Güneş Sistemi’ndeki en büyük fırtına 1664’ten beri gözlemlenen, modern astronomiyle yaşıt olan ve 1800’lerden beri düzenli olarak izlenen Büyük Kırmızı Leke’dir. Eskiden 3 Dünya’dan büyük olan kırmızı leke gittikçe küçülüyor. Artık kahverengi oldu ki içine 1 Dünya ancak sığıyor ama bugün Jüpiter’in kutup fırtınalarından söz edeceğiz; çünkü 2015’te Jüpiter’e ulaşan Junouzay aracı kuzey ve güney kutuplarında 6 ila 9 adet büyük fırtına gözlemledi. Üstelik bunlar Satürn’ün altıgen şekilli dev kutup fırtınalarında olduğu gibi birleşip tek siklona dönüşmüyor. Jüpiter kutuplarında yer alan toplam 15 fırtına neden kendi başına dönüyor?
Jüpiter kutuplarında fırtına problemi
Rüzgarlara salt gazlar kinetiği ve akışkanlar mekaniği kriterlerini uygularsak Jüpiter kutuplarında dönen fırtınaların birleşmesi gerekirdi. Bu fırtınaları 2016’da keşfettik fakat neden tekil kaldığını ancak 150 yıllık bir yüzen mıknatıs deneyine başvurarak çözebildik. Jüpiter fırtınaları temelde doping yapmış Dünya fırtınalarına benzer. Bunlar daha büyük olup daha hızlı dönen ve daha uzun süren fırtınalardır. Örneğin kırmızı leke vorteksini 1664’ten beri biliyoruz ve o zamandan beri dönüyor.
Fırtınalar gezegenlerin ekvatorunda doğar ve kutuplara yol alır. Gerçi Dünya fırtınaları kutuplara ulaşmaz. Okyanuslar ve özellikle karalar, sıradağlar vb. sürtünme yoluyla fırtınaların enerjisini emer ve genellikle kutup dairesinde dağıtır (yaklaşık 66 derece enlemde). Bunun bir sebebi de soğuk okyanus sularının atmosfere çekirdeği çok sıcak olan Jüpiter’in iç kesimlerinden daha az enerji sağlamasıdır.
Oysa Jüpiter bir gaz devi ve katı yüzeyi yok. Bu yüzden hem rüzgarlar hem de ısı gezegenin enlemlerine neredeyse eşit dağılıyor. Jüpiter kutupları Dünya’dan sıcak oluyor ve fırtınalar kolaylıkla kutuplara ulaşabiliyor. Peki neden birleşerek tek bir fırtınaya dönüşmüyor? İşte sorun burada:
Jüpiter’in kuzey kutbunda 9 ve güney kutbunda 6 fırtına sistemi bulunuyor ki bunların çapı 4000-7000 km arasında değişiyor. Fırtınalardan biri tam ortada kalıp kutup noktasının üzerinde dönüyor. Diğerleri ise birbirinden eşit uzaklıkta yer alıyor ve en az dört yıldır birleşmeden varlığını koruyor. Bilim insanları bu sorunu çözmek için 1870’lerde yapılan bir fizik deneyine başvurdular.
Amerikalı fizikçi Alfred Mayer 1878’de suda yüzen mıknatıslarla bir deney yaptı ki amacı öğrencilere sıvılarda bulunan moleküllerin nasıl gruplanıp farklı şekiller oluşturduğunu göstermekti. Ebru sanatı gibi suya karışan boyalar veya çorbaya katılan yağın ne tür şekiller oluşturacağını göstermek istiyordu:
Bunun için dikiş iğneleri aldı, bunları mıknatıslandırdıktan sonra şişe mantarlarına sapladı ve bir kapa koyduğu suyun üzerine güney manyetik kutupları aşağıya gelecek şekilde yerleştirdi. Ardından mıknatısların üzerine, havada asılı duran başka bir mıknatıslı iğne sarkıttı. Böylece mıknatıslar yukarıdan sarkan iğnenin manyetik çekimine kapılıp birbirine yaklaşacak ama suya bakan güney kutupları eş yüklü olarak birbirini iteceği için çok da fazla yaklaşamayacaktı.
Bu da sudaki iğnelerin resimdeki gibi beşgen, altıgen ve diğer şekiller oluşturmak üzere düzenlenmesini sağladı. Mayerinki moleküllerin sıvıların içinde nasıl dizildiğini gösteren güzel bir deneydi. Ardından İskoç fizikçi William Thomson (Lort Kelvin), Mayer deneyindeki iğnelerin birbirini itmekle merkeze çekilmek arasında nasıl denge kurduğunu gösteren denklemi formüle etti.
Siz de Jüpiter fırtınalarından birinin tam ortada ve kutup noktasında, diğerlerinin de onun çevresinde yer aldığını hatırlarsanız bu deneyle Jüpiter fırtınaları arasında nasıl bir bağ olduğunu görebilirsiniz. Oysa durun! Daha işimiz bitmedi: Mayer’in deneyi büyük kütleli bir cismin merkezde yer aldığı bir yerçekimi kuyusuna kapılan gazları oluşturan moleküllerin, yerçekimi merkezi çevresinde ne tür vorteksler çizdiğini gösteren iyi bir örnekti fakat uzay boşluğuyla atmosfer arasında bir fark vardır:
Uzayda hava yoktur ve bu yüzden gazlar girdaplar çizerek dönmez. Bunun yerine vorteks denilen burgaçlar çizer. Mayer deneyini Jüpiter kutuplarında dönen fırtınalara bağlayan şey budur. Vorteksve girdap birbirine benzer. Biz de Mayer’in manyetizma deneyini alıp gazlar kinetiği ve akışkanlar mekaniğiyle birleştirerek Jüpiter fırtınalarının çalkantılar oluşturup (türbülans) birbiri çevresinde nasıl döndüğünü gösterebiliriz.
Gerçi Thompson atomları parçacık olarak düşünmediğinden bunu tümüyle akışkanlar mekaniğiyle göstermişti ama artık atomların parçacık olduğunu biliyoruz. Bu durumda Jüpiter fırtınalarını noktasal (boyutsuz) parçacıklar, yani matematiksel noktalar olarak modelleyebiliriz. Öyle ki merkezde yer alan fırtına çevresinde altı adede kadar fırtına birleşmeden ama gruplar halinde dönebilir.
Yedinci fırtınayı eklediğiniz zaman sistemin dengesi bozulur ve fırtınalar kutupta birleşmeye başlar. Bu da merkezi fırtınanın büyümesi demektir ama fırtınanın artan kütlesi 7, hatta 9 fırtınanın birleşmeden merkez çevresinde dönmesini sağlayacak kadar büyük olacaktır. Bu bize Jüpiter fırtınalarının neden kutuplarda birleşmediğini matematiksel olarak gösteriyor ama bir de işin fiziksel açıklaması var:
Jüpiter fırtınalarının mıknatıs olmadığını ama hava akımları yüzünden kutup noktasına savrulacaklarını biliyoruz. Peki 5-8 fırtına merkezdeki fırtınayla birleşmeden nasıl dönüyor? Bunları iten ve birbirinden uzaklaştıran şey nedir? Bunun sebebi fırtına siklonlarının içinde oluşup dışa doğru sarmallar çizerek esen rüzgarlardır. Öyle ki her fırtına dışarıya hava üfleyen Amerika kıtası genişliğinde dev birer kompresördür. Bu da merkez fırtınanın yarattığı alçak basınç kaynaklı çekimi dengeler ve fırtınaların birleşmeden ama eşit uzaklıkta merkezi fırtına çevresinde dönmesini sağlar.
Böylece Jüpiter’in kuzey kutbundaki 6 ve güney kutbundaki 9 fırtınanın neden Satürn fırtınaları gibi birleşip dev bir altıgen fırtına oluşturmadığını biliyoruz ama cevapsız kalan sorular var: 1) Neden altılı ve dokuzlu fırtına sistemleri kararlı ama beşli fırtına sistemleri birleşme eğiliminde? 2) Jüpiter fırtınalarının birleşmesini önlemek üzere dışa esen rüzgarlar nasıl oluşuyor? 3) Neden Jüpiter fırtınaları birleşmiyor da onun gibi bir gaz devi olan Satürn fırtınaları birleşiyor? Satürn daha soğuk olduğu ve fırtınaları daha yavaş estiği, yani dışa doğru şiddetle hava üflemediği için mi?
Oysa bilim böyle işler. Bir soruyu yanıtlarken bin soru daha ortaya çıkarırsınız. Bitmeyen merak duygusunu tetikleyen heyecan verici oyun değil mi? Üstelik Jüpiter kutup fırtınalarının gizemini bu kez tarih kitaplarına bakarak çözdük ki bilim yapmak için bilim tarihini iyi bilmek gerekir. Bu yüzden interdisipliner olmanızı tavsiye ediyorum. İşinizi bilin ama matematik, fizik, felsefe, sosyoloji, psikoloji, sanat, edebiyat ve yazılım alanlarında da bilgi edinin.