探秘氣態(tài)巨行星的大氣層

陳厚尊

按照傳統(tǒng)的分類法，太陽系的行星可以劃成兩大類：一是巖石行星，也叫類地行星，成員有水星、金星、地球、火星和全部的矮行星;二是氣態(tài)巨行星，也叫類木行星，成員有木星、土星、天王星和海王星。其中，構(gòu)成類地行星的主要物質(zhì)是硅酸鹽，以及各種含碳化合物;而類木行星的物質(zhì)組分更接近太陽，主要是一些氫、氦、氖等輕元素。顧名思義，氣態(tài)巨行星表面的物質(zhì)是氣態(tài)不是固態(tài)，探測(cè)器無法在表面著陸。因此，從某種意義上講，我們?cè)谕h(yuǎn)鏡中看到的木星、土星等天體，其實(shí)是它們濃密的高層大氣，其下面還有深厚的平流層、對(duì)流層等結(jié)構(gòu)。不過，行星學(xué)家普遍認(rèn)為，在類木行星的最深處，靠近中心的位置，應(yīng)該也有一個(gè)巖質(zhì)的內(nèi)核，大小與類地行星相當(dāng)。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的木星云帶全圖，方向上北下南。橘紅色的橢圓形區(qū)域即是著名的大紅斑

由于氣態(tài)巨行星的表面覆蓋的是一層可自由流動(dòng)、形變的氣體，所以，類木行星的表面特別容易受到萬有引力、自轉(zhuǎn)離心力、科里奧利力的影響，產(chǎn)生的流體現(xiàn)象不勝枚舉，堪稱天然的“流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室”。這些有趣的現(xiàn)象大多是天體力學(xué)與流體力學(xué)的交叉產(chǎn)物。更令人驚嘆的是，其中一些還能在我們的日常生活中尋到類似的現(xiàn)象。就好像牛頓當(dāng)年領(lǐng)悟到蘋果下落與月球繞地球運(yùn)行是同一種力在起作用一樣，我們也能從這些流體現(xiàn)象中體會(huì)到物理規(guī)律在宏觀和宇觀上的某種統(tǒng)一。我們下面試舉幾例做簡(jiǎn)單的介紹。

木星和土星的云帶

木星表面規(guī)則的條狀云帶是木星大氣最顯著的特征之一，在視寧度（Seeing）良好的情況下，只需通過一架7.62厘米口徑的小型業(yè)余天文望遠(yuǎn)鏡即可清晰地目視到它們。事實(shí)上，土星的表層大氣也有一條條如絲綢般光滑的云帶，只是土星云帶間的對(duì)比度比木星低了不少，肉眼看起來不太顯著罷了。經(jīng)過靈敏的行星相機(jī)拍攝、疊加、處理后，就能清晰地分辨出土星的云帶。木星和土星的云帶都屬于一種規(guī)模巨大的行星級(jí)天氣系統(tǒng)。實(shí)際上，我們的地球也存在類似的天氣系統(tǒng)，只是地球的大氣層相對(duì)稀薄，且不同緯度的天氣規(guī)律同時(shí)受到海洋、陸地地形等因素影響，導(dǎo)致地球的“云帶”變得支離破碎。即便如此，這些支離破碎的“云帶”還是主導(dǎo)了地球上絕大多數(shù)地區(qū)的四季氣候，這便是中學(xué)地理課程上曾介紹過的東風(fēng)帶、西風(fēng)帶和信風(fēng)帶。三條風(fēng)帶之間是所謂的極地高壓帶、副極地低壓帶、副熱帶高壓帶和赤道低壓帶。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到的木星大紅斑在收縮。照此趨勢(shì)下去，大紅斑將會(huì)在2 0 4 0 年縮成圓形。但是由于近鄰噴射氣流的畸變作用，這是不可能發(fā)生的。因此大紅斑是否會(huì)在不久的將來消亡呢？

木星是太陽系八大行星的“老大哥”，個(gè)頭非常龐大，直徑相當(dāng)于11個(gè)地球，體積相當(dāng)于地球的1321倍。然而，如此巨大的氣態(tài)行星，自轉(zhuǎn)一周只需短短的9小時(shí)55分鐘！這使得木星赤道附近的自轉(zhuǎn)線速度達(dá)到了12.6千米/秒，比地球表面的逃逸速度（11.2千米/秒）還快！在巨大的離心力作用下，木星整體呈現(xiàn)為一顆旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的橢球體，赤道地區(qū)的半徑比兩極地區(qū)凸出約4600千米，相當(dāng)于0.7個(gè)地球。在科里奧利力的作用下，木星云帶的移動(dòng)速度也很快，且方向不一。如下面的木星云帶圖，大紅斑上方兩條色彩最濃重的云帶就是位于木星赤道南、北兩側(cè)的赤道云帶。我們?cè)跇I(yè)余天文設(shè)備的目鏡中看到的木星云帶多半是它們。大紅斑北側(cè)所在的南赤道云帶向左流動(dòng)，北赤道云帶向右流動(dòng)。而北赤道云帶的上方是北溫帶云帶，它朝左流動(dòng)，大紅斑以南的南溫帶云帶又是向右流動(dòng)的。在這里我們看到，木星的南赤道云帶與南溫帶云帶的移動(dòng)方向恰好相反，夾在二者中間的大紅斑也就因此做快速的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。我們下面專門來介紹木星的大紅斑。

木星大紅斑（GRS）

大紅斑是木星表面最具代表性的特征之一，位于木星的南半球，南緯22°的位置上。大紅斑的緯度非常穩(wěn)定，南北移動(dòng)不超過1°。但是，它的經(jīng)度卻是在漂移的，并且漂移速度多年來有顯著的變化。一般認(rèn)為，歷史上最早觀測(cè)到木星大紅斑的人是英國(guó)的博物學(xué)家羅伯特·胡克（Robert Hooke），他曾在1664年描述過木星上的一個(gè)斑點(diǎn)。不過，胡克描述的那個(gè)斑點(diǎn)位于木星的北半球，所以有人懷疑胡克看到的并非今日的大紅斑。較令人信服的大紅斑觀察記錄來自法國(guó)天文學(xué)家喬凡尼·卡西尼（Giovanni Cassini），他從1665年開始至1713年一直斷斷續(xù)續(xù)用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)木星的大紅斑。如此算下來，大紅斑已經(jīng)在木星大氣中存活了超過350年。如前所述，大紅斑是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，周期大約是6個(gè)地球日，或14個(gè)木星日。大紅斑東西長(zhǎng)24000至40000千米，南北寬12000至14000千米，足以放進(jìn)兩三個(gè)地球。相較之下，地球上臺(tái)風(fēng)的壽命最多只有幾十天，云系尺度很難超過2000千米。1979年10月誕生在西北太平洋的臺(tái)風(fēng)泰培（Typhoon Tip），環(huán)流直徑達(dá)到了驚人的2220千米，為有氣象記錄以來的歷史之最。

“旅行者2”號(hào)拍攝的大黑斑

但是，木星的大紅斑與地球上臺(tái)風(fēng)的成因還不太一樣，這主要表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)方向上。地球上的臺(tái)風(fēng)是由溫度升高導(dǎo)致的一個(gè)低壓區(qū)，臺(tái)風(fēng)的外圍環(huán)流在北半球逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在南半球順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（不要問路徑跨赤道的臺(tái)風(fēng)怎么轉(zhuǎn)。臺(tái)風(fēng)的成因決定了它只能向高緯度漂移，不可能跨赤道）。木星與地球的自轉(zhuǎn)方向相同，所以，低壓氣旋的自轉(zhuǎn)方向應(yīng)該與地球上的臺(tái)風(fēng)一致。但是，木星南半球的大紅斑卻是一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的反氣旋風(fēng)暴。這說明大紅斑是一個(gè)由低溫導(dǎo)致的高壓區(qū)。近年來，天文學(xué)家在紅外波段對(duì)大紅斑的觀測(cè)結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。

土星的兩條云帶間的開爾文—亥姆霍茲波

與300多年前大紅斑剛被發(fā)現(xiàn)的年代相比，今日的大紅斑在東西方向上縮水了接近1/2。有人預(yù)測(cè)大紅斑將會(huì)在二三十年后銷聲匿跡。最終大紅斑會(huì)不會(huì)消亡于木星南赤道的云帶中？讀者不妨對(duì)相關(guān)的天文觀測(cè)多加關(guān)注。

海王星的大黑斑（GDS）

1989年，當(dāng)美國(guó)航空航天局的“旅行者2”號(hào)探測(cè)器飛掠海王星的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)海王星的南半球也有一個(gè)類似木星大紅斑的反氣旋風(fēng)暴，只是它的顏色較四周更深，因而被命名為大黑斑-89。更深入的研究發(fā)現(xiàn)，大黑斑的成因與大紅斑完全不同，大黑斑本身并不是一個(gè)低溫風(fēng)暴，而是海王星大氣中的一個(gè)巨大的甲烷空洞，類似于地球南極上空的臭氧空洞，只是規(guī)模大得多（與地球相當(dāng)）。大黑斑周圍的狂風(fēng)高達(dá)每小時(shí)2400千米，是太陽系中風(fēng)速最快的地方。1994年，當(dāng)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡再度嘗試拍攝海王星的大黑斑時(shí)，大黑斑已完全消失不見。天文學(xué)家不確定它是被遮蓋了還是已經(jīng)徹底消失。然而，另一個(gè)幾乎相同的斑點(diǎn)又出現(xiàn)在海王星的北半球，這個(gè)新斑點(diǎn)被稱為北大黑斑（NGDS），被天文學(xué)家持續(xù)觀測(cè)了數(shù)年之久。

土星與地球大氣中的開爾文—亥姆霍茲波（K-H instability）

開爾文—亥姆霍茲波（Kelvin Helmholtz Wave，簡(jiǎn)稱KH波），取名自19世紀(jì)物理學(xué)家開爾文勛爵和亥姆霍茲。KH波產(chǎn)生的原因是流體力學(xué)中所謂的開爾文—亥姆霍茲不穩(wěn)定性（K-H instability），這種不穩(wěn)定性可以發(fā)生在速度不同的兩種流體之間的交界面上，也可以發(fā)生在有垂直切變的同種流體內(nèi)部。比如，平靜的海面上被風(fēng)吹起的海浪，就是兩種流體之間的交界面上產(chǎn)生KH不穩(wěn)定性的例子。而下圖展現(xiàn)的是土星的兩條云帶之間激發(fā)生成的KH波，它屬于同種流體內(nèi)部（主要組成都是氫和氦）因流動(dòng)速度不同，也就是垂直切變引發(fā)的KH不穩(wěn)定性。

事實(shí)上，在地球的云層中也可以生成類似的KH波，只是比較罕見。英國(guó)賞云協(xié)會(huì)的會(huì)長(zhǎng)加文·普雷特-平尼（Gavin Pretor-Pinney）曾出版過一本小冊(cè)子叫《云彩收集者手冊(cè)》，其中就說到，在云彩收集人士的眼中，輪廓分明的KH波就好像皇冠上的明珠，觀察到KH波形狀的云彩是一件值得炫耀的事。KH波可以看作是波狀云的一個(gè)罕見變種，通常出現(xiàn)在三種云族的云彩中，即層積云、高積云和卷云，有時(shí)也能在霧的頂部邊緣看到它。當(dāng)云在下方較冷空氣層和上方較暖空氣層之間突出的邊界處開始發(fā)展，并且上層空氣比下層流動(dòng)得快，就會(huì)沿著云的表面形成波狀云。如果二者的速度差異達(dá)到一定臨界值，這些波狀云就能卷曲起來，形成一連串渦旋，看上去像是沖浪愛好者的理想天堂。在所有情況下，KH波的持續(xù)時(shí)間都不會(huì)超過一兩分鐘。因此，在純粹的運(yùn)氣之外，它還要求觀云者對(duì)天空有敏銳的觀察力。

筆者用計(jì)算機(jī)編程模擬生成的K H 波，其中不同顏色的部分代表了流動(dòng)速度不同的兩種理想流體。

開爾文—亥姆霍茲不穩(wěn)定性是流體力學(xué)中一個(gè)研究得比較成熟的現(xiàn)象，可以利用諸如有限體積法（Finite Volume Method）等數(shù)值模擬技術(shù)在電腦上自動(dòng)生成一個(gè)理想的KH波，然后觀察它隨時(shí)間的演化。筆者就使用有限體積法在一臺(tái)家用筆記本電腦上模擬產(chǎn)生了平面KH波在演化過程中的一幀典型圖像。中間的黃綠色理想流體從兩層藍(lán)色的理想流體之間快速穿過，就像夾心餅干那樣，在兩個(gè)交界面上產(chǎn)生了KH波?？梢钥吹?，計(jì)算機(jī)模擬生成的理想流體的KH波與在土星與地球大氣中觀察到的KH波極為相似。

土星北極的六邊形風(fēng)暴

1981年，美國(guó)航空航天局的“旅行者1”號(hào)探測(cè)器飛掠土星的時(shí)候，在土星北極區(qū)意外地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大而規(guī)則的六邊形風(fēng)暴。2006年，“卡西尼”號(hào)攜帶的“惠更斯”探測(cè)器再度造訪土星，拍攝到了更加清晰的六邊形風(fēng)暴特寫。近年來，得益于民用CMOS傳感器的技術(shù)革新和圖像處理手段的進(jìn)步，一些業(yè)余天文愛好者已經(jīng)能夠利用太陽光照射土星北半球的機(jī)會(huì)（即土星北半球的夏季），在地面上拍攝到較清晰的土星六邊形風(fēng)暴照片。不過令人費(fèi)解的是，土星的南極點(diǎn)并沒有類似的形狀規(guī)則的風(fēng)暴。六邊形大風(fēng)暴幾乎就盤踞在土星北極點(diǎn)附近，風(fēng)暴范圍一直延伸至北緯78°附近。六邊形的邊長(zhǎng)達(dá)14 500千米，比地球的直徑還大，風(fēng)暴內(nèi)部足以裝下4個(gè)地球。風(fēng)暴的高度有300千米，邊緣附近的氣流速度為540千米/時(shí)。

“卡西尼”探測(cè)器拍攝的土星北半球照片，可以看到盤踞在土星北極點(diǎn)的巨大六邊形風(fēng)暴。

對(duì)于外形如此規(guī)則的巨大風(fēng)暴，它的成因自然是人們感興趣的。一個(gè)來自牛津大學(xué)的研究小組曾利用一臺(tái)旋轉(zhuǎn)氣缸模擬了土星北極地區(qū)的大氣環(huán)境，成功觀察到了三角形、六邊形和八邊形3種規(guī)則風(fēng)暴，分別對(duì)應(yīng)不同的自轉(zhuǎn)速率。這說明土星北極區(qū)的六邊形風(fēng)暴與土星的自轉(zhuǎn)速率有很大關(guān)系。

在2012年至2017年，“卡西尼”探測(cè)器發(fā)現(xiàn)六邊形風(fēng)暴的顏色在發(fā)生變化：從先前的藍(lán)綠色逐漸變成了金色。一個(gè)理論認(rèn)為這與土星的季節(jié)有關(guān)，即暴露在太陽光下的風(fēng)暴本體有霧霾升起。2017年4月，“卡西尼”探測(cè)器結(jié)束了自己的土星之旅，進(jìn)入一條自毀軌道，并于當(dāng)年9月15日墜入土星大氣，此后六邊形風(fēng)暴是否還有顏色上的變化便不得而知了。也許哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能延續(xù)“卡西尼”探測(cè)器的“未竟之志”，繼續(xù)探索六邊形風(fēng)暴的未解之謎。