木星上的大紅斑一直是太陽系中的一個顯著特征,它那鮮艷的紅色橢圓形狀即使在小型望遠鏡下也清晰可見,仿佛是這顆氣態巨行星上的一只怒視的眼睛。大紅斑之巨大,地球如果置於其中,會完全被吞噬而不會觸及邊緣。
大紅斑是木星最具標誌性的特征,盡管說它是「表面」特征並不準確,因為木星實際上並沒有固體表面;我們所看到的是位於數千公裏深大氣層上方的雲層。大紅斑實際上是雲層中一個異常廣闊和持久的風暴 漩渦 ,從技術上講,它是一個反氣旋 漩渦 ——一個逆時針旋轉的高壓系統,其內部氣體以每小時約450公裏的速度旋轉,這速度接近地球上記錄到的最高龍卷風風速!
這個巨大的風暴是太陽系中已知最大的風暴,由兩個區域組成:一個是紅色氣體構成的橢圓形,另一個是環繞其外側的較薄白色氣體帶(稱為Hollow)。大紅斑位於木星的南赤道帶,這是圍繞行星表面的多個帶狀結構之一,賦予了木星條紋般的外觀。這些帶狀結構類似於地球上的噴射流,但更為復雜,因為木星缺乏表面,大氣中巨大的氣體對流以及由其快速自轉(周期為9小時55分鐘)產生的巨大空氣彎曲力。
與地球上可以橫跨大片區域移動的颶風不同,木星上的風暴傾向於停留在它們所在的緯度帶內,受到強大的噴射流的限制。這種限制也使得大紅斑極其長壽,但它的實際年齡一直是個謎。
1665年,意大利天文學家喬瓦尼·卡西尼首次觀測到了木星表面的一個暗色橢圓。直到1713年,這個「永久斑點」時隱時現,其位置記錄與今天的大紅斑相同。卡西尼被認為是第一個發現它的人,盡管有記錄顯示另一位天文學家可能早在1632年就觀察到了它,如果屬實,那麽它至少持續了80年。
然而,盡管天文學家持續監測木星,但在1713年之後,這個斑點似乎消失了。下一次在同一緯度觀測到風暴的時間是在一個多世紀後的1831年,當時天文學家報告在那裏有一個暗斑。(直到1870年代,它才被描述為紅色!)這個斑點——我們熟悉且熱愛的大紅斑——自此之後就被持續觀測,這意味著它已有近200年的歷史。
有趣的是,舊的素描畫和早期的照片顯示,大紅斑比今天要寬得多;1879年,愛爾蘭天文學家阿格尼斯·瑪麗·克勒克拍攝的第一張大紅斑照片顯示,它是一個扁平的橢圓形,東西向寬度約為4萬公裏——幾乎是今天這個更接近圓形風暴寬度的兩倍。不知何故,大紅斑在過去一個半世紀裏顯著改變了形狀並縮小了。
這就產生了謎團。17世紀卡西尼和其他人看到的斑點是否與今天的大紅斑是同一特征?如果它們不是,看起來很可能如此,那麽最初的斑點是否消散,然後在相同的緯度位置形成了一個新的斑點?如果是這樣,這怎麽可能發生,這些斑點為何會改變大小和形狀?記住,我們談論的是一個與一些行星一樣大的天氣系統。
新發表的研究聚焦於此。對木星的詳細觀測顯示,這顆巨型行星的大氣極其復雜和動態。較小的風暴形成和消散,而其他風暴則合並並成長。許多風暴持續數年,有時它們會產生更大得多的特征。
該研究的作者使用了木星大氣氣體流動的數值模型,透過求解復雜的流體力學方程式來模擬其運動和行為,然後將結果與幾個世紀以來對大紅斑的廣泛檔案測量進行比較。透過觀察這些漩渦隨時間變化的形態,他們得出結論,卡西尼看到的永久斑點與大紅斑不是同一個;斑點寬度的增長率並不匹配。
研究者還模擬了大紅斑的不同起源故事,看是否有任何一種與觀測相符。雖然風暴合並很常見,但並不十分吻合所見現象。雖然它們可以合並形成一個更大的系統,但即便是四五個風暴結合在一起也無法創造出像大紅斑那樣廣闊的系統。此外,在1713年至1831年的空白年份中並未觀測到這樣的漩渦,而它們本應是可以被看到的。
另一種可能的形成機制是超級風暴,即來自木星深處的溫暖物質上湧至雲頂。2010年,土星上爆發了一場巨大的風暴,形成了一個壯觀的天氣系統,一兩年後逐漸減弱。科學家們在木星上模擬了此類事件,發現這可以形成一個單一的反氣旋系統,但與合並的漩渦一樣,單一的物質上湧無法擴大到與觀測到的大紅斑的大小和形狀相匹配。此外,從未在該緯度觀測到木星上有此類超級風暴形成,這進一步證實了某種其他因素應該是大紅斑的成因。
因此,他們得出結論,今天我們看到的大紅斑是在1831年以這種方式形成的,與之前的斑點是不同的實體。這將使大紅斑的年齡為193歲。
但它能活多久呢?自2010年以來,大紅斑明顯加速縮小。不清楚木星的憤怒之眼何時會消失,或者是否會消失——它已經存在了很長時間——但卡西尼的「永久」斑點如此短暫的事實暗示著,即使大紅斑也可能在長遠的將來消失。未來的天文學家可能看到一個沒有斑點的木星。
但我們知道的一件事是,這顆行星之王並不會靜止不動。即使大紅斑消退並最終消失,另一個接班的斑點很可能將崛起以取代它的位置。