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新模型或揭示木星“胎记”长寿秘诀

2019-12-31 08:07 来源:科技日报 实习记者 代小佩

  无论从体积还是质量上看,木星都可谓太阳系行星中的“巨无霸”。尽管不少探测器早已飞掠木星,这颗外表如同油画般的气体星球依然蒙着一层层神秘的面纱。

  除了令人惊叹的红色和白色条带之外,木星上格外撩拨人心的就是大红斑。据朱诺号木星探测器传回的照片,大红斑呈椭圆形,宛如一颗巨大的宝石镶嵌在木星的大气云带之间。

  大红斑仿若木星的一个胎记。自1665年被天文学家卡西尼(Cassini)发现以来,大红斑被人类知晓已长达300多年,人类对大红斑的连续观测也有100多年历史。根据历史观测数据,大红斑正在不断缩小,形状变得越来越圆,颜色也随着时间发生变化。

  面对大红斑的改变,有学者提出,大红斑终将会消失。这是真的吗?

  多彩的反气旋风暴

  在此之前,先要搞清楚大红斑究竟是什么。

  木星就像一颗被彩虹条带包裹的星球,这些条带是因木星上氨冰云的厚度和高度差异造成的,也与大气压的不同有关。如果把木星看作调色板,它身上的“颜料”会随着木星自转而流动,每时每刻产生变化,从而绘制出一幅独一无二的油画。

  在这幅油画中,大红斑独特而耀眼。它呈卵形,东西长约2。6×104千米,南北宽约1。2×104千米,大概位于木星赤道以南、南纬22°的位置。资料显示,大红斑最初的覆盖范围大到足以吞进2—3个地球。

  由于表面存在巨大风暴和汹涌的气流,木星也被称为风暴的花园。而大红斑正是一股猛烈的反气旋(高压)风暴。这股风暴按照逆时针方向高速旋转,大约六个地球日转完一圈。它的颜色有时鲜艳、明亮,呈鲜红色;有时变浅变淡,呈粉红色,甚至完全褪色。

  这股独特的风暴是如何形成的呢?

  “大红斑和木星表面的其他涡旋一样,都是由木星内部向外散发的热流驱动,并且在强大的地转偏向力(科里奥利力)作用下形成的。但是它们的涡旋强度和进入木星内部的深度各有不同。”中科院上海天文台研究员孔大力告诉科技日报记者,大红斑与木星的内部热流有关。

  木星上有大红斑也有白斑,这二者有何区别?孔大力解释道,大红斑内风速高,整个涡旋可能向下“扎根”数百公里,因此它的存在较为稳定。而木星上其他很多白斑风速比较低,存在于大气上层,还未能向下延伸很多。

  “木星上红色和白色区域反映了温度的不同。”孔大力表示,“白色区域温度较低,氨等成分会以冰晶形式存在,因此反照率较强,显示为白色;而红色区域温度较高,存在形式为气体,因此反照率降低,颜色黯淡发红。”

  有人调侃,试图了解木星内部热流会产生白斑还是红斑,就像试图预测把奶油倒入一杯热咖啡时会产生何种图案一样困难。

  红云剥落可能是自然状态

  光阴易逝,容颜易老,大红斑也在岁月流转中悄然改变。

  100年前,大红斑的直径约为4万公里,现在只有当时的一半左右。天文学家称,大红斑在过去10年左右大约损失了其总大小的15%。照这样下去,到2040年时,椭圆形的大红斑或许会变成圆形。

  面对大红斑不断“瘦身”且变圆的趋势,有研究者提出疑问:大红斑是否会消失?认为大红斑会消失的人指出,木星大气层中一些未知的活动可能正在消耗大红斑能量,使大红斑变得越来越小。

  依据此前传回的大红斑照片,科学家们发现,大红斑上有红色物质剥落的现象。2019年春,有观察者也拍摄到了大红斑“撕下”红色“薄片”的景象。有人推测,这是大红斑消失的征兆。

  不过,在美国加州大学伯克利分校的菲利普·马库斯(Philip Marcus)看来,大红斑本身有云层覆盖,这种剥落现象是涡旋的一种自然状态,并非大红斑死亡的迹象。

  “红云剥落可以理解为温度较高的一团气体离开大红斑。近期观察到的红云剥落应该是正常的涡旋相互作用的结果。”孔大力也表示,大红斑是一个反气旋,当一个小的气旋靠近它时,就会造成大红斑一些外围部分离开大红斑,“而且,这种相遇和影响可能经常发生”。

  来自美国哈佛大学地球和行星科学系的博士后哈桑扎德(Hassanzadeh)曾表示,许多因素可能会削弱大红斑。比如大红斑本身往外辐射热量,其周围的小涡旋也会影响大红斑。

  还有些研究者指出,大红斑通过吞并周围的涡旋获得能量并延长寿命。美国国家航空航天局(NASA)戈达德太空飞行中心的艾米·西蒙(Amy Simon)就曾表示,一些很小的涡旋在不断汇入大红斑中。西蒙认为,这些小涡旋可能是导致大红斑内部动力和能量变化的因素。

  孔大力则坦言,大红斑本身规模远大于其他涡旋,普通的涡旋对大红斑的影响很难从根本上改变大红斑的动力学性质和形态。哈桑扎德也认为,大红斑吞并小涡旋的现象不足以解释为何大红斑能够如此长寿。

  垂直涡旋或是关键因素

  实际上,天文学家并不确定大红斑的存在是暂时还是永久的。

  “根据目前的理论,大红斑或许早已消失。然而,它已经存在了数百年。”哈桑扎德说。

  为了探究大红斑长寿奥秘,哈桑扎德和马库斯建立了自己的模型。与其他模型不同,他们的模型完全是三维的,具有很高的分辨率。最重要的是,与大多数模型仅关注水平流动旋涡不同,马库斯团队的模型将垂直流动的涡旋也纳入了模型构建中。

  哈桑扎德说:“过去,有研究人员认为垂直涡旋不重要而将其忽略,或因为这样建模太困难而使用了更简单的方程式。”

  随后,他们发现,垂直运动的涡旋或许是揭开大红斑长寿之谜的关键。当大红斑损失能量时,垂直涡旋上方的热气体和下方的冷气体就会流向中心,以恢复其部分损失的能量。

  根据哈桑扎德的说法,类似的垂直涡旋可以用于解释为何直布罗陀海峡附近的洋流涡旋能持续数年,即垂直流将营养物质送到海洋表面,而后在海洋生态系统中发挥作用。

  尽管有大量图像证据证明大红斑逐渐缩小。但研究人员说,还没有直接证据表明大红斑涡旋本身大小或强度已经改变。

  “大红斑是否会消失这个问题很难回答。”孔大力强调,“因为大红斑是由内部热流驱动的,所以最终导致它消失的根本原因还是全球内部向外散发热流发生改变。而这种变化是由木星更深部流体运动状态改变造成的,这种改变需要的时间可能很久。”

  “另一种影响大红斑的情况就是涡旋之间的相互作用。所谓的大红斑红色物质脱落,就是源于其附近涡旋的影响。但从现有理论分析和数值模拟来看,大红斑在和其他涡旋发生作用时还是比较稳定的。”孔大力强调,大红斑最终会不会消失,可能还是要由驱动大红斑的根本因素,也就是内部热流来决定。

  值得一提的是,此前对大红斑的地面观测只限于颜色、形状及位置变化。自先驱者10号和11号,以及旅行者1号和2号飞掠木星并取得近距离观测资料后,对大红斑细微结构的分析成为可能。研究人员也希望,哈勃太空望远镜能助力揭开更多木星之谜。

(责任编辑:王蔚)

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