木星是暴风雨的花园

一世“阅读总是错误的，”加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)机械工程系教授、计算物理学家菲利普·马库斯(Philip Marcus)在校园附近的一家咖啡店对我说。“你学的东西太多了。这就是为什么我对流体动力学如此着迷。”

那是1978年，马库斯在康奈尔大学攻读博士后的第一年，他专注于利用光谱方法对太阳对流和实验室流动进行数值模拟。但他想研究宇宙演化和广义相对论；正如马库斯告诉我的那样，问题在于没有人在他们的有生之年看到广义相对论的结果。结果，“这个领域有点崩溃了，所以广义相对论中的每个人都去了其他领域。”

他从未停止过。今天，他是太阳系最著名风暴的专家。他长着山地自行车运动员的身材，用动画回答了我的问题，经常挥手来澄清自己的想法。他承认自己的这种精力会助长笨拙。“人们对我持怀疑态度，”他说。“如果我走进一个实验室，我会立刻打破一切。”谢天谢地，他解释道，“我很幸运有一些很棒的朋友，他们都是实验家。”

木星的大红斑有什么吸引人的地方？

有几件事。人们早就想知道，为什么大红斑已经存在这么长时间了？大红斑是一场风暴，我们已经习惯了地球上的风暴。平均飓风最多持续几周，它有一个明确的破坏机制：它要么进入冷水，切断燃料供应，要么越过陆地，真正切断燃料供应。龙卷风给人留下了深刻的印象，但它们非常短暂，只持续几个小时。那么，为什么我们会有一个持续时间如此之长的大红斑呢？人们过去常说，“哦，这是悬在山顶上的云。”或者“这是氢海里的冰山。”这些理论几乎在1979年左右就停止了，当时旅行者1号和2号飞越了这颗行星。没有人真正知道这是一个漩涡，一个巨大的飓风，一次旋转大约需要六天。美国将数百次地进入红点。我是说，它真的很大。旅行者号任务的一个伟大之处是，他们拍摄了数百张构成红点的云层的照片，这样我们最终可以看到整个云层在旋转，这就是为什么我们确定这是一个漩涡。没人知道它真的在旋转。

这个好地方是怎么开始的？

大红斑可能是以两种方式之一开始的:它可能是一股巨大的向上的羽流，撞击平流层并卷起形成一个漩涡。如果上升的羽流能够到达大气中非常稳定的部分，它就会水平向外扩散，当它开始扩散时，如果它在一个像木星那样快速旋转的系统中，扩散就会产生一个漩涡。另一种可能性是，急流变得不稳定，并开始了波浪振荡，当波浪的振幅足够大时，它就破裂了，形成漩涡，然后合并在一起。

我把喷射气流看作是滋生漩涡的花园。

为什么它是从木星而不是其他地方开始的?

在地球上，如果你飞过海洋，你几乎可以肯定会告诉你什么时候有一个岛屿，因为悬挂着顶级的云，经常把云挂在云上。但是木星上没有固体表面，直到你陷入一个非常小的核心。它基本上是流体球。在大陆和海洋之间，您没有差别加热。你没有被山脉打扰的风。你没有那些凌乱的东西，所以它有一个非常好的杂交杂志。一旦你有喷射流，涡流就会自然形成。你有风朝着相反的方向，互相剪切。想想两个相对移动的墙壁之间的滚珠轴承。墙壁使滚珠轴承旋转，并在木质器上移动射流流使它们之间的空气旋转。 Vortices between jet streams are resistant to anything smashing into them. If I create a vortex in a bathtub and I smash it, the vortex is generally gone. If I do a simulation of a big Red Spot on Jupiter sitting between zonal winds and I smack it, try and break it in two, it’ll come back together. So I think of jet streams as gardens in which you want to grow vortices.

是什么让现场保持在一起？

我推测这个红斑从上到下，大概有50到70公里高。从一边到另一边，大约有26000公里。这是一个煎饼。就像一管牙膏一样，如果我在煎饼中心用高压压扁它，就会有东西从侧面、顶部和底部喷出来。众所周知，大红斑的中心气压很高，但由于科里奥利力的作用，它的气体并没有从两侧水平喷射出来，而是从顶部和底部垂直喷射出来。那么，什么可以阻止气体垂直喷射呢?我所知道的唯一防止这种情况发生的方法是，如果大红斑的顶部有一个稠密的寒冷的大气盖在上面。正是这额外的密度将大红斑中的气体推了回去。而且，在大红斑的下方，一定有一个温暖的浮力层大气层，这个层防止了高气压中心将大红斑中的气体向下推到底部外。这就是平衡。

你可以同时做数值和解析计算然后说，我需要多大密度的盖子?要达到这个平衡，地板需要有多大的浮力?”涡旋的风产生了动能，但它上面又冷又密的盖子和下面又热又浮的地板也产生了额外的势能。当我大多数研究大红斑的同事都在担心动能时，我说，“不，不，不，伙计们:那只是它的16%。”大红斑的大部分能量是在高密度的冷盖和温暖的浮地板的势能中。如果你想整夜无眠，担心什么会攻击大红斑，想想什么会攻击它的势能。

为什么没有摩擦消散了现场？

我们的直觉告诉我们，漩涡不会永远持续下去，总有一些摩擦的东西在消散它。摩擦可以有多种形式，因此人们认为破坏红点的一种非常积极的方式是罗斯比波的摩擦。Rossby波是大气中存在的一种波，因为大气是一个旋转的球壳，而不是一个旋转的平面，它们在大气中很常见，并且移动缓慢。人们认为红点会辐射出罗斯比波，这些罗斯比波会携带能量。当大气中突然发生可怕的事情时，比如当两个漩涡发生碰撞或其他事情时，你会看到Rossby波出现。但一般来说，一旦一个漩涡建立起来，它就会关闭广播的罗斯比波，因此没有证据表明罗斯比波的辐射试图破坏红点，而红点实际上处于相当准平衡的状态。

还有什么能阻止它？

如果您想调查什么可能攻击红点并使它消失，您不仅必须担心攻击动能，如摩擦;你也必须担心一些事实证明更重要的事情 - 什么是攻击潜在的能源。潜在能量受到攻击的众所周知的原因：它被称为“辐射平衡”。如果我要冷却地球的一个地区的大气层，我可以拔出我的秒表并说“好的，那个凉爽的地区要加热多长时间并与周围的气氛变得散热均衡？”Or, if I made a little hot spot somewhere, I could pull out my stopwatch and say, “Okay, how long does it take, by transferring photons and other things, to re-establish equilibrium so there’s no thermal signature anymore of my hot spot?” We know from calculations by other scientists, that at the location in the atmosphere where the Great Red Spot sits, the time for hot or cool spots to disappear is about 4½ years, so that extra warmth or that extra coolness would by then be indistinguishable—gone completely. So we did a lot of numerical simulations and sure enough if you put that effect of warming and cooling into our computer model of the Red Spot, the Great Red Spot just disappears in 4½ years.

什么让它到了？

该点周围的平均速度约为每小时几百英里。喷射气流的速度也在每小时几百英里左右。但是垂直速度的估计值非常非常小。它们的大小是英寸每小时，而不是几百英里每小时，因此，它们在很大程度上被认为不重要。但是垂直风在一个大的区域内不断地发生，因此我们认为它们非常重要。我们认为，试图破坏大红斑的是热量，它被转移到冷的顶部，并从温暖的底部转移出来，试图恢复辐射平衡。但我们认为，尽管存在这种辐射热传递，大红斑仍然存在的原因是它的垂直速度很小。

有一条经验法则，当风下降时，它们变得温暖，但当风上升时，它们变得寒冷。大红斑内的光子热辐射试图平衡其盖子和地板与周围大气的温度。这会使冰冷、致密的盖子变得更热，最终会消失，破坏大红斑。

如果我们不知道木星在我们自己的太阳系是如何工作的，那我们又怎么能弄清楚木星在其他太阳周围是如何工作的呢?

但随着沉重的盖子开始消散，压力平衡就失去了。失去平衡后，大红斑中心的高压将气体垂直向外推过被削弱的盖子。根据我们的经验法则，当风上升时，它会冷却下来，并向盖子补充冷空气，使盖子重新成为一个凉爽、沉重的盖子。一个类似的过程发生在大红斑的底部，反过来在热辐射试图破坏的底部重建温暖的地面。

此外，通过消散盖向上移动的气体进入大红斑外部，最终停止上升，并被水平向外推过一个与大红斑面积相比非常大的区域。然后它停止向外移动并下降。这种下降的气体将围绕着大红斑的大气中的原子和分子向下推，大大降低了它们的势能。最后，气体回到大红斑的中心，完成了它的旅程。在最后一次回家时，这种气体收集了从红点周围大气中释放出来的潜在能量。

这种能量的获取是平衡大红斑能量从热辐射中损失的原因。在计算机模拟中，你可以测量所有进入和离开大红斑的能量的方向和大小，整个能量预算平衡得很好。由于气体的循环，在大红斑周围的大气中有大量的势能被消耗，但这没关系，因为太阳在周围区域重新建立了辐射平衡，重新提供了能量。因此，最终，阻止大红斑被破坏的能量来源是太阳。

研究一颗遥远星球的大气层有什么价值?

如果我们不知道木星在我们自己的太阳系是如何工作的，那我们又怎么能弄清楚木星在其他太阳周围是如何工作的呢?在其他太阳系中寻找木星是一个非常热门的话题，因为我们想知道是否有其他行星，以及这些行星是否可能存在生命。你必须从研究其他恒星周围的行星开始，你必须犯愚蠢的错误。田野就是这样开始的。

现在我要提出一个抱怨：NASA是一个很棒的组织，我感谢NASA为我和我的理论家同事提供的资金。但是他们花在硬件上的钱与他们花在分析从这些东西上获得的数据上的钱相比是非常不平衡的。31年前收集的旅行者号旅行的大量数据仍然没有得到分析，要获得资金对其进行检查是非常非常困难的。人们会说，“哦，不，你必须用新数据做一些新的和令人兴奋的事情！你不想回头看那些太旧的数据。”但是那里有一些东西真的很有价值！在国会销售的是硬件。每个人都喜欢硬件。NASA真正需要的是——我不想说这是另一个卡尔·萨根。卡尔有一种让人们欣赏我们发现的东西以及使这些发现成为可能的机器的本领。

布莱恩·加拉赫是一名实习编辑鹦鹉螺. @布里安斯科特

由NASA/喷气推进实验室拍摄的照片。这张木星的照片是由旅行者1号拍摄的。它是用三张黑白底片拼成的。