我“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博士后研究的第一年，研究方向是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;马库斯告诉我，问题在于，有人说没人能在有生之年看到广义相对论的结果。结果是，“这个领域有点自我瓦解了，所以从广义相对论到其他领域的所有人都在研究。”
也是在1978年，旅行者1号开始将木星的近距离图像发回地球。马库斯说，当他需要“放松，放松，随便什么”时，他会走到天体物理学大楼旁边的一个特殊图书馆，惊叹于旅行者号拍摄的大红斑的照片。至少从1665年罗伯特·胡克(Robert Hooke)首次观测到风暴以来，它就在数亿英里外肆虐。“我意识到，在天文学领域，几乎没有人受过流体动力学的训练，而我就是，”他告诉我。“我说，好吧，我和其他人一样可以开始研究这个。”
他从未停止过。今天，他算是太阳系最著名风暴的专家。他有着山地车手的身材，用动画的方式回答我的问题，经常挥舞双手阐明他的概念。他承认他的这种精力会助长他的笨拙。“人们对我持怀疑态度，”他说。“如果我走进实验室，我会立刻打破一切。”值得庆幸的是，他解释道，“我很幸运有一些很棒的朋友，他们都是实验学家。”
你觉得木星的大红斑有什么迷人之处?
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.
Great Spot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，你几乎可以肯定地知道你下面什么时候有一个岛屿，因为有一朵云挂在顶部的地形特征上，经常把云固定在自己身上。但是木星上没有固体表面，除非你深入到一个非常小的核心。它基本上是一个液体球。大陆和海洋之间没有热量差异。没有风被山脉打断。你没有那些乱七八糟的东西，所以它有一组非常有组织的喷射流。一旦有了喷射气流，漩涡就会自然形成。相反方向的风，相互剪切。想象一个滚珠在两个相反移动的墙壁之间。壁面使滚珠轴承旋转，而木星上反向移动的喷射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.
是什么让斑点在物理上保持在一起?
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。
为什么摩擦没有驱散斑点?
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?
如果你想研究是什么攻击红斑并让它消失，你不仅要担心攻击动能的是什么，比如摩擦;你还得担心一些更重要的东西，是什么破坏了势能。势能受到攻击有一个众所周知的原因:它被称为“辐射平衡”。如果我要冷却地球大气层的一个区域，我可以拿出我的秒表，然后说，“好吧，那个凉爽的区域需要多长时间变暖，并与周围的大气达到辐射平衡?”或者，如果我在某个地方制造了一个小热点，我可以拿出我的秒表，然后说，“好的，通过传输光子和其他东西，需要多长时间来重新建立平衡，使热点不再有热信号?”我们从其他科学家的计算中得知，在大红斑所在的大气层中，热点或冷点消失的时间大约是4年半，所以到那时，额外的温暖或额外的凉爽将无法区分——完全消失。所以我们做了很多数值模拟，可以肯定的是，如果你把变暖和变冷的影响放入我们的红斑计算机模型中，大红斑会在4年半的时间里消失。
是什么让它继续发展下去?
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。由于失去平衡，大红斑中心的高压将气体垂直向外推，使其穿过被削弱的盖子。根据我们的经验，当风上升时，它就会冷却，并将冷空气重新供应到盖子，使其重新成为一个又冷又重的盖子。类似的过程也发生在大红斑的底部，反过来又重新建立了热辐射试图破坏的温暖的底部。
此外，向上移动的气体通过消散盖进入大红斑之外，最终停止上升，并被水平向外推到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。下降的气体推动大红斑周围的大气原子和分子向下，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。在它最后一次返回地球时，这些气体收集了从红斑周围的大气中释放出来的潜在能量。
这些能量的收获平衡了大红斑因热辐射而损失的能量。在计算机模拟中，你可以测量所有进出大红斑的能量的方向和大小，整个能量收支平衡得很好。在大红斑周围的大气中由于这种气体循环，会有大量的势能流失，但没关系，因为太阳在周围区域重新建立了辐射平衡并重新提供能量。所以，最终，阻止大红斑被摧毁的能量来源是太阳。
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。
现在我要抱怨一下:NASA是一个很棒的组织，我很感激NASA给我和我的理论伙伴提供的资金。但是他们花在硬件上的钱——把东西送上太空，与他们花在分析从这些东西中获得的数据上的钱相比是非常不平衡的。31年前“旅行者”号收集的大量数据至今仍未分析，要获得资金来检查它们是非常非常困难的。人们会说:“哦，不，你必须用新数据做一些新的、令人兴奋的事情!”你不会想回头去看这么老的数据。”但那里有真正有价值的东西!在国会热销的是硬件。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。卡尔有一种天分，能让人们欣赏我们的发现以及让这些发现成为可能的机器。
布莱恩·加拉格尔是鹦鹉螺．@brianscottg
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。
