木星的大红斑是如何形成的？

在充满奇迹的太阳系中，木星的大红斑依然格外引人注目。

即使通过小型望远镜，这个鲜艳的红色椭圆形也清晰可见，看起来就像一只巨大的眼睛从巨大的气体巨行星上凝视着。 大红斑（或 GRS）非常巨大，你可以将整个地球扔进去，而我们的星球会直接穿过，不会碰到边缘。

它已经存在了几个世纪，并且充满了谜团，但我们一直在更多地了解它。 最近发表在《地球物理研究快报》杂志上的研究表明，GRS 并没有曾经认为的那么古老，并暗示虽然它可能还会持续很多年，但它的日子屈指可数了。

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GRS 是 木星最具标志性的特征。 我想说是“表面”特征，但木星实际上并没有表面；我们看到的实际上是数千公里深的大气层顶部的云层。 GRS 实际上是行星云层中异常广阔且持久的天气搅动点； 从技术上讲，它是一个反气旋涡流——一个逆时针旋转的高压系统——气体以每小时 450 公里的速度绕中心旋转。 这大约与地球上龙卷风中记录到的最高风速一样快！

这个巨大的风暴——太阳系中已知最大的风暴——由两个区域组成。 一个是由红色气体组成的椭圆形，另一个是周围较白色、较薄的气体带（称为空洞）。 GRS 位于木星的南赤道带，它是行星表面众多条带之一，这些条带 赋予了它条纹状外观。 这些条带是类似于地球上急流的纬向风模式，但由于木星缺乏表面，大气中气体上升和下降的巨大对流以及这颗巨大行星快速的 9 小时 55 分钟自转产生的巨大空气弯曲力，它们更加复杂。

与地球上可能在地球广大区域上游荡的飓风不同，木星上的风暴往往停留在其纬向通道中，受到强大急流的限制。 这种限制也维持了 GRS，使风暴非常长寿，但它的实际年龄一直是一个持续的天文谜团。

1665 年，意大利天文学家 乔瓦尼·卡西尼 在木星表面发现了一个黑色椭圆形——可以这么说。 从那时起一直到 1713 年，人们都断断续续地看到了它，并且记录下来的这个“永久斑点”的位置与当前的 GRS 相同。 卡西尼因此被认为是它的发现者，尽管另一位天文学家可能在 1632 年就看到了它； 如果是真的，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。 下一次已知的在该纬度观测到风暴是在 1831 年，那时已经过了一个多世纪，天文学家在那里报告了一个黑点。 （直到 1870 年代才被描述为红色！） 这个斑点——我们熟悉且喜爱的大红斑——从那时起就一直被持续观测到，至今已有近 200 年的历史。

奇怪的是，旧的图纸甚至早期的照片 显示 GRS 比今天宽得多； 爱尔兰天文学家艾格尼丝·玛丽·克莱克在 1879 年拍摄的第一张照片显示，它是一个扁平的椭圆形，纵向（东西向）宽度约为 40,000 公里——是今天我们看到的更圆形风暴的两倍多宽。 不知何故，GRS 在过去的一个半世纪里一直在显著地 改变其形状 和 缩小。

谜团由此产生。 17 世纪卡西尼和其他人看到的斑点与今天的大红斑是同一个特征吗？ 如果不是，正如看起来很有可能的那样，那么最初的斑点是否消散了，并在同一纬度位置上长出了一个新的斑点？ 如果是这种情况，这怎么可能发生，以及为什么这些斑点的大小和形状会发生变化？ 请记住，我们谈论的是一个大小堪比某些行星的天气系统。

这是新发表的研究的重点。 对木星的详细观测表明，这颗巨大行星的大气层是多么复杂和动态。 较小的风暴形成并消散，而另一些则合并和增长。 许多风暴持续数年，有时它们会产生更大、更大的特征。

该研究的作者使用了木星大气气流的数值模型，求解复杂的流体动力学方程来模拟它们的运动和行为，然后将结果与几个世纪以来对 GRS 的广泛档案测量结果进行了比较。 通过观察这些涡流的形状如何随时间变化，他们得出结论，卡西尼看到的永久斑点与 GRS 不同； 斑点宽度的增长率不匹配。

研究人员还模拟了 GRS 的不同起源故事，以查看其中是否有任何一个与观测结果相符。 尽管合并风暴很常见，但它们与所看到的现象不太吻合。 虽然它们可以合并并形成更大的系统，但即使是四五个风暴聚集在一起也无法创建一个像 GRS 这样庞大的系统。 此外，在 1713 年至 1831 年的空隙年份中没有观察到此类涡流，而且它们几乎肯定是可以被看到的。

另一种形成机制可能是超级风暴，即来自木星深处的较温暖物质向上涌出，冲到云层顶部。 2010 年土星上爆发了这样一场巨大的风暴，创造了一个壮观的天气系统，并在一两年内逐渐消失。 科学家们模拟了木星上发生的这种事件，发现这可以形成一个单一的反气旋系统，但是，与合并的涡流一样，单一的物质上涌无法扩大规模以达到 GRS 观测到的大小和形状。 此外，从未在木星的那个纬度上观察到此类超级风暴的形成，这加强了必须有其他原因导致 GRS 的结论。

他们说，“其他原因”可能是所谓的南热带扰动。 这是一种发生在木星条带之一中的气体流动在南北方向延伸，推入相邻条带时发生的某种程度的破坏。 这会阻碍相邻条带的流动，从而产生可能变得非常大的漩涡。 科学家们模拟了这个过程，发现对于相互作用的风中足够的速度范围，它可以形成一个与 GRS 匹配的巨大斑点。 重要的是，他们发现这种机制还可以解释 GRS 历史上和持续的大小和形状变化。

因此，他们得出结论，我们今天看到的大红斑是在 1831 年以这种方式形成的，与之前看到的斑点是不同的实体。 这将使 GRS 有 193 年的历史。

但是它能存在多久呢？ 自 2010 年代以来，GRS 有据可查的收缩一直在加速。 目前尚不清楚木星的愤怒之眼何时甚至是否会消失——它已经存在了很长一段时间——但卡西尼的“永久”斑点如此短暂的事实暗示，即使是 GRS 也可能在长远来看消失。 未来的天文学家可能会看到一个没有斑点的木星。

但我们确定的唯一一件事是，行星之王不会静止不动。 即使 GRS 消退并消失，另一个后继斑点也可能会崛起并取而代之。