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早該消失的大紅斑為何還在?

2019-12-31 09:14:58  來源:科技日報

無論從體積還是質量上看,木星都可謂太陽系行星中的“巨無霸”。盡管不少探測器早已飛掠木星,這顆外表如同油畫般的氣體星球依然蒙著一層層神秘的面紗。

除了令人驚嘆的紅色和白色條帶之外,木星上格外撩撥人心的就是大紅斑。據朱諾號木星探測器傳回的照片,大紅斑呈橢圓形,宛如一顆巨大的寶石鑲嵌在木星的大氣云帶之間。

大紅斑仿若木星的一個胎記。自1665年被天文學家卡西尼(Cassini)發現以來,大紅斑被人類知曉已長達300多年,人類對大紅斑的連續觀測也有100多年歷史。根據歷史觀測數據,大紅斑正在不斷縮小,形狀變得越來越圓,顏色也隨著時間發生變化。

面對大紅斑的改變,有學者提出,大紅斑終將會消失。這是真的嗎?

多彩的反氣旋風暴

在此之前,先要搞清楚大紅斑究竟是什么。

木星就像一顆被彩虹條帶包裹的星球,這些條帶是因木星上氨冰云的厚度和高度差異造成的,也與大氣壓的不同有關。如果把木星看作調色板,它身上的“顏料”會隨著木星自轉而流動,每時每刻產生變化,從而繪制出一幅獨一無二的油畫。

在這幅油畫中,大紅斑獨特而耀眼。它呈卵形,東西長約2.6×104千米,南北寬約1.2×104千米,大概位于木星赤道以南、南緯22°的位置。資料顯示,大紅斑最初的覆蓋范圍大到足以吞進2—3個地球。

由于表面存在巨大風暴和洶涌的氣流,木星也被稱為風暴的花園。而大紅斑正是一股猛烈的反氣旋(高壓)風暴。這股風暴按照逆時針方向高速旋轉,大約六個地球日轉完一圈。它的顏色有時鮮艷、明亮,呈鮮紅色;有時變淺變淡,呈粉紅色,甚至完全褪色。

這股獨特的風暴是如何形成的呢?

“大紅斑和木星表面的其他渦旋一樣,都是由木星內部向外散發的熱流驅動,并且在強大的地轉偏向力(科里奧利力)作用下形成的。但是它們的渦旋強度和進入木星內部的深度各有不同。”中科院上海天文臺研究員孔大力告訴科技日報記者,大紅斑與木星的內部熱流有關。

木星上有大紅斑也有白斑,這二者有何區別?孔大力解釋道,大紅斑內風速高,整個渦旋可能向下“扎根”數百公里,因此它的存在較為穩定。而木星上其他很多白斑風速比較低,存在于大氣上層,還未能向下延伸很多。

“木星上紅色和白色區域反映了溫度的不同。”孔大力表示,“白色區域溫度較低,氨等成分會以冰晶形式存在,因此反照率較強,顯示為白色;而紅色區域溫度較高,存在形式為氣體,因此反照率降低,顏色黯淡發紅。”

有人調侃,試圖了解木星內部熱流會產生白斑還是紅斑,就像試圖預測把奶油倒入一杯熱咖啡時會產生何種圖案一樣困難。

紅云剝落可能是自然狀態

光陰易逝,容顏易老,大紅斑也在歲月流轉中悄然改變。

100年前,大紅斑的直徑約為4萬公里,現在只有當時的一半左右。天文學家稱,大紅斑在過去10年左右大約損失了其總大小的15%。照這樣下去,到2040年時,橢圓形的大紅斑或許會變成圓形。

面對大紅斑不斷“瘦身”且變圓的趨勢,有研究者提出疑問:大紅斑是否會消失?認為大紅斑會消失的人指出,木星大氣層中一些未知的活動可能正在消耗大紅斑能量,使大紅斑變得越來越小。

依據此前傳回的大紅斑照片,科學家們發現,大紅斑上有紅色物質剝落的現象。2019年春,有觀察者也拍攝到了大紅斑“撕下”紅色“薄片”的景象。有人推測,這是大紅斑消失的征兆。

不過,在美國加州大學伯克利分校的菲利普·馬庫斯(PhilipMarcus)看來,大紅斑本身有云層覆蓋,這種剝落現象是渦旋的一種自然狀態,并非大紅斑死亡的跡象。

“紅云剝落可以理解為溫度較高的一團氣體離開大紅斑。近期觀察到的紅云剝落應該是正常的渦旋相互作用的結果。”孔大力也表示,大紅斑是一個反氣旋,當一個小的氣旋靠近它時,就會造成大紅斑一些外圍部分離開大紅斑,“而且,這種相遇和影響可能經常發生”。

來自美國哈佛大學地球和行星科學系的博士后哈桑扎德(Hassanzadeh)曾表示,許多因素可能會削弱大紅斑。比如大紅斑本身往外輻射熱量,其周圍的小渦旋也會影響大紅斑。

還有些研究者指出,大紅斑通過吞并周圍的渦旋獲得能量并延長壽命。美國國家航空航天局(NASA)戈達德太空飛行中心的艾米·西蒙(AmySimon)就曾表示,一些很小的渦旋在不斷匯入大紅斑中。西蒙認為,這些小渦旋可能是導致大紅斑內部動力和能量變化的因素。

孔大力則坦言,大紅斑本身規模遠大于其他渦旋,普通的渦旋對大紅斑的影響很難從根本上改變大紅斑的動力學性質和形態。哈桑扎德也認為,大紅斑吞并小渦旋的現象不足以解釋為何大紅斑能夠如此長壽。

垂直渦旋或是關鍵因素

實際上,天文學家并不確定大紅斑的存在是暫時還是永久的。

“根據目前的理論,大紅斑或許早已消失。然而,它已經存在了數百年。”哈桑扎德說。

為了探究大紅斑長壽奧秘,哈桑扎德和馬庫斯建立了自己的模型。與其他模型不同,他們的模型完全是三維的,具有很高的分辨率。最重要的是,與大多數模型僅關注水平流動旋渦不同,馬庫斯團隊的模型將垂直流動的渦旋也納入了模型構建中。

哈桑扎德說:“過去,有研究人員認為垂直渦旋不重要而將其忽略,或因為這樣建模太困難而使用了更簡單的方程式。”

隨后,他們發現,垂直運動的渦旋或許是揭開大紅斑長壽之謎的關鍵。當大紅斑損失能量時,垂直渦旋上方的熱氣體和下方的冷氣體就會流向中心,以恢復其部分損失的能量。

根據哈桑扎德的說法,類似的垂直渦旋可以用于解釋為何直布羅陀海峽附近的洋流渦旋能持續數年,即垂直流將營養物質送到海洋表面,而后在海洋生態系統中發揮作用。

盡管有大量圖像證據證明大紅斑逐漸縮小。但研究人員說,還沒有直接證據表明大紅斑渦旋本身大小或強度已經改變。

“大紅斑是否會消失這個問題很難回答。”孔大力強調,“因為大紅斑是由內部熱流驅動的,所以最終導致它消失的根本原因還是全球內部向外散發熱流發生改變。而這種變化是由木星更深部流體運動狀態改變造成的,這種改變需要的時間可能很久。”

“另一種影響大紅斑的情況就是渦旋之間的相互作用。所謂的大紅斑紅色物質脫落,就是源于其附近渦旋的影響。但從現有理論分析和數值模擬來看,大紅斑在和其他渦旋發生作用時還是比較穩定的。”孔大力強調,大紅斑最終會不會消失,可能還是要由驅動大紅斑的根本因素,也就是內部熱流來決定。

值得一提的是,此前對大紅斑的地面觀測只限于顏色、形狀及位置變化。自先驅者10號和11號,以及旅行者1號和2號飛掠木星并取得近距離觀測資料后,對大紅斑細微結構的分析成為可能。研究人員也希望,哈勃太空望遠鏡能助力揭開更多木星之謎。

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