木星的无尽风暴

P.你可能会说，希利普·马库斯痴迷于太阳系最著名的风暴。这位加州大学伯克利分校机械工程系的计算物理学家和教授，自20世纪70年代末旅行者1号开始将木星的近距离图像发回地球以来，一直在探索木星的大红斑——一个巨大的、不间断的飓风，需要6天才能完全旋转。

在本月底在西雅图，在美国物理社会的年度会议上，Marcus将解决重复的报告，即伟大的红点正在死亡。自去春天以来的观察，暴风雨的红云似乎表明了它的消亡。马库斯并不相信。他告诉他鹦鹉螺最近，“斑点是。不是死亡。”

你觉得什么是令人着迷的木星的伟大红斑？

几件事情。人们一直想知道，为什么大红斑存在了这么长时间?大红斑是一场风暴，我们在地球上已经习惯了风暴。飓风一般最多持续几个星期，而且它有一个明确的破坏机制:它要么进入冷水中，从而切断燃料供应，要么经过陆地，从而真正切断燃料供应。龙卷风令人印象深刻，但它们非常短暂——只持续几个小时。那么为什么大红斑会持续这么长时间呢?人们过去常说:“哦，那是山顶上的云。”或者“它是氢海洋中的冰山。”1979年，当旅行者1号和2号飞过这颗行星时，这些理论基本上停止了。没有人真正知道这是一个漩涡，一个巨大的飓风，一次旋转需要六天。 The United States would fit into the Red Spot a couple of hundred times. I mean, it’s really huge. One of the great things about the Voyager missions was that they took hundreds of pictures of the clouds that make up the Red Spot, so we could finally see the whole thing swirling around, and that’s how we knew for sure it was a vortex. Nobody knew it was really spinning.

什么让它到了？

绕着这个点的平均速度大约是每小时几百英里。喷射气流的速度也在每小时几百英里左右。但是竖直速度的估计非常非常小。它们的速度是每小时英寸，而不是每小时几百英里，正因为如此，它们在很大程度上被认为不重要。但是垂直风的范围很大而且持续不断，因此我们认为垂直风非常重要。我们认为，试图破坏大红斑的是热量从温暖的底部转移到较冷的顶部，试图恢复辐射平衡。但我们认为，尽管有辐射热传递，大红斑仍然存活的原因是这个小的垂直速度。

有一条经验法则，当风减弱时，它们会变暖，但当风上升时，它们会变冷。大红斑内部的光子热辐射试图使其顶部和底部的温度与周围的大气保持平衡。这将使寒冷而致密的盖子变热，最终消失，摧毁大红斑。

如果我们不明白木星如何在我们自己的太阳系中工作，我们怎样才能弄清楚其他太阳的Jupiters如何工作？

但随着重的盖子开始消散，压力平衡丢失。平衡损失随后允许大红点中心的高压，以通过弱化盖子垂直向外推动气体。随着风升起，它会冷却，由于我们的拇指规则，并将冷空气重新悬挂到盖子上，将其重新建立为凉爽的重盖子。一个类似的过程发生在伟大的红点的地板上，反过来重新建立热辐射试图破坏的底部的温暖地板。

此外，通过散热盖的向上移动气体远离红斑之外，最终停止上升，并且与伟大的红点面积相比，水平向外推动。然后它停止向外移动并下降。降水的气体推动大气的原子和分子向下围绕着伟大的红色点，大大降低了它们的潜在能量。最后，气体通过向大红点的中心回到家来完成其旅程。在最终回归之旅回家中，燃气收获了从围绕着红斑的大气中解放的潜在能量。

这种能量的收获是平衡了从热辐射中损失了大红点的能量。在计算机仿真中，您可以实际测量进出伟大红点的所有能量的方向和幅度，并且整个能源预算非常良好。由于这种气体循环，所以在围绕着伟大的红点的地区的氛围中，您在大气中获得了这种巨大的潜在能量。但是，因为太阳在那个周边地区重新建立了辐射平衡并重新供应其能量。所以，最终，阻止摧毁伟大红斑的能量来源是太阳。

Great Spot是怎么开始的?

伟大的红点可能是两种方式之一：它可能是一个大，向上的羽流，击中平流层，卷起以产生漩涡。如果一个升高的羽流可以向上伸出到一部分真正稳定的大气中，它将水平向外传播，并且当它开始散开时，如果它在像木星这样的真正迅速旋转的系统中，则散布产生涡流。另一种可能性是喷射流不稳定并开始了波浪振荡，并且当波浪的幅度足够大时，它破裂，使得涡流随后合并在一起。

为什么它在木星开始而不是其他地方？

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.

如果你想花眠之夜担心什么可以攻击伟大的红点，想想什么可以攻击其潜在的能量。

是什么让斑点在物理上保持在一起?

我猜测红点是从上到下的，在50到70公里之间的某个地方。从一边到一侧，它约为26,000公里。所以这是一个煎饼。就像一根牙膏管一样，如果我在其中心用高压煎饼，就会采用侧面和顶部和底部的东西。众所周知，伟大的红点在其中心具有高压，但由于在这些方向上的科里奥利力，它的气体不会从其侧面水平喷射 - 而是从顶部和底部垂直喷出。那么，可以防止气体垂直喷射？我知道防止这是唯一的伟大红点的顶部在它上方的致密唇盖。这是额外的密度，将气体推回来。而且，在伟大的红点之下，必须有一个温暖的大气层，该地板防止高压中心向下和底部向下推动大红色点的气体。这是平衡。

所以你可以做数字和分析计算并说“嗯，我需要盖子的程度如何？地板需要如何达到均衡？“有与涡旋风相关的动能，但也存在与它上方的冷致密盖子相关的这种额外的潜在能量以及下面的浮力暖楼。虽然我学习伟大红斑的大多数同事都担心动能，我就像，“不，不，不，伙计：那只是它的16％。”大红点的大多数能量都处于高密度冷盖和温暖的浮力地板的潜在能量。如果你想花眠之夜担心什么可以攻击伟大的红点，想想什么可以攻击其潜在的能量。

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，总会有摩擦的东西消散它。摩擦有很多种形式，人们认为破坏红斑的一种很活跃的方式就是罗斯比波的摩擦。罗斯比波是大气中的一种波它的存在是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。人们认为红斑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，比如当两个漩涡碰撞或其他什么时，你会看到罗斯比波。但一般来说，一旦涡流形成，它就会停止传播罗斯比波，所以没有证据表明罗斯比波的辐射试图破坏红斑，而红斑实际上处于一种相当准平衡的状态。

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.

研究一个遥远的星球大气的价值是什么？

如果我们不明白木星如何在我们自己的太阳系中工作，我们怎样才能弄清楚其他太阳的Jupiters如何工作？在其他太阳系中寻找Jupiters是一个非常热门的话题，因为我们想知道那里还有其他行星，如果那些其他星球可以留下生命。你必须在围绕我们的太阳以外的星星周围的某个地方开始，你必须制作愚蠢的错误。这就是字段的启动方式。

现在我要提出投诉：美国宇航局是一个精彩的组织，我很感谢美国宇航局为他们和我的世界主义者提供的资金。但他们在硬件上花费的金额达到空间，与他们花费的金额相比分析他们从这些东西中获得的数据非常不平衡。31年前收集的Voyager旅行中有大量的数据仍未分明，并获得资金来检查它们是非常非常困难的。人们去，“哦不，你必须用新数据做一些新的和令人兴奋的事情！你不想回去看看那么旧的数据。“但是那里有东西真的很有价值！国会出售的是硬件。每个人都喜欢硬件。美国国家航空航天局真的需要 - 我讨厌这么说 - 是另一个Carl Sagan。Carl有一个诀窍让人们欣赏我们所发现的东西以及使得发现可能的机器。

布莱恩加拉格尔是《浪漫的事实》的编辑鹦鹉螺博客。在推特上关注他@BSGallagher。

NASA / JPL的铅照片。Jupiter的这种形象被Voyager 1捕获。它是由三个黑白底片组装的。

本文最初发表在我们的《慢》杂志上“2015年3月号。