木星的大紅斑是如何形成的？

在充滿奇蹟的太陽系中，木星的大紅斑依然格外引人注目。

即使透過小型望遠鏡，這個鮮豔的紅色橢圓形也清晰可見，看起來就像一隻巨大的眼睛從巨大的氣體巨行星上凝視著。 大紅斑（或 GRS）非常巨大，你可以將整個地球扔進去，而我們的星球會直接穿過，不會碰到邊緣。

它已經存在了幾個世紀，並且充滿了謎團，但我們一直在更多地瞭解它。 最近發表在《地球物理研究快報》雜誌上的研究表明，GRS 並沒有曾經認為的那麼古老，並暗示雖然它可能還會持續很多年，但它的日子屈指可數了。

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GRS 是 木星最具標誌性的特徵。 我想說是“表面”特徵，但木星實際上並沒有表面；我們看到的實際上是數千公里深的大氣層頂部的雲層。 GRS 實際上是行星雲層中異常廣闊且持久的天氣攪動點； 從技術上講，它是一個反氣旋渦流——一個逆時針旋轉的高壓系統——氣體以每小時 450 公里的速度繞中心旋轉。 這大約與地球上龍捲風中記錄到的最高風速一樣快！

這個巨大的風暴——太陽系中已知最大的風暴——由兩個區域組成。 一個是由紅色氣體組成的橢圓形，另一個是周圍較白色、較薄的氣體帶（稱為空洞）。 GRS 位於木星的南赤道帶，它是行星表面眾多條帶之一，這些條帶 賦予了它條紋狀外觀。 這些條帶是類似於地球上急流的緯向風模式，但由於木星缺乏表面，大氣中氣體上升和下降的巨大對流以及這顆巨大行星快速的 9 小時 55 分鐘自轉產生的巨大空氣彎曲力，它們更加複雜。

與地球上可能在地球廣大區域上游蕩的颶風不同，木星上的風暴往往停留在其緯向通道中，受到強大急流的限制。 這種限制也維持了 GRS，使風暴非常長壽，但它的實際年齡一直是一個持續的天文謎團。

1665 年，義大利天文學家 喬瓦尼·卡西尼 在木星表面發現了一個黑色橢圓形——可以這麼說。 從那時起一直到 1713 年，人們都斷斷續續地看到了它，並且記錄下來的這個“永久斑點”的位置與當前的 GRS 相同。 卡西尼因此被認為是它的發現者，儘管另一位天文學家可能在 1632 年就看到了它； 如果是真的，它至少持續了 80 年。

然而，儘管天文學家持續監測木星，但在 1713 年之後，這個斑點似乎消失了。 下一次已知的在該緯度觀測到風暴是在 1831 年，那時已經過了一個多世紀，天文學家在那裡報告了一個黑點。 （直到 1870 年代才被描述為紅色！） 這個斑點——我們熟悉且喜愛的大紅斑——從那時起就一直被持續觀測到，至今已有近 200 年的歷史。

奇怪的是，舊的圖紙甚至早期的照片 顯示 GRS 比今天寬得多； 愛爾蘭天文學家艾格尼絲·瑪麗·克萊克在 1879 年拍攝的第一張照片顯示，它是一個扁平的橢圓形，縱向（東西向）寬度約為 40,000 公里——是今天我們看到的更圓形風暴的兩倍多寬。 不知何故，GRS 在過去的一個半世紀裡一直在顯著地 改變其形狀 和 縮小。

謎團由此產生。 17 世紀卡西尼和其他人看到的斑點與今天的大紅斑是同一個特徵嗎？ 如果不是，正如看起來很有可能的那樣，那麼最初的斑點是否消散了，並在同一緯度位置上長出了一個新的斑點？ 如果是這種情況，這怎麼可能發生，以及為什麼這些斑點的大小和形狀會發生變化？ 請記住，我們談論的是一個大小堪比某些行星的天氣系統。

這是新發表的研究的重點。 對木星的詳細觀測表明，這顆巨大行星的大氣層是多麼複雜和動態。 較小的風暴形成並消散，而另一些則合併和增長。 許多風暴持續數年，有時它們會產生更大、更大的特徵。

該研究的作者使用了木星大氣氣流的數值模型，求解複雜的流體動力學方程來模擬它們的運動和行為，然後將結果與幾個世紀以來對 GRS 的廣泛檔案測量結果進行了比較。 透過觀察這些渦流的形狀如何隨時間變化，他們得出結論，卡西尼看到的永久斑點與 GRS 不同； 斑點寬度的增長率不匹配。

研究人員還模擬了 GRS 的不同起源故事，以檢視其中是否有任何一個與觀測結果相符。 儘管合併風暴很常見，但它們與所看到的現象不太吻合。 雖然它們可以合併並形成更大的系統，但即使是四五個風暴聚集在一起也無法建立一個像 GRS 這樣龐大的系統。 此外，在 1713 年至 1831 年的空隙年份中沒有觀察到此類渦流，而且它們幾乎肯定是可以被看到的。

另一種形成機制可能是超級風暴，即來自木星深處的較溫暖物質向上湧出，衝到雲層頂部。 2010 年土星上爆發了這樣一場巨大的風暴，創造了一個壯觀的天氣系統，並在一兩年內逐漸消失。 科學家們模擬了木星上發生的這種事件，發現這可以形成一個單一的反氣旋系統，但是，與合併的渦流一樣，單一的物質上湧無法擴大規模以達到 GRS 觀測到的大小和形狀。 此外，從未在木星的那個緯度上觀察到此類超級風暴的形成，這加強了必須有其他原因導致 GRS 的結論。

他們說，“其他原因”可能是所謂的南熱帶擾動。 這是一種發生在木星條帶之一中的氣體流動在南北方向延伸，推入相鄰條帶時發生的某種程度的破壞。 這會阻礙相鄰條帶的流動，從而產生可能變得非常大的漩渦。 科學家們模擬了這個過程，發現對於相互作用的風中足夠的速度範圍，它可以形成一個與 GRS 匹配的巨大斑點。 重要的是，他們發現這種機制還可以解釋 GRS 歷史上和持續的大小和形狀變化。

因此，他們得出結論，我們今天看到的大紅斑是在 1831 年以這種方式形成的，與之前看到的斑點是不同的實體。 這將使 GRS 有 193 年的歷史。

但是它能存在多久呢？ 自 2010 年代以來，GRS 有據可查的收縮一直在加速。 目前尚不清楚木星的憤怒之眼何時甚至是否會消失——它已經存在了很長一段時間——但卡西尼的“永久”斑點如此短暫的事實暗示，即使是 GRS 也可能在長遠來看消失。 未來的天文學家可能會看到一個沒有斑點的木星。

但我們確定的唯一一件事是，行星之王不會靜止不動。 即使 GRS 消退並消失，另一個後繼斑點也可能會崛起並取而代之。