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太阳系最危险行星之一:被飓风覆盖的木星

宇宙奥秘 发布时间:2020-05-21 21:25:18 发布人:admin 热度:

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为什么摩擦力至今没有驱散红斑?

马库斯: 直觉告诉我们,旋涡是不会永远存在的,总会有些带有摩擦力的东西将其驱散。摩擦的形式很多,因此人们认为消灭红斑的一种非常有效的方法就是利用罗斯贝波产生的摩擦。罗斯贝波是大气层中的一种波,它之所以存在是因为大气层是一个快速旋转的球状外壳,而不是一个快速旋转的水平面。这种波在气流层中很常见,并且运动缓慢。人们认为这个大红斑会发射罗斯贝波,而这些罗斯贝波是带有能量的。当气流层中出现糟糕的事情,比如两个旋涡相撞之类

的情况时,罗斯贝波就会发射出来。但是,一般来说,一个旋涡一旦形成就不再发射罗斯贝波。因此,没有证据证明罗斯贝波的辐射会消灭这个大红斑。实际上,这可以说是一种准平衡状态。

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还有什么可以阻止它?

马库斯:如果想弄清楚什么可能破坏这个大红斑,使它最终消失,那么不仅要考虑是什么东西正在破坏这种动能,比如摩擦力,还要考虑是什么东西正在破坏这股潜在的能量。大家都知道,这股潜在能量受到破坏的一个原因被称为辐射平衡。如果我让地球大气层的某个区域降温,然后拿出秒表, 说:要使这块低温区域升温,并且与周围大气的辐射达到平衡,需要多长时间呢?或者,如果我让某个地方出现一个高温点,然后拿出秒表,说:通过转移光子和其他东西,使这个地方重新达到平衡,不再有任何表示这个高温点的热力信号,需要多长时间呢?从其他科学家的计算结果中,我们知道在这个巨大红斑所在的气流层的位置上,高温点或低温点大约需要4. 5年才会消失。我们做过很多数值模拟,可以很确定地说,如果将这种升温和降温的影响作用到我们用计算机模拟出来的红斑上,这个巨大红斑会在4.5年后消失。

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是什么使它继续存在?

马库斯:大红斑旋转的平均速度是每小时几百千米,喷射气流也是以每小时几百千米的速度运动。但据估计,垂直方向上的速度是非常非常微小的,每小时只有1 0厘米左右,正因为这样,它们在很大程度上被认为是无关紧要的。但是,垂直方向上的风会经过大片区域,并且不断产生,因此,我认为这些风的作用可能非常重要。在我看来,能够破坏这个巨大红斑的,是从底部高温气流中涌出转而进入顶部低温气流的热力。这股热力在尝试着恢复辐射平衡。但是,尽管有这种辐射上的热力转移,使大红斑继续存在的却是垂直方向上的微小的速度。

据粗略估计,当风往下吹的时候,大气会升温,而风往上吹的时候,大气就会降温。内部含有光子的大红斑的热力辐射,会试着将顶部和底部的温度与周围的温度调至平衡,这往往会使顶部低温密集的气流升温,热力辐射最终会消失。如果这种情况得不到抑制,大红斑也会随之消亡。

但是,随着顶部密集气流开始消散,压力平衡就会被破坏。没有了压力平衡,大红斑中心的高压就会推动气体垂直向外运动,继续向顶部提供低温气体,使顶部重新变成密集的低温大气。类似的情况也会发生在大红斑的底部,使其底部同样重新形成高温气流。

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当向上运动的气体穿过正在消散的顶部气流、离开这个大红斑时就不再上升,而是在水平方向上被往外推到一个和这个大红斑差不多大的地方,然后就不再向外运动,而是下降。这股下降的气体将大红斑周围气流中的原子和分子向下推移,大大地减少了它们的潜在能量。这股气体最终返回大红斑中心,完成了循环。在返程途中,它吸收了大量由大红斑周围气流释放出来的潜在能量。

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正是这些大量吸收的能量,填补了这个巨大红斑在热力辐射中失去的能量,使其达到平衡。在计算机模拟中,可以测量这个大红斑吸收和释放的所有能量的方向和大小,整体能量达到了完美的平衡。

有了气体的这种循环,大红斑周围的气流层具有的潜在能量就能被很好地释放。但是没关系,因为太阳会在木星周围重新建立辐射平衡,再次为它提供能量。所以,最终阻止这个巨大红斑消失的就是太阳。》研究一个遥远星球的气流层有什么意义?马库斯:如果我们不清楚木星是怎样运行的,又怎能明白其他恒星周围的木星 是如何运动的呢?在类太阳系里探索类木行星是当前的一个热门话题,因为我们想知道太阳系之外是否还有其他星球上存在生命。科学研究就是这样。

现在,我要发句牢骚:美国航空航天局是一个非常伟大的机构,我很感激他们给我和我的同事提供资金。但是,他们在硬件上将设备发送到太空投入的资金,与他们在分析从这些设备上获得的数据时投入的资金相比,是非常不平衡的。旅行者号3 1年前搜集到的数据至今仍有很多没来得及分析,而且要筹到足够的资金来检验这些数据是非常非常困难的。人们会说:不用了,你们一定要根据新的数据,做一些新鲜刺激的事情,不用想着回头去看那些太久以前的数据。但是,这些旧的数据中确实有一些有价值的信息,美国航空航天局真正需要的也是我不愿意说的是另一个卡尔萨根。卡尔有本事让人

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们去欣赏我们发现的东西,去欣赏那些让发现成为可能的机器。

加州大学伯克利分校的机械工程系教授、计算机物理学家菲利普 马库斯在校园附近的一家咖啡馆里对我说:读书是一种错误,了解了太多东西并不是一件好事。我就是这样对研究流体动力学着了迷。

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那是1 9 7 8年,马库斯在康奈尔大学做博士后的第一年,他的研究方向是运用波谱方法对太阳产生的对流和实验室里的气流进行数字模拟。就在此前,他想研究的是宇宙演变和广义相对论。马库斯告诉我,原因是当时存在的一种说法,即没有人能在他的有生之年亲眼看见广义相对论产生的结果,这个领域自身就有些站不住脚,所以当时每一个研究过广义相对论的人都打算转而研究其他领域。

也是在这一年,旅行者1号开始将木星的高空近距离图像发回地球。马库斯说,每当自己需要放松心情、好好休息的时候,就会去天体物理学大楼旁边的一个专门图书馆,面对旅行者1号发回的那张巨大红斑的图像感慨不已。至少是从1 6 6 5年,也就是罗伯特胡克第一次观测到这个红斑风暴的时候开始,它就已经在距离我们几亿千米远的地方存在了。马库斯对我说:我意识到,在天文学领域几乎没有一个流体动力学方面的专家,而我却擅长这方面。于是我想,我完全有能力着手研究这个巨大的红斑。

从那以后,他就再也没有停止过对这个巨大红斑的研究。现在,他可以称得上是研究太阳系中这个最著名的风暴的专家了。马库斯有着山地车手一样魁梧的身材,回答我的问题时常常挥着双手,他认为自己的这种热情可以舒展笨拙的身体。他说:大家远远地躲着我,好像只要我进入实验室,就会立刻破坏一切。不过幸好,我还有一些出色的实验员朋友。

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木星的巨大红斑在哪些方面让你觉得非常有吸引力?

马库斯:有好几个方面。人们一直很好奇,为什么这个巨大的红斑会存在这么长时间?其实这个巨大的红斑就是一个风暴。我们已经对地球上的风暴司空见惯了,一般的飓风最多会持续几周,而且具有确定的破坏性机制:要么吹进冰冷的水中,冷水会切断它的动力供应;要么扫过陆地,陆地将其动力切断。龙卷风异常壮观,却转瞬即逝只能持续几小时。那么,为什么木星上会有一个持续这么长时间的风暴呢?以前人们认为这是飘浮在山顶的云团或是液态氢海洋中的一座冰山。到1 9 7 9年左右,也就是旅行者1号和旅行者2号对木星进行近距离探测时,这样的说法就不再有了。实际上,没有人真正知道它是一个旋涡,是一个转一圈大约需要6天的强大飓风,几百个美国加起来才可以和它媲美。我的意思是,它真的很大。旅行者号的一项伟大成就就是拍摄了几百张组成这个红斑的云团图片,所以我们才可以看见整个红斑在旋转,从而确定它就是一个旋涡。

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这个巨大的红斑是怎样产生的?

马库斯:这个巨大红斑产生的方式可能有两种。它可能曾经是一大团向上飘升的羽状流,到了平流层后就卷成筒状,形成了旋涡。如果上升的羽状流能够接触到一片真正稳定的气流层,它就会向外水平扩散。如果是在一个像木星一样旋转速度非常快的系统里,它就会向外扩散形成一个旋涡。另一种可能是一股喷射气流变得不稳定,开始像波浪一样振荡。当振幅足够大时就会冲破阻力,形成一个个旋涡,最后合并到一起。在我看来,喷射气流就是形成旋涡的家园。

为什么它会在木星上产生,而不是其他地方?

马库斯:在地球上,如果从海洋上空飞过,几乎可以很确定地说出什么时候下方会出现一座岛屿,因为岛屿的地形特征常常伴有白云,上空常有云朵飘浮。但是,木星表面不是固态结构,它基本上就是一个气态的球状物,这里没有大陆和海洋的热力差,风也不会受到山脉的阻挡。因为没有一切乱七八糟的东西,所以上面的喷射气流井然有序。一旦遇到喷射气流,旋涡就会自然形成。相对方向吹来的风会相互厮杀(试想一颗滚珠在两堵反向移动的墙面中间,墙面会使这颗

滚珠快速旋转;同样,木星上的两股方向相反的喷射气流使气流中间的空气快速旋转)。喷射气流之间的旋涡排斥任何卷入的东西。如果我在浴缸里制造一个旋涡,然后击打它,它通常就消失了;但如果我模拟木星上一个位于纬向风带之间的大红斑,然后猛拍它,它会恢复原状。因此,我认为喷射气流就是产生旋涡的家园。

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是什么让这个红斑凝聚到一起?

马库斯:我猜想这个红斑从顶部至底部有5 0千米至7 0千米, 宽度大约有2 6 0 0 0千米,这就好像一张薄饼。如果我在这个薄饼的中央施加高压,就像装在管子里的牙膏一样,有些东西会从薄饼的两侧、顶部和底部喷射出来。大家知道,这个巨大红斑的中央有一个高压,但是它的气体并不会从两侧水平喷出,因为在这些方向上存在科里奥利力。相反,这些气体会从顶部和底部垂直喷出。那么,是什么阻止这些气体垂直喷射呢?我知道的唯一能够阻止它们垂直喷射的可能就是,这个巨大红斑的上方覆盖着一层密集的低温大气,其产生的额外密度将大红斑里的气体向下压。同时,在大红斑的下方必定铺着一层浮动的高温气流,就是这层大气阻止中心高压将大红斑里面的气体向下压到底部。这就是平衡。

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所以我们既可以进行数值计算,也可以进行解析计算。可以设问:顶部需要多大的密度,底层需要多大的浮力,才能达到这种平衡?这些旋涡状的风和动能有关,这个额外的潜在能量也关系到顶部密集的低温气流和底部浮动的高温气流。研究这个巨大红斑的大部分同事都担心这种动能,而我却说不会的,这种动能只占1 6 %。这个巨大红斑的大部分能量,包含在顶部高度密集的低温大气和底部浮动的高温大气拥有的潜在能量中。如果你彻夜无眠,担心可能有什么会破坏这个巨大红斑的话,就想想还有什么能够破坏它的潜在能量。

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