木星：風(fēng)暴的家園

文/ 布萊恩·加拉赫

加州大學(xué)伯克利分校的機(jī)械工程系教授、計(jì)算機(jī)物理學(xué)家菲利普· 馬庫(kù)斯在校園附近的一家咖啡館里對(duì)我說(shuō)：“讀書(shū)是一種錯(cuò)誤，了解了太多東西并不是一件好事。我就是這樣對(duì)研究流體動(dòng)力學(xué)著了迷?！?/p>

那是1 9 7 8年，馬庫(kù)斯在康奈爾大學(xué)做博士后的第一年，他的研究方向是運(yùn)用波譜方法對(duì)太陽(yáng)產(chǎn)生的對(duì)流和實(shí)驗(yàn)室里的氣流進(jìn)行數(shù)字模擬。就在此前，他想研究的是宇宙演變和廣義相對(duì)論。馬庫(kù)斯告訴我，原因是當(dāng)時(shí)存在的一種說(shuō)法，即沒(méi)有人能在他的有生之年親眼看見(jiàn)廣義相對(duì)論產(chǎn)生的結(jié)果，“這個(gè)領(lǐng)域自身就有些站不住腳，所以當(dāng)時(shí)每一個(gè)研究過(guò)廣義相對(duì)論的人都打算轉(zhuǎn)而研究其他領(lǐng)域”。

也是在這一年，“旅行者1”號(hào)開(kāi)始將木星的高空近距離圖像發(fā)回地球。馬庫(kù)斯說(shuō)，每當(dāng)自己需要放松心情、好好休息的時(shí)候，就會(huì)去天體物理學(xué)大樓旁邊的一個(gè)專門圖書(shū)館，面對(duì)“旅行者1”號(hào)發(fā)回的那張巨大紅斑的圖像感慨不已。至少是從1 6 6 5年，也就是羅伯特·胡克第一次觀測(cè)到這個(gè)紅斑風(fēng)暴的時(shí)候開(kāi)始，它就已經(jīng)在距離我們幾億千米遠(yuǎn)的地方存在了。馬庫(kù)斯對(duì)我說(shuō)：“我意識(shí)到，在天文學(xué)領(lǐng)域幾乎沒(méi)有一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)方面的專家，而我卻擅長(zhǎng)這方面。于是我想，我完全有能力著手研究這個(gè)巨大的紅斑?！?/p>

從那以后，他就再也沒(méi)有停止過(guò)對(duì)這個(gè)巨大紅斑的研究?，F(xiàn)在，他可以稱得上是研究太陽(yáng)系中這個(gè)最著名的風(fēng)暴的專家了。馬庫(kù)斯有著山地車手一樣魁梧的身材，回答我的問(wèn)題時(shí)常常揮著雙手，他認(rèn)為自己的這種熱情可以舒展笨拙的身體。他說(shuō)：“大家遠(yuǎn)遠(yuǎn)地躲著我，好像只要我進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，就會(huì)立刻破壞一切。不過(guò)幸好，我還有一些出色的實(shí)驗(yàn)員朋友?！?/p>

木星的巨大紅斑在哪些方面讓你覺(jué)得非常有吸引力？

馬庫(kù)斯：有好幾個(gè)方面。人們一直很好奇，為什么這個(gè)巨大的紅斑會(huì)存在這么長(zhǎng)時(shí)間？其實(shí)這個(gè)巨大的紅斑就是一個(gè)風(fēng)暴。我們已經(jīng)對(duì)地球上的風(fēng)暴司空見(jiàn)慣了，一般的颶風(fēng)最多會(huì)持續(xù)幾周，而且具有確定的破壞性機(jī)制：要么吹進(jìn)冰冷的水中，冷水會(huì)切斷它的動(dòng)力供應(yīng);要么掃過(guò)陸地，陸地將其動(dòng)力切斷。龍卷風(fēng)異常壯觀，卻轉(zhuǎn)瞬即逝——只能持續(xù)幾小時(shí)。那么，為什么木星上會(huì)有一個(gè)持續(xù)這么長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)暴呢？以前人們認(rèn)為這是“飄浮在山頂?shù)脑茍F(tuán)”或是“液態(tài)氫海洋中的一座冰山”。到1 9 7 9年左右，也就是“旅行者1”號(hào)和“旅行者2”號(hào)對(duì)木星進(jìn)行近距離探測(cè)時(shí)，這樣的說(shuō)法就不再有了。實(shí)際上，沒(méi)有人真正知道它是一個(gè)旋渦，是一個(gè)轉(zhuǎn)一圈大約需要6天的強(qiáng)大颶風(fēng)，幾百個(gè)美國(guó)加起來(lái)才可以和它媲美。我的意思是，它真的很大。“旅行者”號(hào)的一項(xiàng)偉大成就就是拍攝了幾百?gòu)埥M成這個(gè)紅斑的云團(tuán)圖片，所以我們才可以看見(jiàn)整個(gè)紅斑在旋轉(zhuǎn)，從而確定它就是一個(gè)旋渦。

這個(gè)巨大的紅斑是怎樣產(chǎn)生的？

馬庫(kù)斯：這個(gè)巨大紅斑產(chǎn)生的方式可能有兩種。它可能曾經(jīng)是一大團(tuán)向上飄升的羽狀流，到了平流層后就卷成筒狀，形成了旋渦。如果上升的羽狀流能夠接觸到一片真正穩(wěn)定的氣流層，它就會(huì)向外水平擴(kuò)散。如果是在一個(gè)像木星一樣旋轉(zhuǎn)速度非?？斓南到y(tǒng)里，它就會(huì)向外擴(kuò)散形成一個(gè)旋渦。另一種可能是一股噴射氣流變得不穩(wěn)定，開(kāi)始像波浪一樣振蕩。當(dāng)振幅足夠大時(shí)就會(huì)沖破阻力，形成一個(gè)個(gè)旋渦，最后合并到一起。在我看來(lái)，噴射氣流就是形成旋渦的家園。

為什么它會(huì)在木星上產(chǎn)生，而不是其他地方？

馬庫(kù)斯：在地球上，如果從海洋上空飛過(guò)，幾乎可以很確定地說(shuō)出什么時(shí)候下方會(huì)出現(xiàn)一座島嶼，因?yàn)閸u嶼的地形特征常常伴有白云，上空常有云朵飄浮。但是，木星表面不是固態(tài)結(jié)構(gòu)，它基本上就是一個(gè)氣態(tài)的球狀物，這里沒(méi)有大陸和海洋的熱力差，風(fēng)也不會(huì)受到山脈的阻擋。因?yàn)闆](méi)有一切亂七八糟的東西，所以上面的噴射氣流井然有序。一旦遇到噴射氣流，旋渦就會(huì)自然形成。相對(duì)方向吹來(lái)的風(fēng)會(huì)相互廝殺（試想一顆滾珠在兩堵反向移動(dòng)的墻面中間，墻面會(huì)使這顆

滾珠快速旋轉(zhuǎn);同樣，木星上的兩股方向相反的噴射氣流使氣流中間的空氣快速旋轉(zhuǎn)）。噴射氣流之間的旋渦排斥任何卷入的東西。如果我在浴缸里制造一個(gè)旋渦，然后擊打它，它通常就消失了;但如果我模擬木星上一個(gè)位于緯向風(fēng)帶之間的大紅斑，然后猛拍它，它會(huì)恢復(fù)原狀。因此，我認(rèn)為噴射氣流就是產(chǎn)生旋渦的家園。

是什么讓這個(gè)紅斑凝聚到一起？

馬庫(kù)斯：我猜想這個(gè)紅斑從頂部至底部有5 0千米至7 0千米， 寬度大約有2 6 0 0 0千米，這就好像一張薄餅。如果我在這個(gè)“薄餅”的中央施加高壓，就像裝在管子里的牙膏一樣，有些東西會(huì)從“薄餅”的兩側(cè)、頂部和底部噴射出來(lái)。大家知道，這個(gè)巨大紅斑的中央有一個(gè)高壓，但是它的氣體并不會(huì)從兩側(cè)水平噴出，因?yàn)樵谶@些方向上存在科里奧利力。相反，這些氣體會(huì)從頂部和底部垂直噴出。那么，是什么阻止這些氣體垂直噴射呢？我知道的唯一能夠阻止它們垂直噴射的可能就是，這個(gè)巨大紅斑的上方覆蓋著一層密集的低溫大氣，其產(chǎn)生的額外密度將大紅斑里的氣體向下壓。同時(shí)，在大紅斑的下方必定鋪著一層浮動(dòng)的高溫氣流，就是這層大氣阻止中心高壓將大紅斑里面的氣體向下壓到底部。這就是平衡。

所以我們既可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，也可以進(jìn)行解析計(jì)算?？梢栽O(shè)問(wèn)：頂部需要多大的密度，底層需要多大的浮力，才能達(dá)到這種平衡？這些旋渦狀的風(fēng)和動(dòng)能有關(guān)，這個(gè)額外的潛在能量也關(guān)系到頂部密集的低溫氣流和底部浮動(dòng)的高溫氣流。研究這個(gè)巨大紅斑的大部分同事都擔(dān)心這種動(dòng)能，而我卻說(shuō)“不會(huì)的，這種動(dòng)能只占1 6 %”。這個(gè)巨大紅斑的大部分能量，包含在頂部高度密集的低溫大氣和底部浮動(dòng)的高溫大氣擁有的潛在能量中。如果你徹夜無(wú)眠，擔(dān)心可能有什么會(huì)破壞這個(gè)巨大紅斑的話，就想想還有什么能夠破壞它的潛在能量。

為什么摩擦力至今沒(méi)有驅(qū)散紅斑？

馬庫(kù)斯： 直覺(jué)告訴我們，旋渦是不會(huì)永遠(yuǎn)存在的，總會(huì)有些帶有摩擦力的東西將其驅(qū)散。摩擦的形式很多，因此人們認(rèn)為消滅紅斑的一種非常有效的方法就是利用羅斯貝波產(chǎn)生的摩擦。羅斯貝波是大氣層中的一種波，它之所以存在是因?yàn)榇髿鈱邮且粋€(gè)快速旋轉(zhuǎn)的球狀外殼，而不是一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的水平面。這種波在氣流層中很常見(jiàn)，并且運(yùn)動(dòng)緩慢。人們認(rèn)為這個(gè)大紅斑會(huì)發(fā)射羅斯貝波，而這些羅斯貝波是帶有能量的。當(dāng)氣流層中出現(xiàn)糟糕的事情，比如兩個(gè)旋渦相撞之類的情況時(shí)，羅斯貝波就會(huì)發(fā)射出來(lái)。但是，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)旋渦一旦形成就不再發(fā)射羅斯貝波。因此，沒(méi)有證據(jù)證明羅斯貝波的輻射會(huì)消滅這個(gè)大紅斑。實(shí)際上，這可以說(shuō)是一種準(zhǔn)平衡狀態(tài)。

還有什么可以阻止它？

馬庫(kù)斯：如果想弄清楚什么可能破壞這個(gè)大紅斑，使它最終消失，那么不僅要考慮是什么東西正在破壞這種動(dòng)能，比如摩擦力，還要考慮是什么東西正在破壞這股潛在的能量。大家都知道，這股潛在能量受到破壞的一個(gè)原因被稱為“輻射平衡”。如果我讓地球大氣層的某個(gè)區(qū)域降溫，然后拿出秒表，說(shuō)：“要使這塊低溫區(qū)域升溫，并且與周圍大氣的輻射達(dá)到平衡，需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？”或者，如果我讓某個(gè)地方出現(xiàn)一個(gè)高溫點(diǎn)，然后拿出秒表，說(shuō)：“通過(guò)轉(zhuǎn)移光子和其他東西，使這個(gè)地方重新達(dá)到平衡，不再有任何表示這個(gè)高溫點(diǎn)的熱力信號(hào)，需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？”從其他科學(xué)家的計(jì)算結(jié)果中，我們知道在這個(gè)巨大紅斑所在的氣流層的位置上，高溫點(diǎn)或低溫點(diǎn)大約需要4. 5年才會(huì)消失。我們做過(guò)很多數(shù)值模擬，可以很確定地說(shuō)，如果將這種升溫和降溫的影響作用到我們用計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的紅斑上，這個(gè)巨大紅斑會(huì)在4.5年后消失。

是什么使它繼續(xù)存在？

馬庫(kù)斯：大紅斑旋轉(zhuǎn)的平均速度是每小時(shí)幾百千米，噴射氣流也是以每小時(shí)幾百千米的速度運(yùn)動(dòng)。但據(jù)估計(jì)，垂直方向上的速度是非常非常微小的，每小時(shí)只有1 0厘米左右，正因?yàn)檫@樣，它們?cè)诤艽蟪潭壬媳徽J(rèn)為是無(wú)關(guān)緊要的。但是，垂直方向上的風(fēng)會(huì)經(jīng)過(guò)大片區(qū)域，并且不斷產(chǎn)生，因此，我認(rèn)為這些風(fēng)的作用可能非常重要。在我看來(lái)，能夠破壞這個(gè)巨大紅斑的，是從底部高溫氣流中涌出轉(zhuǎn)而進(jìn)入頂部低溫氣流的熱力。這股熱力在嘗試著恢復(fù)輻射平衡。但是，盡管有這種輻射上的熱力轉(zhuǎn)移，使大紅斑繼續(xù)存在的卻是垂直方向上的微小的速度。

據(jù)粗略估計(jì)，當(dāng)風(fēng)往下吹的時(shí)候，大氣會(huì)升溫，而風(fēng)往上吹的時(shí)候，大氣就會(huì)降溫。內(nèi)部含有光子的大紅斑的熱力輻射，會(huì)試著將頂部和底部的溫度與周圍的溫度調(diào)至平衡，這往往會(huì)使頂部低溫密集的氣流升溫，熱力輻射最終會(huì)消失。如果這種情況得不到抑制，大紅斑也會(huì)隨之消亡。

但是，隨著頂部密集氣流開(kāi)始消散，壓力平衡就會(huì)被破壞。沒(méi)有了壓力平衡，大紅斑中心的高壓就會(huì)推動(dòng)氣體垂直向外運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)向頂部提供低溫氣體，使頂部重新變成密集的低溫大氣。類似的情況也會(huì)發(fā)生在大紅斑的底部，使其底部同樣重新形成高溫氣流。

當(dāng)向上運(yùn)動(dòng)的氣體穿過(guò)正在消散的頂部氣流、離開(kāi)這個(gè)大紅斑時(shí)就不再上升，而是在水平方向上被往外推到一個(gè)和這個(gè)大紅斑差不多大的地方，然后就不再向外運(yùn)動(dòng)，而是下降。這股下降的氣體將大紅斑周圍氣流中的原子和分子向下推移，大大地減少了它們的潛在能量。這股氣體最終返回大紅斑中心，完成了循環(huán)。在返程途中，它吸收了大量由大紅斑周圍氣流釋放出來(lái)的潛在能量。

正是這些大量吸收的能量，填補(bǔ)了這個(gè)巨大紅斑在熱力輻射中失去的能量，使其達(dá)到平衡。在計(jì)算機(jī)模擬中，可以測(cè)量這個(gè)大紅斑吸收和釋放的所有能量的方向和大小，整體能量達(dá)到了完美的平衡。

有了氣體的這種循環(huán)，大紅斑周圍的氣流層具有的潛在能量就能被很好地釋放。但是沒(méi)關(guān)系，因?yàn)樘?yáng)會(huì)在木星周圍重新建立輻射平衡，再次為它提供能量。所以，最終阻止這個(gè)巨大紅斑消失的就是太陽(yáng)?！费芯恳粋€(gè)遙遠(yuǎn)星球的氣流層有什么意義？馬庫(kù)斯：如果我們不清楚木星是怎樣運(yùn)行的，又怎能明白其他恒星周圍的“木星” 是如何運(yùn)動(dòng)的呢？在類太陽(yáng)系里探索類木行星是當(dāng)前的一個(gè)熱門話題，因?yàn)槲覀兿胫捞?yáng)系之外是否還有其他星球上存在生命?？茖W(xué)研究就是這樣。

現(xiàn)在，我要發(fā)句牢騷：美國(guó)航空航天局是一個(gè)非常偉大的機(jī)構(gòu)，我很感激他們給我和我的同事提供資金。但是，他們?cè)谟布稀獙⒃O(shè)備發(fā)送到太空——投入的資金，與他們?cè)诜治鰪倪@些設(shè)備上獲得的數(shù)據(jù)時(shí)投入的資金相比，是非常不平衡的?！奥眯姓摺碧?hào)3 1年前搜集到的數(shù)據(jù)至今仍有很多沒(méi)來(lái)得及分析，而且要籌到足夠的資金來(lái)檢驗(yàn)這些數(shù)據(jù)是非常非常困難的。人們會(huì)說(shuō)：“不用了，你們一定要根據(jù)新的數(shù)據(jù)，做一些新鮮刺激的事情，不用想著回頭去看那些太久以前的數(shù)據(jù)。”但是，這些舊的數(shù)據(jù)中確實(shí)有一些有價(jià)值的信息，美國(guó)航空航天局真正需要的——也是我不愿意說(shuō)的——是另一個(gè)卡爾·薩根。卡爾有本事讓人

們?nèi)バ蕾p我們發(fā)現(xiàn)的東西，去欣賞那些讓發(fā)現(xiàn)成為可能的機(jī)器。