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Pourquoi la grande tache rouge de Jupiter refuse de mourir

Philip Marcus, pourrait-on dire, est obsédé par la plus célèbre tempête du système solaire. Le physicien informaticien et professeur au département de génie mécanique de l’Université de Californie à Berkeley a sondé la grande tache rouge de Jupiter – un énorme ouragan qui prend six jours pour effectuer une rotation complète – depuis la fin des années 1970, lorsque Voyager 1 a commencé à envoyer images de près de Jupiter sur Terre.

À l’époque, Marcus était à Cornell et, quand il avait besoin de «se détendre, se détendre, peu importe», il se dirigeait vers une bibliothèque spéciale, à côté du bâtiment de l’astrophysique, et s’émerveillait devant les images de Voyager. La tempête avait fait des centaines de millions de kilomètres de distance depuis au moins 1665, année de son observation par Robert Hooke. «J’ai réalisé que presque personne en astronomie n’était formé à la dynamique des fluides, et je l’étais», m’a-t-il dit. "Et j’ai dit, eh bien, je suis aussi bien placé que quiconque pour commencer à étudier cela."

À la fin du mois, à Seattle, lors de la conférence annuelle de la Division of Fluid Dynamics de la American Physical Society, Marcus traitera à plusieurs reprises des informations selon lesquelles la grande tache rouge est en train de mourir. Les observations, depuis le printemps dernier, de la tempête produisant des nuages ​​rouges semblent indiquer sa disparition. Marcus n’est pas convaincu. Comme il l’a dit Nautile récemment, «The Spot est ne pas mourant."

Qu’est-ce qui vous fascine dans la grande tache rouge de Jupiter?

Plusieurs choses. Les gens se demandent depuis longtemps pourquoi la Grande Tache Rouge existe depuis si longtemps. La grande tache rouge est une tempête et nous sommes habitués aux tempêtes sur Terre. L’ouragan moyen dure au plus deux semaines et comporte un mécanisme de destruction bien défini: il se dirige soit vers de l’eau froide, ce qui coupe son alimentation en carburant, soit sur un terrain, ce qui réduit réellement son approvisionnement en carburant. Les tornades sont assez impressionnantes, mais elles sont très éphémères – elles ne durent que quelques heures. Alors pourquoi avons-nous une grande tache rouge qui dure depuis si longtemps? Les gens disaient: «Oh, ce sont des nuages ​​qui pendent au sommet d’une montagne.» Ou «C’est un iceberg dans une mer d’hydrogène». Ces théories se sont quasiment arrêtées vers 1979, lorsque les Voyageurs 1 et 2 ont survolé la planète. Personne ne savait vraiment que c’était un tourbillon, un énorme ouragan qui prend environ six jours pour une seule rotation. Les États-Unis s’inséreraient dans la tache rouge quelques centaines de fois. Je veux dire, c’est vraiment énorme. L’un des grands avantages des missions Voyager est qu’elles ont pris des centaines de photos des nuages ​​qui composent la tache rouge, de sorte que nous puissions enfin voir le tout s’enrouler, et c’est ainsi que nous savions que c’était un vortex. Personne ne savait que ça tournait vraiment.

Qu’est-ce qui l’a maintenu?

Les vitesses moyennes qui circulent autour de l’emplacement sont d’environ 200 kilomètres à l’heure. Et les courants de jets sont également de l’ordre de quelques centaines de kilomètres à l’heure. Mais les estimations des vitesses verticales sont vraiment très petites. Ils sont dans l’ordre de quelques centimètres à l’heure, pas des centaines de kilomètres à l’heure, et à cause de cela, ils ont été en grande partie considérés comme sans importance. Mais les vents verticaux soufflent sur une vaste zone et se produisent continuellement. Nous pensons donc qu’ils peuvent être très importants. Nous pensons que ce qui essaie de détruire la grande tache rouge, c’est la chaleur qui est transférée dans la partie supérieure froide et sortant de la partie inférieure chaude, qui tente de rétablir l’équilibre radiatif. Mais nous pensons que ce qui fait que la Grande Tache Rouge reste en vie malgré ce transfert de chaleur radiatif est sa faible vitesse verticale.

En règle générale, à mesure que les vents descendent, ils deviennent chauds, mais à mesure qu’ils se lèvent, ils deviennent froids. Le rayonnement thermique avec des photons à l’intérieur de la grande tache rouge tente d’équilibrer la température de son couvercle et de son sol avec l’atmosphère environnante. Cela aurait tendance à rendre le couvercle froid et dense plus chaud et il finirait par disparaître, détruisant la grande tache rouge.

Si nous ne comprenons pas comment Jupiter fonctionne dans notre propre système solaire, comment pouvons-nous comprendre comment Jupiters fonctionne autour d’autres soleils?

Mais lorsque le lourd couvercle commence à se dissiper, l’équilibre des pressions est perdu. La perte d’équilibre permet alors à la haute pression au centre de la grande tache rouge de pousser les gaz verticalement vers l’extérieur à travers le couvercle affaibli. Lorsque le vent se lève, il se refroidit, conformément à notre règle générale, et réapprovisionne en air froid le couvercle, le rétablissant ainsi comme un couvercle froid et lourd. Un processus similaire se produit sur le sol de la grande tache rouge et rétablit à son tour le sol chaud au fond que le rayonnement thermique tente de détruire.

De plus, le gaz ascendant qui passe à travers le couvercle dissipateur sort de la grande tache rouge, finit par cesser de monter et est poussé vers l’extérieur horizontalement sur une zone très grande comparée à celle de la grande tache rouge. Il cesse alors de se déplacer vers l’extérieur et descend. Ce gaz descendant pousse les atomes et les molécules de l’atmosphère qui entoure la grande tache rouge vers le bas, réduisant considérablement leur énergie potentielle. Enfin, le gaz termine son voyage en rentrant chez lui au centre de la grande tache rouge. Lors de son dernier voyage de retour, ce gaz récupère l’énergie potentielle libérée de l’atmosphère qui entoure la tache rouge.

La récolte de cette énergie est ce qui équilibre la perte d’énergie de la Great Red Spot due au rayonnement thermique. Dans une simulation sur ordinateur, vous pouvez réellement mesurer la direction et la magnitude de toutes les énergies entrant et sortant de la Grande Tache Rouge, et l’ensemble du bilan énergétique s’équilibre très bien. Cette énorme fuite d’énergie potentielle dans l’atmosphère autour de la Grande Tache Rouge est due à cette circulation de gaz, mais c’est acceptable parce que le soleil rétablit l’équilibre radiatif dans cette zone et lui fournit de l’énergie. Donc, finalement, la source d’énergie qui empêche la destruction de la grande tache rouge est le soleil.


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Comment le Great Spot a-t-il commencé?

La grande tache rouge a probablement commencé de deux manières: c’était un grand panache ascendant qui a frappé la stratosphère et s’est enroulé pour produire un vortex. Si un panache ascendant peut atteindre une partie de l’atmosphère vraiment stable, il se répandra vers l’extérieur et, s’il commence à s’étendre, dans un système à rotation très rapide comme Jupiter, l’étalement produit un vortex. L’autre possibilité est qu’un flux de jet devienne instable et entame une oscillation ondulée. Lorsque l’amplitude de la vague devient suffisamment grande, elle se brise et crée des tourbillons qui se rejoignent.

Pourquoi cela a-t-il commencé sur Jupiter et pas ailleurs?

Ici sur Terre, si vous survolez l’océan, vous pouvez presque certainement dire qu’il ya une île en dessous de vous, car un nuage est suspendu au-dessus de celle-ci. Les entités topographiques les attirent souvent. Mais il n’ya pas de surface solide sur Jupiter jusqu’à ce que vous obteniez un très petit noyau. C’est fondamentalement une boule de liquide. Il n’ya pas de chauffage différentiel entre les continents et les océans. Les vents ne sont pas interrompus par des chaînes de montagnes. Vous n’avez pas ce genre de choses en désordre, vous avez donc un ensemble de jets en flux très bien organisé. Une fois que vous avez des jets, les vortex se forment naturellement. Des vents tournent dans des directions opposées, se cisaillant les uns contre les autres. Pensez à un roulement à billes entre deux murs en mouvement opposé. Les murs font tourner le roulement à billes, et les jets de Jupiter qui se déplacent de manière opposée font tourner l’air entre eux. Les tourbillons entre les jets sont résistants à tout ce qui les écrase. Si je crée un vortex dans une baignoire et que je le brise, le vortex est généralement parti. Si je fais une simulation d’un gros point rouge sur Jupiter assis entre des vents de zone et que je le frappe, essayez de le casser en deux, cela reviendra ensemble. Je pense donc que les courants à jets sont des jardins dans lesquels vous voulez faire pousser des tourbillons.

Si vous voulez passer des nuits blanches à vous inquiéter de ce qui pourrait attaquer la Grande Tache Rouge, pensez à ce qui pourrait attaquer son énergie potentielle.

Qu’est-ce qui maintient le spot ensemble physiquement?

Je suppose que la Tache Rouge mesure, de haut en bas, quelque part entre 50 et 70 kilomètres. D’un côté à l’autre, c’est environ 26 000 kilomètres. Donc c’est une crêpe. Comme avec un tube de dentifrice, si j’écrase le crêpe avec une pression élevée en son centre, quelque chose va éclabousser les côtés, le haut et le bas. On sait que la grande tache rouge a une pression élevée en son centre, mais ses gaz ne coulent pas horizontalement de part et d’autre en raison de la force de Coriolis dans ces directions; au lieu de cela, ils jaillissent verticalement du haut et du bas. Alors, qu’est-ce qui peut empêcher les gaz de s’échapper verticalement? Le seul moyen que je connaisse pour éviter cela est si le sommet de la grande tache rouge est recouvert d’une épaisse couche d’atmosphère froide. C’est cette densité supplémentaire qui repousse les gaz de la grande tache rouge. Et, au-dessous de la grande tache rouge, il doit y avoir un plancher d’atmosphère chaud et flottant, qui empêche le centre de haute pression de pousser les gaz de la grande tache rouge vers le bas et vers le bas. C’est la balance.

Vous pouvez donc faire des calculs numériques et analytiques et dire «Eh bien, quelle densité ai-je besoin d’un couvercle? Le plancher doit-il être flottant pour atteindre cet équilibre? »L’énergie cinétique associée aux vents du vortex, mais aussi l’énergie potentielle supplémentaire associée au couvercle dense et froid au-dessus de celui-ci et au plancher chaud et flottant en dessous. Alors que la plupart de mes collègues qui étudient la Grande Tache Rouge s’inquiètent de l’énergie cinétique, je me dis "Non, non, non, les gars: cela ne représente qu’environ 16% de celui-ci". La plupart de l’énergie de la Grande Tache Rouge se trouve dans l’énergie potentielle d’un couvercle froid haute densité et d’un plancher chaud et flottant. Si vous voulez passer des nuits blanches à vous inquiéter de ce qui pourrait attaquer la Grande Tache Rouge, pensez à ce qui pourrait attaquer son énergie potentielle.

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tempête du siècle: La grande tache rouge de Jupiter, située près du centre-droit, est une tempête spectaculairement résistante, alimentée par les courants de jets situés au-dessus et au-dessous de celui-ci dans des directions opposées.NASA

Pourquoi le frottement n’a-t-il pas dissipé le Spot?

Notre intuition nous dit que les tourbillons ne durent pas éternellement, qu’il ya toujours une sorte de frottement qui le dissipe. La friction peut prendre de nombreuses formes, alors l’une des choses que les gens pensaient être une manière très active de détruire la Tache Rouge était la friction des vagues de Rossby. Les ondes de Rossby sont un type d’onde existant dans l’atmosphère du fait que l’atmosphère est une coquille sphérique en rotation, par opposition à un plan plat en rotation, et qu’elles sont communes dans l’atmosphère et qu’elles se déplacent lentement. Les gens pensaient que la tache rouge allait émettre des ondes de Rossby et que ces ondes de Rossby porteraient de l’énergie. Lorsque des choses terribles se produisent soudainement dans l’atmosphère, comme lorsque deux tourbillons se heurtent ou quelque chose du genre, vous voyez les vagues de Rossby sortir. Mais généralement, une fois qu’un vortex est établi, il arrête la diffusion des ondes de Rossby. Il n’est donc pas prouvé que le rayonnement des ondes de Rossby tente de détruire le point rouge, qui se trouve dans une situation de quasi-équilibre.

Quoi d’autre pourrait l’arrêter?

Si vous souhaitez rechercher ce qui pourrait attaquer le point rouge et le faire disparaître, vous devez non seulement vous soucier de ce qui attaque l’énergie cinétique, comme le frottement; vous devez également vous soucier de quelque chose qui s’avère plus important: ce qui attaque l’énergie potentielle. Il existe une raison bien connue pour laquelle l’énergie potentielle est attaquée: cela s’appelle «l’équilibre radiatif». Si je refroidissais une région de l’atmosphère terrestre, je pourrais sortir mon chronomètre et dire: «Bon, combien de temps cela prend-il? une région fraîche pour se réchauffer et entrer en équilibre radiatif avec l’atmosphère environnante? »Ou, si je faisais un petit point chaud quelque part, je pourrais sortir mon chronomètre et dire:« OK, combien de temps cela prend-il, en transférant des photons et d’autres Pour rétablir l’équilibre afin qu’il n’y ait plus de signature thermique de mon point chaud? »D’après des calculs effectués par d’autres scientifiques, nous savons que lorsqu’il est situé dans l’atmosphère où se trouve le Great Red Spot, il est temps de supprimer les points chauds ou froids. est d’environ 4 ans et demi, de sorte que cette chaleur supplémentaire ou cette fraîcheur supplémentaire seraient désormais indiscernables – disparues complètement. Nous avons donc fait beaucoup de simulations numériques et bien sûr, si vous intégrez cet effet de réchauffement et de refroidissement dans notre modèle informatique de la tache rouge, la grande tache rouge disparaît au bout de quatre ans et demi.

Quelle est la valeur d’étudier l’atmosphère d’une planète lointaine?

Si nous ne comprenons pas comment Jupiter fonctionne dans notre propre système solaire, comment pouvons-nous comprendre comment Jupiters fonctionne autour d’autres soleils? Trouver des Jupiters dans d’autres systèmes solaires est un sujet d’actualité, car nous voulons savoir s’il existe d’autres planètes et si ces autres planètes pourraient abriter la vie. Vous devez commencer quelque part à étudier les planètes entourant des étoiles autres que notre soleil et vous devez faire des erreurs stupides. C’est comme ça que les champs commencent.

Je vais maintenant déposer une plainte: la NASA est une organisation formidable et je lui suis reconnaissant du financement qu’elles nous ont accordé, ainsi qu’à mes collègues théoriciens. Mais le montant d’argent qu’ils dépensent en matériel, pour la création d’espace, comparé au montant dépensé pour analyser les données obtenues, est très déséquilibré. Il y a des tonnes de données sur les voyages Voyager recueillies il y a 31 ans qui n’ont pas encore été analysées, et il est très difficile d’obtenir des fonds pour les examiner. Les gens disent: «Oh non, vous devez faire quelque chose de nouveau et d’excitant avec de nouvelles données! Vous ne voulez pas revenir en arrière et regarder des données si anciennes. »Mais il ya là des choses qui ont vraiment de la valeur! Ce qui se vend au Congrès, c’est du matériel. Tout le monde aime le matériel. Ce que la NASA a vraiment besoin – je déteste dire cela – c’est un autre Carl Sagan. Carl avait le don de faire comprendre aux gens ce que nous avions découvert ainsi que les machines qui ont rendu ces découvertes possibles.

Brian Gallagher est l’éditeur de Facts So Romantic, le Nautile Blog. Suivez le sur Twitter @ brianga11agher.

Photographie principale par NASA / JPL. Cette image de Jupiter a été capturée par Voyager 1. Elle est composée de trois négatifs en noir et blanc.

Cet article a été publié à l’origine dans notre publication «Slow numéro en mars 2015.

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