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木星の大赤斑が死なない理由

読むのはいつも間違いです」カリフォルニア大学バークレー校の計算物理学者で機械工学科の教授であるフィリップ・マーカスは、キャンパス近くの喫茶店で私に語った. 「あなたはあまりにも多くのことを学びます。それが私が流体力学に本当に魅了された方法です。」

それは 1978 年のことで、マーカスはコーネル大学でポスドクとしての最初の年で、スペクトル法を使用した太陽対流と実験室の流れの数値シミュレーションに重点を置いていました。しかし、彼は宇宙の進化と一般相対性理論を研究したいと思っていました。マーカスが私に言ったように、問題は、生涯に一般相対性理論の結果を見た人がいないという話だった.その結果、「フィールド自体が少し崩壊し、一般相対性理論の誰もが他のフィールドに行くようになりました。」

ボイジャー 1 号が木星のクローズアップ画像を地球に送り始めたのも 1978 年でした。マーカスが言うように、「リラックスしたり、リラックスしたり」する必要があるときは、天体物理学の建物の隣にある特別な図書館に歩いて行き、ボイジャーの大赤斑の画像に驚嘆しました。この嵐は、ロバート・フックが最初に観測した少なくとも 1665 年以来、何億マイルも離れた場所で猛威を振るっていました。 「天文学の分野で流体力学の訓練を受けている人はほとんどいないことに気付きました。私もそうでした」と彼は語った。 「そして、まあ、私は誰よりもこの研究を始めるのに適した立場にあると言いました。」

そして彼は決して立ち止まりませんでした。今日、彼は太陽系で最も有名な嵐の専門家のような存在です。マウンテンバイカーの体型をした彼は、アニメーションで私の質問に答え、しばしば手を振ってコンセプトを明確にしました。彼は、彼のこのエネルギーが不器用さを助長する可能性があることを認めました. 「人々は私に懐疑的です」と彼は言いました。 「実験室に足を踏み入れたら、すぐにすべてを壊してしまうでしょう。」ありがたいことに、彼は次のように説明しました。

木星の大赤斑のどこに魅力を感じますか?

いくつかのこと。人々は長い間疑問に思ってきました、なぜ大赤斑はこれほど長い間存在していたのでしょうか?大赤斑は嵐であり、私たちは地球上で嵐に慣れています。平均的なハリケーンはせいぜい数週間しか続かず、明確な破壊メカニズムがあります。ハリケーンは冷水に入って燃料供給を遮断するか、陸上を越えて実際に燃料供給を遮断します。竜巻は非常に印象的ですが、非常に儚く、数時間しか続きません。では、なぜこれほど長く続く大赤斑があるのでしょうか?人々はかつて、「ああ、それは山の頂上にぶら下がっている雲だ」と言っていました。または「それは水素の海に浮かぶ氷山です。」これらの理論は、ボイジャー 1 号と 2 号が惑星のそばを飛んだ 1979 年頃にほぼ停止しました。それが渦であり、1回転するのに約6日かかる巨大なハリケーンであることを誰も本当に知りませんでした.米国は数百回レッド スポットに収まります。つまり、それは本当に巨大です。ボイジャー ミッションの素晴らしい点の 1 つは、赤斑を構成する雲の写真を何百枚も撮ったことです。そのため、最終的に全体が渦巻いているのを見ることができました。本当に回転しているとは誰も知りませんでした。

グレート スポットはどのように始まったのですか?

大赤斑は、おそらく次の 2 つの方法のいずれかで始まった可能性があります。成層圏に衝突し、巻き上げられて渦を生成した大きな上向きのプルームであった可能性があります。上昇するプルームが大気の非常に安定した部分に上向きに達することができる場合、水平方向に外側に広がります。木星のように非常に高速で回転しているシステムでは、広がり始めると、広がりによって渦が生成されます。もう 1 つの可能性は、ジェット気流が不安定になり、波状の振動を開始し、波の振幅が十分に大きくなると壊れて、渦を作り、それが合体したというものです。

なぜ他の場所ではなく木星で始まったのですか?

ここ地球上では、海の上空を飛んでいる場合、雲が上にぶら下がっているため、下に島があることをほぼ確実に知ることができます。しかし、非常に小さなコアに到達するまで、木星には固体の表面はありません。基本的には液体のボールです。大陸と海洋の間で暖房の違いはありません。山脈によって風が遮られることはありません。乱雑なものがすべてあるわけではないので、非常によく整理されたジェットストリームのセットがあります.ジェット気流ができたら、渦は自然に形成されます。風が反対方向に吹いていて、互いにせん断しています。反対方向に動く 2 つの壁の間のボール ベアリングを考えてみてください。壁がボールベアリングを回転させ、木星の反対方向に動くジェット気流がそれらの間の空気を回転させます。ジェット ストリーム間の渦は、それらに衝突するものに対して耐性があります。浴槽に渦を作って潰すと、だいたい渦はなくなります。帯状の風の間にある木星の大きな赤斑のシミュレーションを行って、それを叩いて 2 つに割ろうとすると、元に戻ります。ですから私は、ジェット気流を、渦を成長させたい庭園と考えています.

Spot を物理的にまとめているのは何ですか?

赤斑は、上から下まで、50 から 70 キロメートルの高さであると推測しています。左右で約26,000kmです。というわけでパンケーキです。歯磨き粉のチューブと同じように、パンケーキの中心を高圧で押しつぶすと、側面と上下から何かが噴出します。大赤斑の中心部では圧力が高いことが知られていますが、そのガスはコリオリの力により側面から水平方向に噴出するのではなく、上下から垂直方向に噴出します。では、ガスが垂直に噴出するのを防ぐにはどうすればよいでしょうか?それを防ぐために私が知っている唯一の方法は、大赤斑の上部に大気の密な冷たい蓋がある場合です.大赤斑のガスを押し戻すのは、その余分な密度です。そして、大赤斑の下には、暖かい浮力のある大気の床がなければならず、その床は高圧中心が大赤斑のガスを下方に押し出してその底から押し出すのを防ぎます。それがバランスです。

したがって、数値計算と分析計算の両方を実行して、「まあ、どれくらいの密度のふたが必要ですか?その平衡に達するために、床はどのくらいの浮力が必要ですか?」渦の風に関連する運動エネルギーがありますが、その上の冷たい高密度の蓋とその下の浮力のある暖かい床に関連するこの余分な位置エネルギーもあります.大赤斑を研究している私の同僚のほとんどは運動エネルギーを心配していますが、私は「いいえ、いいえ、いいえ、みんな、それは運動エネルギーの約 16% にすぎません」と考えています。大赤斑のエネルギーのほとんどは、高密度の冷たい蓋と暖かい浮力のある床の位置エネルギーにあります。大赤斑を攻撃する可能性のあるものを心配して眠れぬ夜を過ごしたい場合は、そのポテンシャル エネルギーを攻撃する可能性があるものについて考えてください。

摩擦でスポットが消散しないのはなぜですか?

私たちの直感は、渦が永遠に続くわけではなく、それを消散させるある種の摩擦が常にあることを示しています.摩擦はさまざまな形で発生する可能性があるため、人々が赤斑を破壊する非常に積極的な方法であると考えていたものの 1 つは、ロスビー波の摩擦によるものでした。ロスビー波は、大気が回転する平面ではなく回転する球形のシェルであるために存在する大気中の波の一種であり、大気中では一般的であり、ゆっくりと移動します。人々は、赤斑がロスビー波を放射し、これらのロスビー波がエネルギーを運ぶと考えていました。 2つの渦が衝突したときなど、大気中で突然恐ろしいことが起こると、ロスビー波が発生します。しかし、一般に、渦が確立されると、ロスビー波の放送が停止するため、ロスビー波の放射が実際にはかなり準平衡状態にある赤斑を破壊しようとしているという証拠はありません。

それを止めるには他に何がありますか?

何が赤斑を攻撃してそれを消滅させるのかを調査したい場合、摩擦などの運動エネルギーを攻撃しているものについて心配する必要があるだけではありません。また、より重要であることが判明した何か、つまり位置エネルギーを攻撃しているものについても心配する必要があります。位置エネルギーが攻撃される理由はよく知られており、「放射平衡」と呼ばれています。地球の大気のある領域を冷やすとしたら、ストップウォッチを取り出して、「わかりました。その冷たい領域が暖まり、周囲の大気と放射平衡になるまでにどのくらいかかりますか?」と言うことができます。または、どこかに小さなホット スポットを作ったら、ストップウォッチを取り出して、こう言うことができます。スポット?"他の科学者の計算によると、大赤斑がある大気中の場所では、ホット スポットまたはクール スポットが消えるまでの時間は約 4 年半であり、それまでに余分な暖かさと余分な冷たさが区別できなくなることを私たちは知っています。完全になくなった。そのため、数値シミュレーションを多数行った結果、赤斑のコンピューター モデルに温暖化と冷却の影響を当てはめると、大赤斑は 4 年半で消えてしまいます。

何が続けてきたのですか?

その地点を回る平均速度は、時速数百マイルです。また、ジェット気流も時速数百マイルのオーダーです。しかし、垂直速度の推定値は本当に、本当に小さいです。それらは時速数百マイルではなく、時速インチのオーダーであり、そのため、ほとんど重要ではないと考えられてきました.しかし、垂直風は広い範囲で発生し、継続的に発生するため、非常に重要になる可能性があると考えています。大赤斑を破壊しようとしているのは、放射平衡を回復しようとしている熱が冷たい上部に移動し、暖かい下部から移動していると考えられます。しかし、この放射熱伝達にもかかわらず大赤斑が生き続けているのは、この小さな垂直速度であると私たちは考えています。

風が下がれば暖かくなり、上がれば寒くなるという経験則があります。大赤斑内の光子による熱放射は、大赤斑の蓋と床の温度を周囲の大気と平衡させようとします。これにより、冷たくて密集した蓋が熱くなる傾向があり、最終的には消失し、大赤斑が破壊されます.

しかし、重い蓋が消え始めると、圧力のバランスが崩れます。バランスが失われると、大赤斑の中心にある高圧が、弱くなった蓋を通してガスを垂直方向に外側に押し出すことができます。風が上がると、私たちの経験則により冷やされ、ふたに冷たい空気が再供給され、ひんやりとした重いふたとして再構築されます。同様のプロセスが大赤斑の床に起こり、熱放射が破壊しようとしている底に暖かい床を再び確立します.

さらに、散逸蓋を通過した上向きのガスは、大赤斑の外に出て、最終的に上昇を停止し、大赤斑の領域に比べて非常に大きな領域にわたって水平方向に外側に押し出されます。その後、外側への移動を停止し、下降します。その下降するガスは、大赤斑を取り囲む大気の原子と分子を下方に押し下げ、それらの位置エネルギーを大幅に低下させます。最後に、ガスは大赤斑の中心に戻って旅を終えます。最後の帰路で、そのガスは赤斑を取り囲む大気から解放された位置エネルギーを収穫します。

そのエネルギーの収穫は、熱放射による大赤斑のエネルギーの損失のバランスをとるものです。コンピューター シミュレーションでは、大赤斑に出入りするすべてのエネルギーの方向と大きさを実際に測定することができ、全体のエネルギー収支は非常にうまく均衡しています。このガスの循環により、大赤斑を取り囲む地域の大気中の位置エネルギーが大幅に流出しますが、太陽がその周辺地域で放射平衡を再確立し、そのエネルギーを再供給するので問題ありません。したがって、究極的には、大赤斑の破壊を防ぐエネルギー源は太陽です。

遠く離れた惑星の大気を研究する価値は何ですか?

私たち自身の太陽系で木星がどのように機能するかを理解していない場合、他の太陽の周りの木星がどのように機能するかをどのように理解できるでしょうか?他の太陽系で木星を見つけることは、現在非常にホットなトピックです。なぜなら、そこに他の惑星があるかどうか、それらの他の惑星が生命を宿すことができるかどうかを知りたいからです.私たちの太陽以外の星の周りの惑星を研究することからどこかから始めなければならず、ばかげた間違いを犯さなければなりません.それがフィールドの始まりです。

NASA は素晴らしい組織であり、NASA が私と仲間の理論家に資金を提供してくれたことに感謝しています。しかし、彼らがハードウェアに費やす金額、つまり宇宙に物を持ち込むために費やす金額は、それらの物から得たデータを分析するために費やす金額と比較して、非常に不均衡です. 31 年前に収集されたボイジャーの飛行から得られた膨大な量のデータがまだ分析されておらず、それらを調査するための資金を調達することは非常に困難です。人々はこう言います。あまりにも古いデータに戻って見たくはありません。」しかし、そこには本当に価値のあるものがあります!議会で売れているのはハードウェアです。誰もがハードウェアが好きです。 NASA が本当に必要としているのは、言いたくないのですが、別のカール セーガンです。 Carl は、私たちが発見したことと、発見を可能にした機械を人々に高く評価してもらうコツを持っていました.

Brian Gallagher は Facts So Romantic の編集者です。 ノーチラスのブログ . Twitter @brianga11agher で彼をフォローしてください。

視聴:ウィリアム ハーシェル卿が天王星を発見したときに何が起こったかについて、伝説の映画編集者ウォルター マーチが語っています。

この記事は、2015 年 3 月の「Slow」号に掲載されたものです。


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