Почему Большое красное пятно Юпитера никак не умрёт

«Увлекаться чтением – это ошибка», – говорит мне за чашечкой кофе в кофейне близ кампуса Филип Маркус, вычислительный физик и профессор департамента машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли. «Вы слишком многое узнаёте. Именно так я подсел на динамику жидкостей».

А было это в 1978-м, когда Маркус первый год работал в качестве доктора наук в Корнелле, специализируясь на числовых симуляциях солнечной конвекции при помощи спектральных методов. Но ему хотелось изучать эволюцию космоса и общую теорию относительности; проблема, по его словам, была в том, что люди утверждали, что за всю жизнь так и не увидели результатов работы ОТО. В итоге «это область немножечко затихла, и все специалисты по ОТО расходились в другие области».

Именно в 1978 году Вояджер 1 начал отправлять сделанные с близкого расстояния фотографии Юпитера на Землю. Когда Маркусу нужно было, как он говорит, «расслабиться, сбросить напряжение, и всё такое», он шел в специальную лабораторию, располагавшуюся рядом со зданием астрофизики, и восхищался фотографиями Большого Красного пятна, сделанными с Вояджера. Шторм прошёл уже сотни миллионов миль, по крайней мере, с 1665 года, когда его впервые увидел Роберт Гук. «Я понял, что почти никто из области астрономии не был осведомлён в динамике жидкостей, а я как раз был, – сказал он мне. – И я сказал – ну что же, у меня есть возможность заняться изучением этого вопроса, и она не хуже, чем у других».

Так он с тех пор и не останавливался. Сегодня он представляет собой эксперта по самому знаменитому шторму в Солнечной системе. Обладая телосложением маунтинбайкера, он отвечает на мои вопросы, активно двигаясь, и иногда размахивая руками в попытках уточнить свои слова. Он признал, что его энергичность может привести к неуклюжести. «Люди с подозрением относятся ко мне, – говорит он. – Если я вхожу в лабораторию, я тут же что-нибудь разбиваю». К счастью, по его словам, «мне очень повезло дружить с несколькими экспериментаторами».

Что поражает вас в Большом красном пятне?

Несколько вещей. Люди давно думали над тем, почему Большое красное пятно (БКП) живёт так долго? БКП – это шторм, и мы привыкли к земным штормам. Средний ураган живёт максимум пару недель, и механизм его уничтожения совершенно определённый: он либо проходит над холодной водой и теряет энергию, либо проходит над землёй и резко теряет энергию. Торнадо – штука впечатляющая, но она живёт всего несколько часов. Так почему же БКП живёт так долго? Раньше люди говорили: «Это облака, задержавшиеся у вершины горы». Или: «Это айсберг в море водорода». Подобные теории разом закончились в 1979-м, когда Вояджеры 1 и 2 пролетели мимо планеты. Никто тогда не знал, что это вихрь, огромный ураган, на поворот которому требуется шесть дней. США уместились бы в БКП пару сотен раз. Оно на самом деле огромное. Одним из замечательных достижений миссий Вояджер стало то, что они сделали сотни фотографий облаков, составляющих БКП, и мы наконец смогли увидеть, как эта штука крутится, и тогда мы смогли с уверенностью сказать, что это вихрь. До того никто не знал, что оно вертится.

Как появилось БКП?

БКП, вероятно, появилось одним из двух способов. Это мог быть восходящий поток газа, добравшийся до стратосферы и завернувшийся, из-за чего и получился вихрь. Если восходящий поток может добраться до достаточно стабильного слоя атмосферы, он может распространяться горизонтально, а когда такой поток распространяется горизонтально на такой быстро вращающейся системе, как Юпитер, то это распространение приводит к образованию вихря. Другая возможность – струйное течение в атмосфере потеряло стабильность, начались волновые колебания, и когда амплитуда волны увеличилась до определённого предела, она распалась, образовав небольшие вихри, которые затем объединились.

Почему оно появилось на Юпитере, а не где-то ещё?

На Земле, если полетать над океаном, можно практически точно сказать, в каких местах под вами будут острова, поскольку над ними будут висеть облака – топографические особенности часто притягивают к себе облака. Но на Юпитере нет твёрдой поверхности, если только не спуститься до очень мелкого ядра. Это, по сути, шар жидкости. Не существует разницы нагрева между континентами и островами. Ветра не прерываются горными грядами. Всего этого нет, поэтому на нём существует набор очень хорошо организованных струйных течений. А если у вас есть такие течения, то вихри появляются естественным образом. Ветра идут в противоположных направлениях, трутся друг об друга. Это примерно как шарик подшипника, находящийся между двумя стенками, двигающимися в противоположных направлениях. Стенки заставляют шар вращаться, и противоположно движущиеся течения на Юпитере заставляют воздух между ними вращаться. Вихри, образовавшиеся между течениями, сопротивляются всему, что в них врезается. Если я сделают в ванной водоворот и шлёпну по нему, он исчезнет. Если я сделаю симуляцию БКП на Юпитере, расположенного между зональными ветрами, и шлёпну по нему, попытавшись разделить его на две части, оно соберётся снова. Поэтому я представляю себе струйные течения как сады, в которых можно выращивать вихри.

А что физически не даёт БКП распадаться?

Я думаю, что БКП в высоту составляет 50-70 км. В поперечнике у него порядка 26000 км. Получается такой блинчик. Точно так же, как с тюбиком зубной пасты, если я надавлю на блинчик в центре, то с его сторон, а также сверху и снизу что-то будет вылезать. Известно, что в центре БКП высокое давление, но его газы не вылезают по горизонтали со всех сторон из-за силы Кориолиса – они вылезают вертикально сверху и снизу. Так что же мешает газам вылезать сверху и снизу? Мне известен только один способ предотвратить это. Сверху БКП есть плотная холодная крышка атмосферы. Именно эта дополнительная плотность и толкает газы БКП обратно вниз. А под БКП должен быть тёплое плавучее атмосферное дно, мешающее высокому давлению в центре выталкивать газы из БКП вниз. Такой получается баланс.

Можно провести численные и аналитические подсчёты и задуматься: «Хм, интересно, а насколько плотная крышка тут нужна? Какая у дна должна быть плавучесть, чтобы достигался такой баланс?» С ветрами вихря связана кинетическая энергия, а с холодной плотной крышкой сверху и плавучим тёплым дном снизу связана потенциальная энергия. Большинство моих коллег, изучающих БКП, концентрируются на кинетической энергии, но я им говорю: «Не-не, ребятушки, в ней сосредоточено всего 16% энергии». Большая часть энергии БКП – это потенциальная энергия плотной холодной крышки и тёплого плавучего дна. Если вы хотите не спать ночами, думая о том, что же может атаковать БКП, то размышляйте о том, что может атаковать его потенциальную энергию.

Почему БКП не распадается от трения?

Наша интуиция говорит нам, что вихри не вечны, что они всегда распадаются из-за какого-нибудь трения. Трение бывает разное, и одной из причин, которая может уничтожить БКП, по мнению людей, будут волны Россби. Волны Россби – один из типов атмосферных волн, существующих по причине того, что атмосфера представляет собой вращающуюся сферическую оболочку, а не вращающуюся плоскость. Они часто встречаются в атмосфере, и передвигаются с небольшой скоростью. Люди думали, что БКП начнёт излучать волны Россби, которые отнимут у него энергию. Когда в атмосфере случаются неожиданные происшествия, например, сталкиваются два вихря, то в результате появляются волны Россби. Но обычно после формирования вихря он заканчивает испускать волны Россби, поэтому не наблюдается никаких свидетельств того, что излучение волн Россби уничтожит БКП, находящееся в квазиравновесном состоянии.

Что ещё может его остановить?

Если начать изучать вопрос того, что может атаковать БКП и уничтожить его, придётся думать не только о влиянии на кинетическую энергию таких факторов, как трение; придётся думать о том, что оказывается более важным – о том, что атакует потенциальную энергию. Существует вполне известная причина возможных утечек потенциальной энергии – она называется "лучистое равновесие". Если бы я смог охладить одну часть земной атмосферы, я бы мог достать секундомер и сказать: «Так, интересно, за какое время этот участок снова нагреется и войдёт в лучистое равновесие с окружающей атмосферой?» Или, если бы я сделал где-нибудь небольшой горячий участок, то я мог бы спросить: «Сколько времени займёт установление равновесия из-за передачи фотонов и всего остального, после чего мой участок потеряет свои температурные отличия?» Из вычислений других учёных известно, что в том месте атмосферы, где находится БКП, холодные или горячие участки исчезают примерно за четыре с половиной года – это время требуется на то, чтобы особо тёплые или холодные участки стали полностью неотличимы от окружения. Так что мы сделали множество численных симуляций, и если ввести эффект потепления или охлаждения в нашу компьютерную модель, то получается, что БКП рассасывается за четыре с половиной года.

А что его подпитывает?

Средняя скорость движения вокруг этого пятна – примерно три сотни километров в час. Струйные течения также двигаются примерно с той же скоростью. Но их вертикальные скорости считаются очень небольшими. Они, скорее всего, составляют порядка сантиметров в час, и поэтому ими обычно пренебрегают. Но на больших участках атмосферы постоянно появляются вертикальные ветра, и поэтому мы думаем, что их нельзя списывать со счетов. Мы думаем, что уничтожить БКП пытается тепло, передающееся в холодную крышку и из тёплого дна, и пытающееся установить лучистое равновесие. Но мы считаем, что БКП удаётся выживать, несмотря на эту лучистую передачу тепла, потому, что его вертикальная скорость весьма мала.

Практически можно считать, что когда ветер опускается, он становится теплее, а когда поднимается, то охлаждается. Тепловое излучение фотонов внутри БКП пытается уравнять температуру его крышки и дна с температурой окружающей атмосферы. Это должно делать холодную плотную крышку теплее, и она в итоге должна исчезнуть, что и уничтожит БКП.

Но в начале рассеивания БКП теряется баланс давлений. Потеря баланса позволяет высокому давлению в центре БКП выталкивать газы вертикально через ослабленную крышку. При поднятии ветер охлаждается, что поставляет крышке новый холодный воздух, в результате она охлаждается и утяжеляется. Примерно такой же процесс происходит и на дне БКП, и он восстанавливает тёплое дно, которое пытается уничтожить тепловое излучение.

Плюс, движущийся вертикально вверх газ, проходящий через исчезающую крышку, выходит наружу БКП и в итоге перестаёт подниматься, и его расплющивает по горизонтали на площади, во много раз превышающей площадь БКП. Затем он прекращает двигаться наружу и идёт вниз. Этот опускающийся газ толкает атомы и молекулы атмосферы, окружающие БКП, вниз, снижая их потенциальную энергию. В результате газ заканчивает своё путешествие, возвращаясь в центр БКП. На пути домой газ собирает потенциальную энергию, освобождённую из атмосферы, окружающей БКП.

Сбор этой энергии уравновешивает потерю БКП энергии через тепловое излучение. В компьютерной симуляции можно измерить направление и мощность всех энергий, идущих внутрь и наружу из БКП, и весь этот энергетический бюджет прекрасно сходится. Существует большая утечка потенциальной энергии в атмосферу, окружающую БКП из-за циркуляции газа, но в этом нет ничего страшного, поскольку Солнце восстанавливает лучистое равновесие в этом месте и даёт дополнительную энергию. Так что в итоге получается, что источником энергии, предотвращающим исчезновение БКП, служит Солнце.

В чём ценность изучения атмосферы далёкой планеты?

Если вы не понимаете, как работает Юпитер в нашей собственной Солнечной системе, как вы сможете понять, как работают юпитеры вокруг других солнц? Сейчас очень модно искать другие юпитеры в других солнечных системах, поскольку нам интересно, существуют ли другие планеты, и может ли на них существовать жизнь. Изучение планет, обращающихся вокруг других солнц, нужно с чего-то начинать, нужно совершать глупые ошибки. Именно так и развивается научная область изысканий.

А теперь – жалоба. НАСА – прекрасная организация, и я благодарен ей за финансирование, выделяемое мне и моим коллегам-теоретикам. Но количество денег, которое мы тратим на оборудование – для того, чтобы отправлять приборы в космос, по сравнению с количеством денег, которое мы тратим на анализ данных, полученных с тех самых приборов, очень несбалансированное. С Вояджеров ещё 31 год назад были получены огромные объёмы данных, и их до сих пор не обработали. Получить финансирование на их обработку крайне сложно. Обычно все говорят: «Вам надо делать что-то новое и интересное, с новыми данными! Не надо возвращаться в прошлое и возиться со старыми данными!» Но там же есть очень много всего ценного! Но Конгрессу подавай только оборудование.

Все любят оборудование. А что нужно НАСА – это ещё один Карл Саган. У Карла был талант убеждать людей уважать сами наши открытия, а не только машины, благодаря которым эти открытия стали возможными.

Источник: geektimes.ru