大紅斑(英語:Great Red Spot,簡稱GRS)是一個位於木星大氣層的持續高壓區域,其中有太陽系中規模最大的反氣旋風暴。大紅斑呈現出橙紅色色調,位於木星赤道以南22°,風暴速度高達432 km/h。對大紅斑的觀測自1831年開始已經持續了193年[1] [2],但在1665年-1713年間也有觀察紀錄(然而1713-1830年間沒有任何關於大紅斑的紀錄)。這兩段紀錄有可能是相同的風暴,若是相同風暴,則表示它已經持續存在了至少359年。[3]這樣的風暴在類木行星的大氣擾動中並不少見。[來源請求]

朱諾號探測器拍攝到的木星大紅斑

觀測歷史

早期觀測

 
意大利畫家多納托·克雷蒂英語Donato Creti於1711年創作的畫將木星上的斑點描繪為紅色。

大紅斑可能在1665年之前就已存在,但直到1830年才首次被發現,並在1879年一次顯著活動後才得到深入研究。17世紀觀察到的風暴可能與當前的觀測存在差異。[4]儘管在17世紀曾觀察到類似風暴,但由於首次發現大紅斑的時間與17世紀觀測的時間相隔一個世紀,目前尚不清楚在這段時間內大紅斑是否曾消失並重新形成。[5]

一般認為英國科學家羅伯特·胡克首次觀測到大紅斑。胡克在1664年5月首次描述了木星上的一個斑點,然而在他的描述中,斑點位於木星赤道的北面,而不是今天所觀察到的赤道南部。他觀察到的斑點也可能是當時木星的衛星(可能是木衛一)投下的陰影。[6]更有說服力的是意大利天文學家喬瓦尼·卡西尼在次年描述的木星上的「永久斑點」。[7]雖然在1665-1713年間觀察到了卡西尼描述的斑點,但自1713年到1830年長達118年的觀測空白對於大紅斑的一致性提出了質疑。舊斑點的觀測持續時間更短,移動速度更慢,因此可能並非同一個大紅斑。[8]

在1711年,意大利畫家多納托·克雷蒂英語Donato Creti創作的一幅畫中描繪了木星上的斑點,該畫作目前收藏在梵蒂岡[9][10]它是一系列描繪不同被放大的星空版畫的一部份,是義大利人在各種各樣的場合作為背景所繪製,由天文學家尤斯塔喬·曼弗雷迪英語Eustachio Manfredi監督以確保準確性。這是木星斑點首次被描述為紅色,在19世紀末以前,還沒有明確將大紅斑描述為紅色的記錄。[10]

自1831年9月5日以來,人們持續觀察到木星的大紅斑。至1879年,相關記錄已多達60多次。[11]

 
托馬斯·格溫·埃爾格英語Thomas Gwyn Elger於1811年繪製的木星畫像,其中展示出了大紅斑。

20世紀晚期和21世紀

旅行者1號飛船於1979年2月25日從9,200,000千米高度飛躍木星,並向地球傳回來有史以來第一張木星大紅斑的細節照片,其中低至160千米寬度雲層細節清晰可見。大紅斑的左側(西側)存在着色彩豐富、錯綜複雜的波浪狀雲層圖案,波動多變。

自21世紀以來,大紅斑的直徑被觀測到有所收縮。2004年初,它的直徑只有40,000千米,是一個世紀前的一半,大約相當於3倍地球直徑。按照現在的縮小速度,到2040年時它將變為正圓形。科學家尚不清楚大紅斑是否會持續存在,它的變化是否屬於正常波動範圍。2019年,大紅斑邊緣開始「脫落」,部分風暴脫離大紅斑並消散。根據上述收縮與「脫落」的現象,部分科學家提出大紅斑將在20年內消失。但也有部分科學家認為,觀測到的大紅斑大小因覆蓋其上的雲層變化而變化,並非是大紅斑的真實大小變化。而這也可以解釋大紅斑的「脫落」現象,這可能是覆蓋大紅斑的雲層與周圍氣旋反氣旋的交互,包括對周邊較小氣旋系統的不完全吸收。

2000年,木星中另一個較小的被命名為橢圓形BA的斑點合併了另外三個白色橢圓斑點,並轉變為紅色。天文學家將這個斑點稱為「小紅斑」。根據觀測數據,大紅斑和小紅斑將會在2006年6月5日相遇。兩個斑點每兩年相互靠近,2002年和2004年的靠近並未造成很大影響。戈達德航天中心的行星科學家艾米·西蒙預測,兩個紅斑將在2006年7月4日從最近的距離穿過。

性質

大紅斑是逆時針旋轉的,週期大約是6個地球日[12],或14個木星日。東西長24,000–40,000公里,南北寬12,000–14,000公里,大到足以放進2至3個地球。2004年初,大紅斑在經度的方向上只有一個世紀前的一半大小,而之前它的直徑是40,000公里。若以目前的速率繼續縮減,它在2040年將變成圓形。但是由於鄰近噴射氣流的畸變作用,變成圓形不太可能發生[13]。人們不知道大紅斑還會持續存在多久,或者其大小改變是否是正常現象[14]

紅外線的長期資料顯示大紅斑在這顆行星上比其它雲彩更大且更冷(也代表高度較高)[15],大紅斑的頂大約高於周圍雲層8km,而且仔細的追蹤其大氣特徵發現大紅斑是逆時鐘旋轉的,這點可以見於旅行者1號飛掠木星時拍攝的第一部微速攝影影片[16]。大紅班被其南方溫和東向噴射氣流(順行)和其北方的一個強烈西向氣流(逆行)限制著[17]。而環繞大紅斑邊緣的風的最大風速大約是120公尺/秒(430公里/小時),其內部的流動似乎是停滯的,只有少許的流入或流出[18]。大紅班也會自轉,其自轉速度一直減慢中,或許是其大小減少所造成的[19]

觀測得知,大紅斑的緯度非常穩定,只在1度的範圍內變動。但它的經度卻是一直變化著[20][21]。因為木星在不同緯度上的轉速是不同的,天文學家為不同的緯度定義了三個系統。系統II用在緯度超過10°之處,是依據大紅斑的平均轉速9小時55分42秒為基準定義的[22][23]。儘管如此,在19世紀初期,大紅斑至少有10次「領先」系統II。它的飄移速率多年來有着顯著的變化,並且曾與明亮的南赤道帶連結在一起,在南熱帶的干擾下出現或消失[24]

大紅斑呈現紅色的原因尚未明瞭,有實驗室的理論假設該紅色是由複雜的有機分子,像是紅磷或其它的硫化物造成的。大紅斑的顏色也會有巨大的變化,從紅磚的紅色到蒼白的鮭魚紅,甚至是白色。大紅班偶爾會「消失」,但都是在陷入南赤道帶時,顯然是因為大紅斑的凹陷造成。紅斑與南赤道帶結合有時明顯可見,當南赤道帶是明亮的白色時,大紅班傾向變為暗色;而南赤道帶是黑色時,大紅班通常是亮的。大紅班的明暗變化並沒有規律周期,例如1997年往前推50年中,1961–66, 1968–75, 1989–90, 1992–93,這些年間大紅斑都是暗的[5]

大紅斑容易和卡西尼-惠更斯號探測器在2000年經過時在木星北極觀察到的大黑斑混淆[25]。此外,海王星也有一個稱為大黑斑的特徵,海王星的大黑斑是旅行者2號在1989年發現的黑色橢圓形物,與其說是風暴還比較像是大氣層的一個大氣孔,但在1994年以後就不存在了(雖然在北半球又曾經出現一個相似的斑點[26]

圖集

參見

資料來源

  1. ^ Denning, William Frederick. Early history of the great red spot on Jupiter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Royal Astronomical Society). June 1899, 59 (10): 574. Bibcode:1899MNRAS..59..574D. doi:10.1093/mnras/59.10.574  (英語). 
  2. ^ * Chang, Kenneth. The Great Red Spot Descends Deep Into Jupiter. The New York Times. 2017-12-13 [2017-12-15]. (原始內容存檔於2017-12-15). 
    • Great Red Spot. Encyclopædia Britannica. 
  3. ^ * Staff. Jupiter Data Sheet – SPACE.com. Imaginova. 2007 [2008-06-03]. (原始內容存檔於2023-09-24). 
  4. ^ Karl Hille. Jupiter's Great Red Spot: A Swirling Mystery. NASA. 2015-08-04 [2017-11-18]. (原始內容存檔於2018-07-08). 
  5. ^ 5.0 5.1 CITEREFBeebe1997 (1997), pp. 38–41.
  6. ^ This Month in Physics History. www.aps.org. [2021-12-29]. (原始內容存檔於2024-03-03) (英語). 
  7. ^ Rogers (1995), 6.
  8. ^ Rogers (1995), 188.
  9. ^ Staff. Donato Creti, Astronomical observations. Muha m jaadugar sei Vaticani. Vatican Museums. 2003 [2019-12-16]. (原始內容存檔於2024-07-28). 
  10. ^ 10.0 10.1 Hockey (1999), 40-1.
  11. ^ Denning, William Frederick. Early history of the great red spot on Jupiter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Royal Astronomical Society). June 1899, 59 (10): 574. Bibcode:1899MNRAS..59..574D. doi:10.1093/mnras/59.10.574  (英語). 
  12. ^ Smith et al. 1979,第954頁
  13. ^ Irwin, 2003, p. 171
  14. ^ Beatty (2002)
  15. ^ Rogers 1995,第191頁
  16. ^ Rogers 1995,第194–196頁
  17. ^ CITEREFBeebe1997 (1997), p. 35.
  18. ^ Rogers 1995,第195頁
  19. ^ Rogers, John. Interim reports on STB (Oval BA passing GRS), STropB, GRS (internal rotation measured), EZ(S. Eq. Disturbance; dramatic darkening; NEB interactions), & NNTB. 英國天文協會. 2006-07-30 [2007-06-15]. (原始內容存檔於2012-03-26). 
  20. ^ Reese and Gordon (1966)
  21. ^ Rogers 1995,第192–193頁
  22. ^ Stone, Peter H. On Jupiter's Rate of Rotation (PDF). Journal of the Atmospheric Sciences. 1974, 31 (5): 1471–1472 [2007-06-20]. Bibcode:1974JAtS...31.1471S. doi:10.1175/1520-0469(1974)031<1471:OJROR>2.0.CO;2. 
  23. ^ Rogers 1995,第48, 193頁
  24. ^ Rogers 1995,第193頁
  25. ^ Phillips, Tony. The Great Dark Spot. Science at NASA. 2003-03-12 [2007-06-20]. (原始內容存檔於2007-06-15). 
  26. ^ Hammel, H. B.; Lockwood, G. W.; Mills, J. R.; Barnet, C. D. Hubble Space Telescope Imaging of Neptune’s Cloud Structure in 1994. Science (American Association for the Advancement of Science). 1995, 268 (5218): 1740–1742. doi:10.1126/science.268.5218.1740. 

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