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)，探測器無法在表面著陸。因此，從某種意義上講，我們在望遠(yuǎn)鏡中看到的木星、土星等天體，其實是它們濃密的高層大氣，其下面還有深厚的平流層、對流層等結(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、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)實驗室”。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)模巨大的行星級天氣系統(tǒng)。實際上，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稀薄，且不同緯度的天氣規(guī)律同時受到海洋、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。照此趨勢下去，大紅斑將會在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。因此大紅斑是否會在不久的將來消亡呢？

木星是太陽系八大行星的“老大哥”，個頭非常龐大，直徑相當(dāng)于11個地球，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個地球。在科里奧利力的作用下，木星云帶的移動速度也很快，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。我們在業(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，北赤道云帶向右流動。而北赤道云帶的上方是北溫帶云帶，它朝左流動，大紅斑以南的南溫帶云帶又是向右流動的。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，歷史上最早觀測到木星大紅斑的人是英國的博物學(xué)家羅伯特·胡克（Robert Hooke），他曾在1664年描述過木星上的一個斑點。不過，胡克描述的那個斑點位于木星的北半球，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，大紅斑是逆時針旋轉(zhuǎn)的，周期大約是6個地球日，或14個木星日。大紅斑東西長24000至40000千米，南北寬12000至14000千米，足以放進(jìn)兩三個地球。相較之下，地球上臺風(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”號拍攝的大黑斑

但是，木星的大紅斑與地球上臺風(fēng)的成因還不太一樣，這主要表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)方向上。地球上的臺風(fēng)是由溫度升高導(dǎo)致的一個低壓區(qū)，臺風(fēng)的外圍環(huán)流在北半球逆時針旋轉(zhuǎn)，在南半球順時針旋轉(zhuǎn)（不要問路徑跨赤道的臺風(fēng)怎么轉(zhuǎn)。臺風(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)該與地球上的臺風(fēng)一致。但是，木星南半球的大紅斑卻是一個逆時針旋轉(zhuǎn)的反氣旋風(fēng)暴。這說明大紅斑是一個由低溫導(dǎo)致的高壓區(qū)。近年來，天文學(xué)家在紅外波段對大紅斑的觀測結(jié)果也證實了這一結(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)測大紅斑將會在二三十年后銷聲匿跡。最終大紅斑會不會消亡于木星南赤道的云帶中？讀者不妨對相關(guān)的天文觀測多加關(guān)注。

海王星的大黑斑（GDS）

1989年，當(dāng)美國航空航天局的“旅行者2”號探測器飛掠海王星的時候，發(fā)現(xiàn)海王星的南半球也有一個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低溫風(fēng)暴，而是海王星大氣中的一個巨大的甲烷空洞，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，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，另一個幾乎相同的斑點又出現(xiàn)在海王星的北半球，這個新斑點被稱為北大黑斑（NGDS），被天文學(xué)家持續(xù)觀測了數(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）因流動速度不同，也就是垂直切變引發(fā)的KH不穩(wěn)定性。

事實上，在地球的云層中也可以生成類似的KH波，只是比較罕見。英國賞云協(xié)會的會長加文·普雷特-平尼（Gavin Pretor-Pinney）曾出版過一本小冊子叫《云彩收集者手冊》，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得快，就會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)時間都不會超過一兩分鐘。因此，在純粹的運氣之外，它還要求觀云者對天空有敏銳的觀察力。

筆者用計算機(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)在電腦上自動生成一個理想的KH波，然后觀察它隨時間的演化。筆者就使用有限體積法在一臺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，在兩個交界面上產(chǎn)生了KH波。可以看到，計算機(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，美國航空航天局的“旅行者1”號探測器飛掠土星的時候，在土星北極區(qū)意外地發(fā)現(xiàn)了一個巨大而規(guī)則的六邊形風(fēng)暴。2006年，“卡西尼”號攜帶的“惠更斯”探測器再度造訪土星，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（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。不過令人費解的是，土星的南極點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附近，風(fēng)暴范圍一直延伸至北緯78°附近。六邊形的邊長達(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。

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

對于外形如此規(guī)則的巨大風(fēng)暴，它的成因自然是人們感興趣的。一個來自牛津大學(xué)的研究小組曾利用一臺旋轉(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)鏡的觀測能延續(xù)“卡西尼”探測器的“未竟之志”，繼續(xù)探索六邊形風(fēng)暴的未解之謎。