Изображение предоставлено NASA / JPL.
Если Калифорнийский университет в Беркли и физическое видение Юпитера верны, планета-гигант столкнется с серьезным глобальным изменением температуры в течение следующего десятилетия, поскольку большинство его крупных вихрей исчезнет.
Но поклонники Большого Красного Пятна могут отдохнуть спокойно. По словам Филиппа Маркуса, профессора факультета машиностроения Калифорнийского университета в Беркли, самый известный из вихрей Юпитера, который часто сравнивают с ураганами Земли, останется на месте, в основном из-за его расположения вблизи экватора планеты.
Используя для сравнения водовороты и вихри, Маркус основывает свой прогноз на принципах, изученных в динамике жидкостей младшего уровня, и на наблюдении, что многие из вихрей Юпитера буквально исчезают в воздухе.
«Я предсказываю, что из-за потери этих атмосферных водоворотов средняя температура на Юпитере изменится на целых 10 градусов по Цельсию, и станет теплее возле экватора и будет холоднее на полюсах», - говорит Маркус. «Это глобальное изменение температуры приведет к тому, что струйные потоки станут нестабильными и, тем самым, породят новые вихри. Это событие, свидетелями которого смогут стать даже астрономы на заднем дворе ».
По словам Маркуса, предстоящие изменения сигнализируют об окончании нынешнего 70-летнего климатического цикла Юпитера. Его удивительные предсказания опубликованы в номере журнала Nature от 22 апреля.
Бурная атмосфера Юпитера имеет около дюжины струйных течений, которые движутся в чередующихся направлениях на восток и запад, и которые могут развивать скорость свыше 330 миль в час. Как и на Земле, вихри на Юпитере, которые вращаются по часовой стрелке в северном полушарии, считаются антициклонами, а те, которые вращаются против часовой стрелки, являются циклонами. Обратное верно в южном полушарии, где по часовой стрелке вихри являются циклонами, а вращатели против часовой стрелки - антициклонами.
Большое Красное Пятно, расположенное в южном полушарии, считается крупнейшим антициклоном Юпитера; охватывающий 12 500 миль в ширину, он достаточно большой, чтобы проглотить Землю два-три раза.
В отличие от циклонических штормов на Юпитере земные ураганы и штормы связаны с системами низкого давления и рассеиваются через дни или недели. Для сравнения, Большое Красное Пятно - это система высокого давления, которая стабильна более 300 лет и не имеет признаков замедления.
Около 20 лет назад Маркус разработал компьютерную модель, показывающую, как возникло и выдержало Большое Красное Пятно в хаотической турбулентности атмосферы Юпитера. Его попытки объяснить динамику, управляющую им и другими вихрями на Юпитере, привели к его нынешней проекции надвигающегося изменения климата на планете.
Он говорит, что текущий 70-летний цикл начался с образования трех отдельных антициклонов - Белых Овалов, которые развивались к югу от Большого Красного Пятна в 1939 году. «Рождение Белых Овалов было замечено с помощью телескопов на Земле», - говорит он. «Я полагаю, что в течение следующих 10 лет нас ожидает такое же удовольствие».
Маркус говорит, что первая стадия климатического цикла включает в себя формирование вихревых улиц, которые пересекают западные реактивные потоки. Антициклоны образуются на одной стороне улицы, а циклоны - на другой, без двух вихрей, вращающихся в одном направлении, непосредственно примыкающих друг к другу.
Большинство вихрей медленно распадаются с турбулентностью. На втором этапе цикла некоторые вихри становятся достаточно слабыми, чтобы попасть в случайные впадины или волны Россби, которые образуются в струйном потоке. Несколько вихрей могут попасть в один и тот же желоб. Когда они это делают, они путешествуют вместе, и турбулентность может легко заставить их слиться. Когда вихри слабы, захват и слияние продолжаются до тех пор, пока на каждой вихревой улице не останется только одна пара.
Отмеченное исчезновение двух белых овалов, одного в 1997 или 1998 году и второго в 2000 году, иллюстрировало слияние вихрей на втором этапе и, как таковое, сигнализировало о «начале конца» нынешнего климатического цикла Юпитера, говорит Маркус.
Почему слияние вихрей повлияет на глобальную температуру? Маркус говорит, что относительно равномерная температура Юпитера - где температуры на полюсах почти такие же, как на экваторе - обусловлена хаотическим смешением тепла и потока воздуха от вихрей.
«Если вы выбьете целый ряд вихрей, вы прекратите смешивание тепла на этой широте», - говорит Маркус. «Это создает большую стену и предотвращает перенос тепла от экватора к полюсам».
Как только исчезнет достаточно вихрей, атмосфера планеты будет нагреваться на экваторе и охлаждаться на полюсах на целых 10 градусов Цельсия в каждом регионе, что является третьей стадией климатического цикла.
Это изменение температуры дестабилизирует струйные потоки, которые будут реагировать, становясь волнистыми. Волны усиливаются и распадаются, как на пляже, но затем они превращаются в новые большие вихри на четвертой стадии цикла. На пятой и последней стадии климатического цикла новые вихри уменьшаются в размерах, и они оседают на вихревых улицах, чтобы начать новый цикл.
Ослабление вихрей происходит из-за турбулентности и происходит постепенно с течением времени. Маркус говорит, что новообразованным вихрям требуется примерно полвека для того, чтобы они постепенно сжимались настолько, чтобы попасть в корыто реактивного потока.
К счастью, близость Большого Красного Пятна к экватору спасает его от разрушения. В отличие от других вихрей Юпитера, Большое Красное Пятно выживает, «съедая» соседние антициклоны, говорит Маркус.
Маркус отмечает, что его теория климатического цикла Юпитера основывается на существовании примерно равного числа циклонов и антициклонов на планете.
Так как характерными признаками вихрей являются облака, которые они создают, было легко пропустить присутствие долгоживущих циклонов, говорит Маркус. Он объясняет, что в отличие от отчетливого пятна антициклона, циклоны создают структуры нитевидных облаков, которые менее четко определены.
«На первый взгляд, легко предположить, что на Юпитере доминируют антициклоны, потому что их вращающиеся облака четко видны как глаза быка», - говорит Маркус.
В статье «Природа» Маркус представляет компьютерное моделирование, показывающее, что теплый центр и более холодный периметр циклона создают видимость нитевидных облаков. Напротив, антициклоны имеют холодные центры и более теплые периметры. Кристаллы льда, которые образуются в центре антициклона, набухают и перемещаются в стороны, где они тают, создавая более темный вихрь, окружающий более светлый цветной центр.
Маркус подходит к изучению планетарных атмосфер с нетрадиционной точки зрения флюида-динамика. «Я основываю свои прогнозы на относительно простых законах динамики вихрей вместо того, чтобы использовать объемные данные или сложные атмосферные модели», - говорит Маркус.
Маркус говорит, что урок климата Юпитера может состоять в том, что небольшие волнения могут вызвать глобальные изменения. Однако он предостерегает от применения той же модели к климату Земли, на который влияют многие различные факторы, как естественные, так и антропогенные.
«Тем не менее, важно иметь разные« лаборатории »для климата», - говорит Маркус. «Изучение других миров помогает нам лучше понять наш собственный мир, даже если они не имеют прямого аналога».
Исследования Маркуса поддерживаются грантами Программы НАСА «Истоки», Национального научного фонда по астрономии и физике плазмы и Лос-Аламосской национальной лабораторией.
Первоисточник: Пресс-релиз Калифорнийского университета в Беркли
