木星的大红斑是一个至少存在了190年的巨大漩涡。最近的研究表明，它与早期观测到的斑点不同，模拟研究探讨了木星的风如何塑造它。大红斑一直在缩小，未来的研究将侧重于其可持续性以及未来可能的解体。

木星的大红斑（GRS）是太阳系中最具标志性的特征之一。这个巨大的大气结构目前的直径与地球相当，其醒目的红色色调与木星苍白的云层顶部形成鲜明对比，因此很容易被识别出来。即使是小型望远镜也能捕捉到它独特的外观。GRS是一个巨大的反气旋涡旋，其外部边缘的风速达到每小时450公里。它拥有太阳系中任何行星大气层中最大、持续时间最长的涡旋的称号。然而，GRS的确切年龄仍在争论中，其形成背后的过程仍是一个谜。

对GRS起源的推测可以追溯到天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼所做的首次望远镜观测，他于1665年在GRS所在的纬度发现了一个暗椭圆，并将其命名为“永久斑”(PS)，因为他和其他天文学家都观测到了它，直到1713年。

随后，它的踪迹消失了118年，直到1831年及以后，S. Schwabe才再次观察到一个清晰的结构，该结构大致呈椭圆形，与GRS处于同一纬度；这可以视为当前GRS的首次观测，也许是一个新生的GRS。自那时以来，GRS一直被望远镜和各种太空任务定期观测，这些太空任务一直持续到今天。

分析GRS的演变

在这项研究中，作者首先分析了其大小随时间的变化、其结构以及气象构造（即前极涡和巨大红色斑点）的运动；为此，他们使用了可以追溯到17世纪中期的历史资料，即望远镜发明后不久的资料。

“根据大小和运动的测量结果，我们推断出目前的大红斑（GRS）几乎不可能是G.D.卡西尼观测到的那个。这个大红斑很可能在18世纪中期至19世纪之间的某个时间消失了，如果是这样的话，我们可以说现在的大红斑的寿命至少超过了190年，”巴斯克大学物理系教授兼此次研究负责人阿古斯丁·桑切斯-拉韦加（Agustín Sánchez-Lavega）解释说。1879年，大红斑在其最长轴上的长度为39,000公里，现在已经缩小到大约14,000公里，并且同时变得更加圆润。

最新发现和模拟研究

此外，自20世纪70年代以来，几次太空任务都对该气象现象进行了深入研究。最近，“朱诺号”木星探测任务中携带的各种仪器表明，与水平方向相比，大红斑很浅很薄，垂直方向长度约为500公里，”桑切斯-拉维加解释说。

为了找出这个巨大的漩涡是如何形成的，UPV/EHU和UPC团队在西班牙超级计算机上进行了数值模拟，例如西班牙超级计算网络（RES）中的BSC的MareNostrum IV，他们使用了两种互补的模型来模拟木星大气中薄涡旋的行为。这颗巨行星上盛行着强烈的沿纬线方向交替的风流。在大红斑（GRS）的北部，风速达到每小时180公里，风向西吹；而在南部，风速为每小时150公里，风向东吹。这导致风速在南北方向上产生了巨大的剪切力，这是漩涡在其内部增长的基本条件。

在这项研究中，探索了一系列机制来解释GRS的起源，包括类似在土星这样的双星上很少观测到的巨大超级风暴的爆发，或由风切变产生的多个较小涡旋的合并。研究结果表明，尽管在这两种情况下都形成了反气旋，但它们的形状和动力学特性与现有的GRS不同。“我们还认为，如果这些不寻常现象之一发生了，天文学家们当时肯定已经观测到并报告了它或其在大气中的后果，”Sánchez-Lavega说。

数值模拟与未来研究

在第三组数值实验中，研究团队探索了GRS（大红斑）的生成，这是由风中的已知不稳定性引起的，这种不稳定性被认为能够产生一个细长的细胞，将其包围并困住。这样的细胞将是GRS的原型，即新生的红斑，其随后的收缩将产生19世纪末观测到的紧凑且快速旋转的GRS。在其他主要木星涡旋的生成过程中，已经观察到了大型细长细胞的形成。

“在我们的模拟中，超级计算机使我们发现，当它们以木星风的速度绕GRS外围旋转时，这些细长的细胞是稳定的，就像它们由于这种不稳定性而形成时预期的那样，”UPC物理系研究员恩里克·加西亚·梅伦多表示。研究人员使用了两种不同类型的数值模型，一种在UPV/EHU，另一种在UPC，他们得出结论：如果原始GRS的旋转速度低于周围的风速，原始GRS将分裂，使得形成稳定的涡旋变得不可能。而如果它的速度非常高，那么原始GRS的性质将不同于当前的GRS。

未来的研究将致力于尝试再现GRS随时间的收缩情况，以便更详细地找出其随时间变化的物理机制。同时，它还将试图预测GRS在达到尺寸极限时是否会像卡西尼的PS那样分解并消失，还是会在尺寸极限时稳定下来，从而持续许多年。

参考：“木星大红斑的起源”由阿古斯丁·桑切斯-拉维加、恩里克·加西亚-梅伦多、乔恩·莱加雷塔、阿尔瑙·米罗、马内尔·索里亚和凯文·阿伦斯-韦拉斯克斯于2024年6月16日在《地球物理研究快报》上发表。DOI: 10.1029/2024GL108993