木星这个开满风暴的花园

为何大红斑不死？

Philip Marcus 是伯克利加利福尼亚大学机械工程系教授、计算物理学家，他从 1978 年开始便从流体力学的角度对木星大红斑进行研究，是这方面首屈一指的专家。以下是他最近接受《鹦鹉螺》杂志记者采访的实录。

大红斑为何如此迷人？

这个数亿英里外的风暴早在 1665 年就已经开始肆虐，首次发现它的是 Robert Hooke。长期以来人们都想搞清楚它为什么会存在这么久？我们见惯了地球上的风暴。飓风的持续时间平均只有两三个星期：如果它转移到较冷的水域或登陆，就会逐渐失去能量补充。龙卷风尤其短暂——持续时间还不到一小时。因此人们会奇怪大红斑会什么会存在这么长时间？人们曾经以为它是“围绕在山顶四周的云”或“漂浮在氢海中的冰山”。但是当 1979 年旅行者 1 号和旅行者 2 号探测器飞临木星后，才知道它是一个气旋，一个巨大的风暴。这个风暴自转一圈的时间大约是六天，面积相当于数百个北美洲。

大红斑是怎么产生的？

大红斑的产生方式有两种可能：一种是巨大的上升羽流。在平流层，大气十分平稳，羽流会向沿着水平方向扩散，由于木星自转非常快，羽流便会形成气旋。另一种是急速的气流。不稳定的气流如果波动的幅度足够大便会解体，然后重新组合成气旋。

这些气旋是木星花园气流培育出来的花朵。

为何只有木星才有大红斑？

地球上既有陆地又有海洋。但是木星没有固体表面，只有在木星表面以下很深的地方才能找到极小的木星核。所以它基本上就是一个由流体构成的星球。由于不存在由陆地和海洋造成的热量差异，也没有山脉的阻挡，所以木星上的气流是纯粹的气流。木星气旋是气流自然形成的。在木星上，相对运动的气流会形成剪切效应。就像一个球被夹在两堵相对运动的墙之间，墙的运动会导致球旋转，木星上相对运动的气流也会使夹在它们之间的气体旋转。任何试图扰乱这个气旋的企图都是徒劳的。澡盆中的旋涡只要稍加破坏便会消散，但是夹在木星纬向风间的大红斑即使你把它一分为二，它还是会恢复原样。所以我认为这些气旋是木星花园气流培育出来的花朵。

大红斑为何会一直保持完整？

根据我的测算，大红斑的云顶至底部高度大约在 50 至 70 公里之间。它的宽度大约是 26000 公里。所以它就像一个煎饼。和挤牙膏一样，如果我在这个煎饼的中间施以高压，那煎饼的两侧，及其顶部和底部就会鼓起来。我们已经知道，大红斑中心的气压较高，但是由于这些方向存在着自转偏向力，气体并不会向两侧运动——它们只能朝着云顶和云底运动。所以，又是什么力量在阻止气体沿着垂直方向运动？我所知唯一能够阻止它运动的原因是大红斑的云顶被一层密度很大温度很低的大气覆盖着。这些高密度气体把大红斑内的气体往下压。而在大红斑底部，肯定有一层温度较高能够产生浮力的底层大气，这层大气阻止了大红斑内的气体在高压推动下持续往下运动。

能够保持这种平衡的云盖密度和云底浮力可以通过分析和计算来获得。气旋内的风能够产生动能，云盖和云底会产生势能。我的许多同事对大红斑的动能考虑得太多，所以我经常会说“不，伙计，它只占 16%。”大红斑中的能量多半是由云盖和云底产生的势能。所以假如你殚精竭虑夜不能寐地想要攻击大红斑，不妨多考虑考虑攻击它的势能。

世纪风暴：木星大红斑，位于此图木星的右下方，是个壮观而持久的风暴，它的能量来自其南北两侧相对运动的气流。- NASA

为何大气阻力没能使大红斑消散？

直觉告诉我们气旋不可能永久存在，阻力总会使它消散。阻力可以通过很多形式产生。要摧毁大红斑，人们考虑得最多的一种阻力是“罗斯贝波”。罗斯贝波是大气波的一种类型。它们通常存在于大气层中，而且运动缓慢。人们认为大红斑会辐射出罗斯贝波，而且这些罗斯贝波带有能量。假如大气中两个气旋突然相撞，罗斯贝波就会出现。但是通常只有一个气旋时，是不会产生罗斯贝波的。所以没有迹象表明罗斯贝波正在摧毁大红斑，它实际上处于一种相当稳定的“准平衡”状态。

有什么方法可以“消灭”大红斑？

假如想要消灭大红斑，那你不但要考虑如何破坏它的动能，比如利用阻力；更重要的是得想办法破坏它的势能。破坏势能，也就是恢复所谓的“辐射平衡”。通过与其他科学家合作，我们用大量数字模拟计算出如果在大红斑模型中加入升温或冷却效应，使其完全失去热特征，那么它就会在 4? 年后消失。

大红斑为什么会一直存在？

大红斑外围的平均速度是每小时数百英里。气流的速度也差不多是每小时数百英里。但是垂直速度却非常慢，差不多只有每小时几英寸。它们因此通常被忽略。但是在很大的范围内都存在着垂直方向的风，而且是持续不断的，所以我们认为它们其实非常重要。我们认为，从温暖的云底向冰冷的云顶传递的热量一直在试图恢复辐射平衡从而摧毁大红斑。而使大红斑能够一直保持存在的原因也是因为这种辐射热垂直传递的速度非常慢。

一般来说下沉气流会变暖，而上升气流会变冷。能够产生光热辐射的大红斑内部会试图使它的顶部和底部温度与周边大气保持平衡。这个过程会使冰冷致密的云顶逐渐变热并消失，最终把大红斑摧毁。

要是连我们自己太阳系的木星都不了解，又怎么去了解其他类木系外行星的运行机制呢？

但是假如厚重的云顶开始消散，压力就会失去平衡。失衡会使大红斑中心的高压把气体推向变弱的云顶。气流在上升过程中会逐渐变冷，云顶的空气得到补充后，再次变得寒冷而厚重。在大红斑底部也存在着类似的机制，不同的是热辐射试图摧毁的是较为温暖的云底。

另外，上升气流在穿过消散的云顶到达大红斑外部后最终会停止上升，并会在水平方向上推进，形成一个比大红斑大得多的区域。随后它们会停止扩散并下沉。下沉气流把大红斑周围大气中的原子和分子向下输送，极大地削弱了它们的能量。最后这些气体在大红斑中心结束了它们的旅程。当它们回到这里时，已经获得了大红斑周围大气释放的能量。

这些获得的能量足以平衡大红斑在热辐射中失去的能量。计算机模拟可以测出大红斑获得和失去的所有能量，既包括它们传递的方向，也包括它们的级别，最终整个能量估算能够维持非常好的平衡。你会发现大红斑周围的大气层会因为气体的旋转而丢失大量能量，但是没关系，这些周围地区的辐射平衡会被太阳辐射补充。所以，最终使大红斑保持存在的能量源泉其实是太阳。

研究遥远行星的大气层有什么价值？

要是连我们自己太阳系的木星都不了解，又怎么去了解其他类木系外行星的运行机制呢？寻找其他太阳系的木星是当前的热门话题。我们不仅想了解是不是有其他行星，更想知道是不是有其他适合生命存在的行星。现在我们必须开始研究其他恒星周围的行星，而在这过程中也必然会犯一些让人哑口无言的错误。但这是一个新的领域，这就是它开始的方式。