Bildkredit: NASA / JPL
Om ett universitet i Kalifornien, Berkeley, fysikerens syn på Jupiter är korrekt, kommer jätteplaneten att vara i en stor global temperaturförändring under det kommande decenniet eftersom de flesta av sina stora virvlar försvinner.
Men fans av Great Red Spot kan vila enkelt. De mest kända av Jupiters virvlar - som ofta jämförs med jordens orkaner - kommer att förbli säkra, till stor del på grund av dess läge nära planetens ekvator, säger Philip Marcus, professor vid UC Berkeleys avdelning för maskinteknik.
Med hjälp av bubbelpooler och virvlar för jämförelse baserar Marcus sin prognos på rektorer lärda i fluiddynamik på juniornivå och på observationen att många av Jupiters virvlar bokstavligen försvinner i tunn luft.
"Jag förutspår att på grund av förlusten av dessa atmosfäriska bubbelpooler kommer medeltemperaturen på Jupiter att förändras med så mycket som 10 grader, och blir varmare nära ekvatorn och svalare vid polerna," säger Marcus. ”Denna globala temperaturförändring kommer att orsaka att jetströmmarna blir instabila och därmed skapar nya virvlar. Det är en händelse som även astronomer i trädgården kommer att kunna bevittna. "
Enligt Marcus signalerar de överhängande förändringarna slutet på Jupiters nuvarande 70-åriga klimatcykel. Hans överraskande förutsägelser publiceras i 22 april-numret av tidskriften Nature.
Jupiters stormiga atmosfär har ett dussin jetströmmar som går i växlande riktningar i öster och väster, och som kan klockhastigheter överstiga 330 miles per timme. Liksom på jorden betraktas virvlar på Jupiter som roterar medsols på den norra halvklotet som anticykloner, medan de som roterar moturs är cykloner. Det motsatta är sant på den södra halvklotet, där medurs vortices är cykloner och moturs spindlar är anticykloner.
The Great Red Spot, som ligger på södra halvklotet, har titeln som Jupiters största anticyklon; sträcker sig över 12 500 mil bred och är tillräckligt stor för att svälja jorden två till tre gånger över.
Till skillnad från de cykloniska stormarna på Jupiter, är jordens orkaner och stormar förknippade med lågtryckssystem och sprids efter dagar eller veckor. I jämförelse är The Great Red Spot ett högtryckssystem som har varit stabilt i mer än 300 år och visar inga tecken på att bromsa ner.
För cirka 20 år sedan utvecklade Marcus en datormodell som visade hur den stora röda fläcken kom ut och uthärde i den kaotiska turbulensen i Jupiters atmosfär. Hans ansträngningar för att förklara dynamiken som styr den och andra virvlar på Jupiter ledde till hans nuvarande projektion av planetens förestående klimatförändring.
Han säger att den nuvarande 70-åriga cykeln började med bildandet av tre distinkta anticykloner - de vita ovalerna - som utvecklades söder om den stora röda fläcken 1939. "De vita ovalens födelse sågs genom teleskoper på jorden," säger han. "Jag tror att vi är ute efter en liknande behandling under de kommande tio åren."
Marcus säger att det första steget i klimatcykeln involverar bildandet av virvelgator som sträcker sig över strålarna västerut. Anticykloner bildas på ena sidan av gatan, medan cykloner bildas på andra sidan, utan att två virvlar roterar i samma riktning direkt intill varandra.
De flesta av virvlarna förfaller långsamt med turbulens. I steg två i cykeln blir vissa virvlar svaga nog för att fastna i enstaka tråg eller Rossby-vågor som bildas i jetströmmen. Flera virvlar kan fastna i samma tråg. När de gör det reser de ihop och turbulens kan lätt få dem att smälta samman. När virvlarna är svaga fortsätter fångst och sammanslagning tills bara ett par finns kvar på varje virvelgata.
Det noterade försvinnandet av två vita ovaler, en 1997 eller 1998 och en andra år 2000, exemplifierade sammanslagningen av virvlarna i steg två, och som sådan signalerade ”början på slutet” av Jupiters nuvarande klimatcykel, säger Marcus.
Varför skulle sammanslagningen av virvlar påverka den globala temperaturen? Marcus säger att den relativt enhetliga temperaturen på Jupiter - där temperaturen vid polerna nästan är densamma som vid ekvatorn - beror på den kaotiska blandningen av värme och luftflöde från virvlarna.
"Om du slår ut en hel rad av virvlar, slutar du all blandning av värme på den latitud," säger Marcus. "Detta skapar en stor vägg och förhindrar transport av värme från ekvatorn till polerna."
När väl tillräckligt med virvlar är borta kommer planetens atmosfär att värmas vid ekvatorn och svalna vid polerna med så mycket som 10 grader Celsius i varje region, som är steg tre i klimatcykeln.
Denna temperaturförändring destabiliserar jetströmmarna, som reagerar genom att bli vågiga. Vågorna brantas och bryts upp, som de gör på stranden, men de rullas sedan upp till nya stora virvlar i cykelns fjärde etapp. I det femte och sista steget i klimatcykeln minskar de nya virvlarna i storlek och de slår sig ner i virvelgatorna för att påbörja en ny cykel.
Försvagningen av virvlarna beror på turbulens och sker gradvis över tiden. Det tar ungefär ett halvt århundrade för nybildade virvlar att gradvis krympa tillräckligt för att fångas upp i ett jetströmtrog, säger Marcus.
Lyckligtvis räddar den stora röda fläckens närhet till ekvatorn den från förstörelse. Till skillnad från Jupiters andra virvlar överlever den stora röda fläcken genom att ”äta” sina angränsande anticykloner, säger Marcus.
Marcus konstaterar att hans teori om Jupiters klimatcykel förlitar sig på att det finns ett ungefär lika stort antal cykloner och anticykloner på planeten.
Eftersom de tydliga tecknen på virvlar är molnen de skapar, var det lätt att missa närvaron av långlivade cykloner, säger Marcus. Han förklarar att till skillnad från en anticyklons distinkta plats, skapar cykloner mönster av filamentära moln som är mindre tydligt definierade.
"I motsats till det är det lätt att tro att Jupiter domineras av anticykloner eftersom deras snurrande moln dyker upp tydligt som tjur-ögon," säger Marcus.
I tidningen i Nature presenterar Marcus en datorsimulering som visar att det varma centrum och svalare omkrets av en cyklon skapar utseende på glödtrådiga moln. Däremot har anticykloner kalla centra och varmare perimetrar. Iskristaller som bildas i anticyklonens centrum sväller upp och rör sig till sidorna där de smälter, vilket skapar en mörkare virvel som omger ett ljusare centrum.
Marcus närmar sig studiet av planetariska atmosfärer från en utradisionell synvinkel för en fluid dynamisk. "Jag baserar mina förutsägelser på de relativt enkla lagarna i virveldynamiken istället för att använda omfattande datamängder eller komplexa atmosfäriska modeller," säger Marcus.
Marcus säger att lektionen i Jupiters klimat kan vara att små störningar kan orsaka globala förändringar. Men han varnar för att tillämpa samma modell på jordens klimat, som påverkas av många olika faktorer, både naturliga och mänskliga.
"Det är fortfarande viktigt att ha olika" laboratorier "för klimatet," säger Marcus. "Att studera andra världar hjälper oss att bättre förstå våra egna, även om de inte är direkt analoga."
Marcus forskning stöds av bidrag från NASA Origins-programmet, National Science Foundation Astronomy and Plasma Physics Program och Los Alamos National Laboratory.
Originalkälla: UC Berkeley News Release
