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木星大红斑形成的木核加热说

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  • 2017-12-15 16:04:31

木星大红斑形成的木核加热说
陈宝群
(陕西师范大学旅游与环境学院,西安 710062)


木星大红斑是木星上最大的风暴气旋,长约25000千米,上下跨度12000千米,经常卷起高达8千米的云塔。木星大红斑每6个地球日按逆时针方向旋转一周,是一个具有反气旋性质的旋涡,位于木星南赤道带边缘。木星大红斑的面积足有三个地球那么大,其表面温度非常低,大约为零下160摄氏度。这个大红斑的位置并不是固定不变的,而是在不断地移动。木星的大红斑大致位于南纬23°处,它的南北宽度经常保持在14000千米,东西方向上的长度在不同时期有所变化,最长时达40000千米左右,一般长度在20000~30000千米。在大红斑中心部分有个小颗粒,是大红斑的核,其大小约几百公里,这个核在周围的反时针漩涡运动中维持不动。

大红斑的寿命很长,可维持几百年或更长久。自从17世纪天文学家首次观测到此风暴,大红斑至少已存在200到350年。它已经改变了颜色和形状,但却从来没有完全消失过。当前对大红斑的第一笔记录始自1830年代之后。1878年,一位天文学家在观测木星时再次发现了这个大红斑,此后,人们开始了对它接连地观测。木星大红斑类似于地球上的气旋和台风,数百年的持续存在几乎是永久性质的,这可能是大红斑最让人迷惑之处。木星可能有一个石质的内核,相当于10-15个地球的质量。内核上则是大部分的行星物质集结地,以液态氢的形式存在。木星内部很热,内核处温度可能高达20000℃。木星向外辐射的能量,比起从太阳处收到的来说要多。不过,木星并不像太阳那样由核反应产生能量,它太小因而内部温度不够引起核反应的条件。该热量的产量是由开尔文-赫尔姆霍兹原理生成的(行星的慢速重力压缩),这些内部产生的热量可能很大地引发了木星液体层的对流。目前,我们初步的认为木核在木星中的偏移可以为永久性的木星大红斑提供能量来源。文献搜索发现木核偏移的主张与19世纪后期提出的木星火山爆发说(王振坡,木星“大红斑”模拟研究的进展,天津城市建设学院学报,2000,6(4):256-260、266)在能量来源上有认识相似,但与其他研究者认识结论完全不同。

1983年08期《世界科学》“木星的大红斑和磁场”一文有一个对个人主张非常有利的证据:五十年中的地面观测表明,红斑的大小和它的纬度实际上没有变化,但有着每年大约20度的经向位移。这说明,木核偏移主张相当有竞争力。“红斑的大小和它的纬度实际上没有变化”说明红斑的产生必然具有一个极其稳定的根基性因素,这个因素不可能来自木星大气层只能来自木核。红斑每年大约20度的经向位移,可能是与木星大气层与木核自转速度的差异有关。目前人们对于木星大红斑的产生还没有形成共识,对于很多细节问题更是缺乏足够了解,长期的天文观测还是可以总结出几个典型特征:一是规模巨大,二是结构复杂,三是作用持久。从系统论的角度来看,木星大红斑是一个非常典型的耗散结构,目前有关木星大红斑形成的小气旋兼并、垂直运动能量补充、非线性过程响应以及大红斑南北相反方向风带的剪切变作用,对耗散结构的形成与维持对外部能量输入依赖性可能存在认识不足。交流中发现,尽管木星大红斑中间的核与地球上的台风眼比较相似,但大红斑形成的木核偏移主张不能直接套用地球上的热带气旋模式。木核偏移造成的直接后果应该是部分木星气流上涌,然后扩展开来形成大红斑。从大红斑核心流出气流在木星南半球地转偏向力向左,向外流出的气流在地转偏向力作用下逆时针自转。

2013年11月29日发表,2013年12月03日修改,2014年 1月 4日再改,2015年7月14日定稿

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