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木星的大红斑是如何形成的?

2024-07-14科学

木星上的大红斑一直是太阳系中的一个显著特征,它那鲜艳的红色椭圆形状即使在小型望远镜下也清晰可见,仿佛是这颗气态巨行星上的一只怒视的眼睛。大红斑之巨大,地球如果置于其中,会完全被吞噬而不会触及边缘。

大红斑是木星最具标志性的特征,尽管说它是「表面」特征并不准确,因为木星实际上并没有固体表面;我们所看到的是位于数千公里深大气层上方的云层。大红斑实际上是云层中一个异常广阔和持久的风暴 漩涡 ,从技术上讲,它是一个反气旋 漩涡 ——一个逆时针旋转的高压系统,其内部气体以每小时约450公里的速度旋转,这速度接近地球上记录到的最高龙卷风风速!

这个巨大的风暴是太阳系中已知最大的风暴,由两个区域组成:一个是红色气体构成的椭圆形,另一个是环绕其外侧的较薄白色气体带(称为Hollow)。大红斑位于木星的南赤道带,这是围绕行星表面的多个带状结构之一,赋予了木星条纹般的外观。这些带状结构类似于地球上的喷射流,但更为复杂,因为木星缺乏表面,大气中巨大的气体对流以及由其快速自转(周期为9小时55分钟)产生的巨大空气弯曲力。

与地球上可以横跨大片区域移动的飓风不同,木星上的风暴倾向于停留在它们所在的纬度带内,受到强大的喷射流的限制。这种限制也使得大红斑极其长寿,但它的实际年龄一直是个谜。

1665年,意大利天文学家乔瓦尼·卡西尼首次观测到了木星表面的一个暗色椭圆。直到1713年,这个「永久斑点」时隐时现,其位置记录与今天的大红斑相同。卡西尼被认为是第一个发现它的人,尽管有记录显示另一位天文学家可能早在1632年就观察到了它,如果属实,那么它至少持续了80年。

然而,尽管天文学家持续监测木星,但在1713年之后,这个斑点似乎消失了。下一次在同一纬度观测到风暴的时间是在一个多世纪后的1831年,当时天文学家报告在那里有一个暗斑。(直到1870年代,它才被描述为红色!)这个斑点——我们熟悉且热爱的大红斑——自此之后就被持续观测,这意味着它已有近200年的历史。

有趣的是,旧的素描画和早期的照片显示,大红斑比今天要宽得多;1879年,爱尔兰天文学家阿格尼斯·玛丽·克勒克拍摄的第一张大红斑照片显示,它是一个扁平的椭圆形,东西向宽度约为4万公里——几乎是今天这个更接近圆形风暴宽度的两倍。不知何故,大红斑在过去一个半世纪里显著改变了形状并缩小了。

这就产生了谜团。17世纪卡西尼和其他人看到的斑点是否与今天的大红斑是同一特征?如果它们不是,看起来很可能如此,那么最初的斑点是否消散,然后在相同的纬度位置形成了一个新的斑点?如果是这样,这怎么可能发生,这些斑点为何会改变大小和形状?记住,我们谈论的是一个与一些行星一样大的天气系统。

新发表的研究聚焦于此。对木星的详细观测显示,这颗巨型行星的大气极其复杂和动态。较小的风暴形成和消散,而其他风暴则合并并成长。许多风暴持续数年,有时它们会产生更大得多的特征。

该研究的作者使用了木星大气气体流动的数值模型,通过求解复杂的流体力学方程来模拟其运动和行为,然后将结果与几个世纪以来对大红斑的广泛档案测量进行比较。通过观察这些漩涡随时间变化的形态,他们得出结论,卡西尼看到的永久斑点与大红斑不是同一个;斑点宽度的增长率并不匹配。

研究者还模拟了大红斑的不同起源故事,看是否有任何一种与观测相符。虽然风暴合并很常见,但并不十分吻合所见现象。虽然它们可以合并形成一个更大的系统,但即便是四五个风暴结合在一起也无法创造出像大红斑那样广阔的系统。此外,在1713年至1831年的空白年份中并未观测到这样的漩涡,而它们本应是可以被看到的。

另一种可能的形成机制是超级风暴,即来自木星深处的温暖物质上涌至云顶。2010年,土星上爆发了一场巨大的风暴,形成了一个壮观的天气系统,一两年后逐渐减弱。科学家们在木星上模拟了此类事件,发现这可以形成一个单一的反气旋系统,但与合并的漩涡一样,单一的物质上涌无法扩大到与观测到的大红斑的大小和形状相匹配。此外,从未在该纬度观测到木星上有此类超级风暴形成,这进一步证实了某种其他因素应该是大红斑的成因。

他们所说的「某种其他因素」可能是所谓的南热带扰动。当木星带状结构中的气体流动在北向或南向延伸,侵入相邻的带状结构时,就会发生这种类型的扰动。这可能会阻碍相邻带状结构的流动,形成一个巨大的漩涡,可以变得非常庞大。科学家们模拟了这一过程,发现在相互作用的风速足够的情况下,它可以形成一个与大红斑相匹配的巨大斑点。重要的是,他们还发现这种机制也可以解释大红斑历史上和持续变化的大小和形状。

因此,他们得出结论,今天我们看到的大红斑是在1831年以这种方式形成的,与之前的斑点是不同的实体。这将使大红斑的年龄为193岁。

但它能活多久呢?自2010年以来,大红斑明显加速缩小。不清楚木星的愤怒之眼何时会消失,或者是否会消失——它已经存在了很长时间——但卡西尼的「永久」斑点如此短暂的事实暗示着,即使大红斑也可能在长远的将来消失。未来的天文学家可能看到一个没有斑点的木星。

但我们知道的一件事是,这颗行星之王并不会静止不动。即使大红斑消退并最终消失,另一个接班的斑点很可能将崛起以取代它的位置。