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《科学24小时》

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太阳系的风暴世界

2014-10-31 17:05:52

假如木星上有天气预报,而你恰好居住在木星大红斑的旁边,那你听到的天气预报便可能是这样的:“预计风暴将持续几百年,风速每小时550 千米。”

 

太阳系的风暴世界


天然实验室

木星是太阳系最大的行星,看上去像一只彩绘的盘子,上面有与赤道平行的白色、黄色、红褐色的条纹和暗红色的斑块。最大的斑块位于木星的南半球,模样像一只红色的眼睛,直径接近地球的2 倍。其实这个被人们称为“大红斑”的斑块,是太阳系中已知的最大风暴。自1665 年卡西尼描述了它的存在以来,它便一直在那里,也就是说,这场风暴至少已经持续了大约350 年。它还要存在多长时间?这一直是一个不断被争论的话题。近来有人声称,这个大红斑还将存在800 年。在太阳系中,风暴并不是木星的特产,其他星球也有。假如你有机会穿越金星的大气层,便会遭遇每秒100 米的强风,可能还会遇到闪电。在火星上,风暴时常裹挟着沙砾铺天而来。海王星上的风甚至达到了每小时1400 千米,和这种风比起来,地球上最强劲的飓风也只能算拂面的微风而已。气象学家仅仅研究地球上的天气,而行星科学家则关注地球以外的其他星球,那里的天气才是他们研究的对象。这种研究对地球而言同样意义重大,它提供了与地球有关的种种答案,如地球的气候会如何发展,气候变暖会带来怎样的后果等。从这个意义上说,每个星球都是一座天然的实验室,它们显示了地球在各种情况下可能出现的状态。毫无疑问,地球以外的其他星球为我们研究风提供了别样的“实验室”。

 

穿越大气层

气候和风只存在于有大气层的星球上,在太阳系中,这样的星球至少有12个。科学家们在太阳、多数行星和三颗卫星上发现了大气层。当然,风驱动它们的天气系统是需要能量的。在地球上,这种能量来自太阳,太阳加热了一些气团,而另一些气团则依然较冷,于是较热的气团便流向较冷的气团,这就形成了风。在太阳系中,地球离太阳不算遥远,而更远的星球从太阳那里得到的能量就少,按此推算,科学家们起先认为,这样的星球不可能产生比地球上更为强劲的风。然而,当人们把一些探测器发射到了这些星球上时,他们惊呆了。要探测其他星球上的风,科学家们需要将一些探测装置扔进这些星球的大气层中。假如一个星球上没有风,探测器会在引力的作用下垂直下落。假如探测器发生了偏斜,就表明探测器遇到了风,科学家们据此可以估算出风的速度和方向。使用这种方法,人们在金星、木星以及土星的卫星——土卫六的云层中都发现了风。使用上述方法和其他技术,科学家们还探测到,在木星的上层大气中,风速约为每小时320千米,土星上层大气的风速约为每小时1290 千米,海王星上层大气的风速约为每小时1450 千米。然而,尽管地球和火星离太阳比木星、土星和海王星都近,但其上层大气的平均风速却仅为每小时96 千米。


和地球不一样

海王星距离太阳如此遥远,从那里看,太阳只是一颗明亮的星星而已,然而那里的风却刮得如此猛烈,这真是令人费解。美国路易维尔大学的行星科学家蒂莫斯·道灵感叹道:“这种现象和我们已知的常识发生了令人惊讶的矛盾。”

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然而,风的谜团还不是仅此一桩。在地球上,你站得越高,风便越大,因而飞机遭遇的风比汽车大,山顶上的风比草原上的大,这种情况在金星和火星上也一样。然而在土卫六上,情况则发生了变化。2005 年,当土星探测器“卡西尼号”把一个子探测器“惠更斯号”投向土卫六的大气中时,虽在上层大气中发现了最强劲的风,但随着降落,它却感知不到风的存在了。当探测器在大气层中下降到一半时,强风又开始了,而接近地面时,风又停息了。这种奇怪的现象在木星上也有。科学家们发现,木星最强劲的风并不存在于大气层的顶端,而是在大气层的底部。对于这种现象,有一种解释是,那里的热量更多地来自于星球本身,它由内而外影响着星球的气候,同时也驱动着那里的风。


狂怒的风暴旋

随着观测技术的提高,人们发现在太阳系中,类似木星大红斑的风暴并不是孤立的,天王星和海王星都有暗斑,土星则有巨大的白斑,它们同样都是庞大的旋转着的风暴系统。2006 年秋天,“卡西尼号”在土星南极附近拍摄到一个狂怒的风暴旋,和大白斑不同的是,这个风暴有一个明显的中心,一个“风暴眼”。风暴眼的内壁是一堵由云层组成的“墙”,它的形态和地球上的飓风很相似,但却比地球的飓风大好多倍,这是人们首次在地球以外的行星上看到了一个与地球飓风如此相似的风暴。然而,最令人惊讶的风暴依然还是木星上的大红斑。大红斑的颜色至今还是个谜。有人认为,它的红色来自于木星大气中的红硫化物,但也有人认为它是某种环境变化导致的结果,可能与温度的变化很有关系。另一个谜题是,大红斑怎么能存在这么长的时间,它还会持续多久呢?几十年来,科学家们都在寻求答案。2013 11 月,美国加利福尼亚大学菲利普·马库斯等两位物理学家发表了他们的最新研究成果。他们的研究方式是使用数学运算和电脑模拟,在大红斑中“引入”了垂直流动的气流。这看上去有些匪夷所思,但这两位科学家坦言,只有这样才有可能解释为什么大红斑会存在这么长的时间。

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长命大红斑

一个风暴系统要持续存在,就必须不断地得到能量的补充。在土星、木星和地球上,大气中的喷流常常发展成旋流,地球上的龙卷风便是其中的一种,大红斑也是,只不过它比地球上的龙卷风大得多而已。天文学家们曾经认为,大红斑是靠“吞噬”从喷流中甩出的较小旋流而获得能量的。然而研究表明,如果仅是这样,大红斑便不足以维持很长时间,所以许多人认为,木星大红斑要消失了。然而,2013 11 月,美国加利福尼亚大学菲利普·马库斯等两位物理学家发表了他们的最新研究成果。他们的研究方式是使用数学运算和电脑模拟,在大红斑中“引入”了垂直流动的气流。这看上去有些匪夷所思,但这两位科学家坦言,只有这样才有可能解释为什么大红斑会存在这么长的时间。当马库斯等人引入了垂直流动的气流后,气流便从大红斑的顶部和底部流出来,它们“吞噬”附近的喷流,再进入到大红斑中,如此循环往复着。由于垂直流动的气流不断地把大红斑上面的热气流和下面的冷气流重新带入大红斑中,而且附近的旋流也不断地被这种运动带入了大红斑,因而大红斑就能持续地得到能量。按照这两位科学家的说法,大红斑还将持续800 年。不过哈勃太空望远镜的最新观测显示,这个大红斑确实在缩小了。原因究竟是什么?我们还不得而知。星球上的风暴世界一直是人们最感兴趣的话题之一,还有很多谜题等待着人们去破解。科学家们希望通过破解这些谜题,来帮助人们解释更多的天气现象。这些研究有助于人们预测地球上的风暴、干旱和其他气象灾害。此外,地球的命运同样牵动着人们的心弦。地球会像金星一样变得炙热如火吗?还是像火星一样变得异常寒冷呢?要回答这些问题,人们也需要关注太阳系的风暴世界。


名词解释

大白斑:土星上的一种大气现象,又称大白椭圆,是一个与木星上的大红斑相对应的比喻名称。它是一种在土星上周期性出现的典型白色斑点,直径可以达到数千公里宽,已经大到足以从地球上用小望远镜就看得见的地步。

喷流:天体附近喷射出的定向、狭长、准直、高速的物质流。它与吸积过程相伴,孪生于不同层次的天体系统,常见于类星体、射电星系、微类星体及年轻恒星(原恒星和主序前恒星)之中。



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