade, e estamos acostumados a tempestades terrenas. Um furacão médio dura no máximo duas semanas, e o mecanismo para sua destruição é completamente certo: ele passa sobre a água fria e perde energia, ou passa sobre a terra e dramaticamente perde energia. Um tornado é uma coisa impressionante, mas vive apenas algumas horas. Então, por que o BKP vive tanto tempo? As pessoas costumavam dizer: "São nuvens persistentes no topo de uma montanha". Ou: "Este é um iceberg em um mar de hidrogênio". Teorias semelhantes terminaram imediatamente em 1979, quando as Voyagers 1 e 2 passaram pelo planeta. Ninguém sabia então que era um turbilhão, um enorme furacão, que levou seis dias para virar. Os Estados Unidos caberiam no BKP algumas centenas de vezes. É realmente enorme. Uma das realizações notáveis das missões Voyager foi que eles tiraram centenas de fotos das nuvens que compõem o BKP, e finalmente conseguimos ver como essa coisa gira, e então pudemos dizer com confiança que isso é um turbilhão. Até então, ninguém sabia que estava girando.
Como surgiu o BKP?
O BKP provavelmente apareceu de duas maneiras. Poderia ser um fluxo ascendente de gás, atingindo a estratosfera e envolvido, e é por isso que o vórtice acabou. Se o fluxo ascendente puder alcançar uma camada suficientemente estável da atmosfera, ele poderá se propagar horizontalmente e, quando esse fluxo se propagar horizontalmente em um sistema de rotação rápida como Júpiter, essa propagação levará à formação de um vórtice. Outra possibilidade é que a corrente de jato na atmosfera perdesse estabilidade, começaram as oscilações das ondas e, quando a amplitude da onda aumentou até um certo limite, ela se rompeu, formando pequenos vórtices, que depois se fundiram.
Por que apareceu em Júpiter, e não em outro lugar?
Na Terra, se você sobrevoar o oceano, quase pode dizer exatamente quais lugares as ilhas estarão embaixo de você, porque as nuvens pairam acima delas - os recursos topográficos geralmente atraem nuvens para si. Mas não há superfície sólida em Júpiter, a menos que você desça para um núcleo muito raso. Isto é essencialmente uma bola de fluido. Não há diferença no aquecimento entre continentes e ilhas. Os ventos não são interrompidos por cadeias de montanhas. Tudo isso não é, portanto, existe um conjunto de fluxos de fluxo muito bem organizados. E se você tem essas correntes, os vórtices aparecem naturalmente. Os ventos vão em direções opostas, esfregam uns contra os outros. É como uma bola de rolamento localizada entre duas paredes, movendo-se em direções opostas. As paredes fazem a bola girar e as correntes opostas em Júpiter fazem o ar girar entre elas. Os vórtices formados entre as correntes resistem a tudo que colide com eles. Se eu rodar no banheiro e bater nele, ele desaparecerá. Se eu fizer uma simulação de BKP em Júpiter, localizada entre os ventos zonais, e bater nela, tentando dividi-la em duas partes, ela será montada novamente. Portanto, imagino correntes de jato como jardins nos quais redemoinhos podem ser cultivados.
E o que impede fisicamente o BKP de se desintegrar?
Eu acho que o BKP em altura é de 50 a 70 km. Em diâmetro, tem cerca de 26.000 km. Acontece uma panqueca. Da mesma forma que com um tubo de creme dental, se eu pressionar a panqueca no centro, algo sairá de seus lados, bem como de cima e de baixo. Sabe-se que no centro de BKP há alta pressão, mas seus gases não se arrastam horizontalmente de todos os lados devido à
força de Coriolis - eles se arrastam verticalmente de cima e de baixo. Então, o que impede que os gases saiam de cima e de baixo? Eu sei apenas uma maneira de evitar isso. No topo do BKP existe uma cobertura densa de atmosfera fria. É essa densidade adicional que empurra os gases BKP de volta. E sob o BKP deve haver um fundo atmosférico quente e flutuante, que evita que a alta pressão no centro empurre os gases para fora do BKP. Isto é um equilíbrio.
Você pode realizar cálculos numéricos e analíticos e pensar: “Hmm, eu me pergunto, quanta cobertura espessa é necessária aqui? Que fundo deve haver flutuabilidade para alcançar esse equilíbrio? ” A energia cinética está associada aos ventos do vórtice, e a energia potencial está associada a uma tampa densa e fria no topo e um fundo quente flutuante abaixo. A maioria dos meus colegas que estudam BKP se concentra na energia cinética, mas eu digo a eles: "Não, não, pessoal, apenas 16% da energia está concentrada nela." A maior parte da energia do BKP é a energia potencial de uma densa cobertura fria e de um fundo flutuante quente. Se você não quiser dormir à noite, pensando no que o BKP pode atacar, pense no que sua energia potencial pode atacar.
Por que o BKP não rompe o atrito?
Nossa intuição nos diz que os vórtices não são eternos, que sempre se desintegram devido a algum atrito. O atrito pode ser diferente, e uma das razões que podem destruir o BKP, segundo as pessoas, serão
as ondas de Rossby . As ondas de Rossby são um dos tipos de ondas atmosféricas que existem porque a atmosfera é uma concha esférica rotativa e não um plano rotativo. Eles são freqüentemente encontrados na atmosfera e se movem em baixa velocidade. As pessoas pensavam que o BKP começaria a irradiar ondas de Rossby, o que consumiria energia dele. Quando eventos inesperados ocorrem na atmosfera, por exemplo, dois vórtices colidem, as ondas de Rossby aparecem como resultado. Porém, geralmente após a formação do vórtice, ele acaba emitindo ondas de Rossby; portanto, não há evidências de que a radiação das ondas de Rossby destrua o BKP, que está em um estado de quase equilíbrio.
O que mais poderia detê-lo?
Se você começar a estudar a questão do que pode atacar o BKP e destruí-lo, deve pensar não apenas na influência de fatores como o atrito na energia cinética; você precisa pensar no que acaba sendo mais importante - o que ataca a energia potencial. Existe uma razão bem conhecida para o vazamento potencial de energia potencial - é chamado de "
equilíbrio radiante ". Se eu pudesse resfriar uma parte da atmosfera da Terra, poderia pegar um cronômetro e dizer: "Então, eu me pergunto por quanto tempo essa seção se aquece novamente e entra em equilíbrio radiante com a atmosfera circundante?" Ou, se eu fizesse um pequeno ponto quente em algum lugar, poderia perguntar: "Quanto tempo levará para estabelecer o equilíbrio devido à transferência de fótons e tudo mais, depois do qual meu site perderá suas diferenças de temperatura?" A partir dos cálculos de outros cientistas, sabe-se que no local da atmosfera onde o BKP está localizado, as áreas frias ou quentes desaparecem em cerca de quatro anos e meio - esse tempo é necessário para que áreas particularmente quentes ou frias se tornem completamente indistinguíveis do ambiente. Então fizemos muitas simulações numéricas e, se introduzirmos o efeito de aquecimento ou resfriamento em nosso modelo de computador, o BKP se resolverá em quatro anos e meio.
E o que o alimenta?
A velocidade média em torno deste local é de cerca de trezentos quilômetros por hora. Os fluxos de jato também se movem na mesma velocidade. Mas suas velocidades verticais são consideradas muito pequenas. É provável que sejam da ordem de centímetros por hora e, portanto, geralmente são negligenciados. Mas os ventos verticais aparecem constantemente em grandes áreas da atmosfera e, portanto, pensamos que eles não podem ser descontados. Pensamos que o calor transferido para a cobertura fria e para o fundo quente, e tentando estabelecer um equilíbrio radiante, está tentando destruir o BKP. Mas acreditamos que o BKP consegue sobreviver, apesar dessa transferência de calor radiante, porque sua velocidade vertical é muito pequena.
Na prática, podemos assumir que, quando o vento cai, fica mais quente e, quando sobe, esfria. A radiação térmica dos fótons dentro do BKP está tentando equilibrar a temperatura da tampa e do fundo com a temperatura da atmosfera circundante. Isso deve aquecer a tampa estanque e, no final, desaparecer, o que destruirá o BKP.
Porém, no início da dispersão do BKP, o balanço de pressão é perdido. A perda de equilíbrio permite que a alta pressão no centro do BKP empurre gases verticalmente através de uma tampa enfraquecida. Quando apanhado, o vento esfria, o que fornece à tampa um novo ar frio; como resultado, esfria e fica mais pesado. Aproximadamente o mesmo processo ocorre na parte inferior do BKP e restaura o fundo quente, que está tentando destruir a radiação térmica.
Além disso, o gás que se move verticalmente para cima, passando pela tampa que desaparece, deixa o BKP e finalmente para de subir e é achatado horizontalmente em uma área muitas vezes maior que a área do BKP. Então ele para de sair e desce. Esse gás descendente empurra os átomos e moléculas da atmosfera ao redor do BKP para baixo, reduzindo sua energia potencial. Como resultado, o gás termina sua jornada, retornando ao centro do BKP. No caminho para casa, o gás coleta a energia potencial liberada da atmosfera ao redor do BKP.
A coleta dessa energia equilibra a perda de energia BKP por radiação térmica. Em uma simulação por computador, você pode medir a direção e a potência de todas as energias que entram e saem do BKP, e todo esse orçamento de energia se encaixa perfeitamente. Há um grande vazamento de energia potencial na atmosfera ao redor do BKP devido à circulação de gás, mas não há nada com que se preocupar, pois o Sol restaura o equilíbrio radiante neste local e fornece energia adicional. Portanto, no final, o Sol serve como fonte de energia para evitar o desaparecimento do BKP.
Qual é o valor de estudar a atmosfera de um planeta distante?
Se você não entende como Júpiter funciona em nosso próprio sistema solar, como pode entender como Júpiter trabalha com outros sóis? Agora está na moda procurar outros Júpiteres em outros sistemas solares, porque estamos imaginando se existem outros planetas e se a vida pode existir neles. Estudando planetas orbitando outros sóis, você precisa começar em algum lugar, você precisa cometer erros estúpidos. É assim que o campo científico da pesquisa se desenvolve.
E agora - uma reclamação. A NASA é uma grande organização e sou grato a ela pelo financiamento alocado para mim e meus colegas teóricos. Mas a quantidade de dinheiro que gastamos em equipamentos - para enviar dispositivos ao espaço, é muito desequilibrada em comparação com a quantidade de dinheiro que gastamos na análise de dados recebidos desses dispositivos. Quantidades enormes de dados foram recebidas da Voyagers apenas 31 anos atrás e ainda não foram processadas. É extremamente difícil obter financiamento para seu processamento. Geralmente todo mundo diz: “Você precisa fazer algo novo e interessante, com novos dados! Não há necessidade de voltar no tempo e mexer com dados antigos! ” Mas há tantas coisas valiosas! Mas apenas entregue equipamentos ao Congresso.
Todo mundo adora equipamentos. E o que a NASA precisa é de outro Carl Sagan. Karl tinha o talento de convencer as pessoas a respeitarem nossas próprias descobertas, e não apenas as máquinas que tornaram essas descobertas possíveis.