木星现在的大红斑还是当年那个吗？

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主译：遠山真理

校译：甘林

审阅：牧夫天文校对组

编排：送你一朵量子玫瑰

后台：李子琦

https://sorae.info/astronomy/20240626-greatredspot.html

木星表面上的巨大风暴“大红斑（Great Red Spot）”以其庞大的体积、鲜红的颜色以及极长的寿命而闻名。尤其是寿命方面，有一种说法认为，1665年由乔瓦尼·卡西尼（Giovanni Cassini）发现的“永久斑（Permanent Spot）”就是现在的大红斑，并且从那时起它就一直存在。如果这一说法正确，那么大红斑的年龄至少为359岁，但这一推测也存在争议。

巴斯克大学的阿古斯丁·桑切斯-拉韦加（Agustín Sánchez-Lavega）等研究团队对从17世纪至今的木星观测记录进行了详细分析，并基于最新的观测数据对木星的大气进行了模拟。结果表明，目前的大红斑很可能与卡西尼发现的永久斑不同。在这种情况下 ，目前的大红斑应首次观测于1831年，因此其年龄至少为193岁。

图1: 2018年4月1日由“朱诺号”木星探测器拍摄的大红斑色彩增强图像（图源：NASA, JPL-Caltech, SwRI, MSSS, Gerald Eichstädt & Seán Doran）

木星大红斑芳龄几何？

作为太阳系中最大的行星，木星上有着由漩涡状云层构成的各种大小风暴。其中最显眼的是位于南半球的巨大风暴“ 大红斑 ”。这个略呈椭圆形的大红斑直径约为14000公里，比地球还大，其间常年有风速125m/s的暴风肆虐。这一风速相当于地球上极为罕见且强烈的龙卷风的瞬间最大风速。

关于大红斑为什么是红色的，目前尚未清楚。不过，基于大红斑作为高气压风暴（注1）的特性，人们认为其上层大气中的云层被下降气流吹散，暴露出下层大气的物质，这些物质在阳光的光化学反应下生成红色物质。

注1：据推测，木星上超过90%的风暴都是伴随着强烈下降气流的高气压风暴。虽然在地球上，低气压是引起恶劣天气的主要原因，而高气压通常带来晴朗天气，这让人不容易理解，但地球上也会出现带来灾害的高气压风暴。例如，2018年在英国发生的“哈特穆特高气压（俗称‘东方野兽’）”就是高气压风暴带来严寒的一个例子。

木星表面这个非常显眼的大红斑在古代天文观测中也有记录，因此一般认为其寿命已有数百年。然而，大红斑的实际年龄一直存在争议。最著名的一种说法是，自1665年乔瓦尼·卡西尼发现以来，它已经存在了300多年（注2）。在这种情况下，截止2024年，大红斑的年龄至少为359岁。

注2：有观点认为在1665年之前的观测记录中也记录了类似的风暴，但是否观测到的是同一个风暴存在争议，其中一些观点明确否定了这一点。因此，最早的连续可靠记录是1665年的。

卡西尼和其他天文学家在1665年至1713年间持续观测木星风暴，由于其寿命之长，当时被称为“永久斑”。虽然天文记录中并未具体提到永久斑的颜色，但1711年画家多纳托·克雷蒂（Donato Creti）在天文学家的建议下创作的系列作品《天文观测》（注3）中显示，永久斑呈红色。这成为支持17世纪的永久斑与现今的大红斑是同一个风暴的依据。

注3：这是多纳托·克雷蒂在1711年绘制的八幅系列画，据说是受博物学家路易吉·费迪南多·马尔西里委托，以促使当时的罗马教皇克莱门斯十一世建立天文台。为了准确描绘行星和彗星等天体，克雷蒂据说得到了天文学家尤斯塔基奥·曼弗雷迪或乔瓦尼·卡西尼的建议。

图2: 各个时代的木星观测记录。1713年到1831年是大红斑的观测空白期，在这期间 在这空白期后，再观测到的大红斑似乎增大了。（图源：Agustín Sánchez-Lavega, et al.）

然而，关于永久斑的观测记录在1713年后中断，直到1831年由海因里希·施瓦贝（Heinrich Schwabe）进行的下一次观测记录之间，有长达118年的观测空白期。在这一空白期内，木星仍被持续观测。因此，如果永久斑与大红斑是同一个风暴，并且在1713年之后仍然存在，那么在这一个多世纪里，它既未引起天文学家的注意，也未被描绘在任何草图中。这反而表明，永久斑可能在这一空白期内消失了，而大红斑作为另一个风暴重新出现，这样的解释可能更为合理。

不过，由于我们对大红斑这类巨大风暴的形成和消失机制，以及风暴如何扩展和缩小的过程还不清楚，卡西尼的永久斑和现在的大红斑是否是同一个风暴仍然是一个未解之谜。

大红斑很有可能已非当年

Sánchez-Lavega氏及其研究团队开展了研究，以解开木星大红斑寿命之谜。首先，他们调查了从1665年的草图到2023年的数字图像，不同时代对永久斑和大红斑的观测记录。接着，他们基于美国航空航天局（NASA）的木星探测器“朱诺（Juno）”的观测结果，利用巴塞罗那超级计算中心的超级计算机“MareNostrum（马雷诺斯特鲁姆）”对木星上的风暴进行了模拟。

图3: 木星大气风暴的模拟（上南下北）。最终生成的一个大风暴和19世纪后半观测到的大红斑形状非常相似（图源：Agustín Sánchez-Lavega, et al.）

通过模拟，研究团队首先揭示了巨大风暴的生成机制。木星的大气中存在多个以特定纬度为界的相反方向的气流，这些气流在相互碰撞的区域会产生多个小漩涡，并导致气流不稳定。在这些区域，如果出现比周围更高速的气流，就会形成一个极为巨大的漩涡，可以称之为“原始大红斑”。这个漩涡不会在短时间内消散，而是会稳定下来。原始大红斑随着时间的推移会逐渐缩小，但风速会增加。这一演变过程表明，大红斑会随着时间的推移而变小。

查看木星的观测记录可以发现，从1831年起持续观测的大红斑确实随着时间的推移在缩小。例如，1879年首次拍摄的大红斑呈细长椭圆形，最长部分约为39000公里。

而现在的大红斑与1879年的相比，更接近于正圆形，直径约为14000公里，明显变小了。由此可以推测，1831年观测到的大红斑可能是刚形成不久的，而并非1665年存在的永久斑。

大红斑的未来

此次研究表明，现在的大红斑很可能并不是自1665年起就持续存在的，而是在1831年左右形成的。如果是这样，那么大红斑的年龄至少为193岁。

木星的风暴规模远远超过地球上的风暴，其生成机制仍未完全弄清楚。Sánchez-Lavega氏及其团队的下一个研究目标是确定像大红斑这样的风暴缩小到何种程度才会消失，或在什么条件下能够继续稳定存在。如果这一点能够弄清楚，不仅能揭示木星大红斑的命运，还能帮助理解土星等其他行星，甚至太阳系外行星和褐矮星上的风暴机制及其命运。

『天文湿刻』 牧夫出品

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木卫凌越木星

影像提供: NASA; ESA, JPL, Cassini Imaging Team, SSI; 影像处理: Kevin M. Gill

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责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部