科學家實驗室內模擬木星大氣層

木星擁有著極不穩定的氣象系統，現在，科學家在實驗室中對這一系統進行了重現。長期以來，天文學家都對木星的大氣層十分著迷，那裡有著巨大的風暴，有超音速的氣流，還有著名的大紅斑——太陽系中最大型的風暴。如今，研究人員突破性地重建了木星的風場——在一個垃圾桶里。對於木星，天文學家一直以來都很困惑的一個問題是：速度超快的氣流是否只存在於木星大氣層的上層——就像地球的氣流一樣——還是會進入木星的氣態內核？

木星的南極視角（左上和右下）和實驗室模擬出來的木星風場（右上和左下）。

研究者用空氣軸承打造了一張工作台。這些空氣軸承的轉速能達到每分鐘120轉，並且能承受1噸的重量。

加州大學洛杉磯分校的地球物理學家喬納森（Jonathan Aurnou）與在法國馬賽的研究者合作，在實驗室中首次模擬除了木星的風場，發現這些氣流很可能在木星可見的大氣層中向下延伸了數千公里。這項研究的結果在線發表在近日的《自然-物理學》（Nature Physics）期刊上。

「我們可以在計算機里做出這些特徵，但無法在實驗室里重現出來，」喬納森說，「如果我們對一個系統有了理論上的理解，那我們應該能夠做一個類似的模型出來。」喬納森教授在加州大學洛杉磯分校從事地球、行星和空間科學的研究，過去十年主要研究的便是渦旋氣流的計算機模型。

在實驗室中重建渦旋風場的挑戰在於如何實現氣流形成的三個必要因素：快速旋轉、湍流和模擬木星球面形狀的「曲率效應」。喬納森稱，此前在實驗室中的嘗試往往以失敗告終，因為研究者無法使模型達到足夠的轉速，從而也無法獲得足夠強度的湍流。

實驗室模擬出來的木星風場示意圖，顯示了木星大氣層的氣流模式。

底部注入的湍流經過引導變產生了急速的水流，幾分鐘之內，水流就變成了6條方向交替變化的同心環。

喬納森團隊的突破點在於一個新的實驗設備。他們用空氣軸承製作了一個工作台。這些空氣軸承的轉速能達到每分鐘120轉，並且能承受達1噸的重量，這意味著它能帶動一大罐液體以高速旋轉，模擬木星的快速自轉。

科學家在一個工業用垃圾桶內裝了400升水，然後放在工作台上。當容器旋轉時，水體與容器壁碰撞，形成一條類似木星彎曲表面的拋物線。「容器轉動越快，對木星上大規模的旋轉和曲面的模擬效果就越好，」喬納森說道。

不過，研究團隊發現，每分鐘75轉的轉速是一個很實用的限值：足夠使液體形成幅度較大的曲面形狀，但又不會拋灑出來。在容器旋轉的同時，研究者用容器底部下方的水泵注入有色水流（通過一系列進出孔），產生湍流——實驗所要求的3個關鍵因素之一。

底部注入的湍流經過引導變產生了急速的水流，幾分鐘之內，水流就變成了6條方向交替變化的同心環。喬納森說：「這次實驗第一次揭示出，木星上類似這樣的強氣流可以發展成真正的流體。」研究者推測木星上的氣流可能延伸很深，因為在實驗中可以在水體表面看到急速的水流，而這些水流是由底部注入的湍流所形成的。

研究人員希望用來自木星的真實數據來驗證他們的推測，他們也不會等待太久：美國航空航天局（NASA）的朱諾號探測器此刻正在木星軌道上飛行，採集木星大氣層、磁場和木星內部的數據。在2016年12月於美國舊金山舉行的美國地球物理聯盟會議上，朱諾號團隊公布了初步結果，喬納森也參加了會議。

今年早些時候，NASA公布了一張由朱諾號數據合成的木星全新圖像，展現了大紅斑以及一系列形似白色鵝蛋的風暴。圖片拍攝時間是2016年12月11日，當時朱諾號正在進行第三次近距離飛掠木星

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研究人員相信，這項實驗將幫助他們模擬類似木星大紅斑的結構

「朱諾號第一次飛掠木星時獲得的數據顯示，由氨氣組成的結構延伸超過60英里（約合100公里），直達木星的內部，這對朱諾號科學團隊來說是不小的震撼，」喬納森說，「加州大學洛杉磯分校的研究者將在這些數據的解釋中扮演重要的角色。」

2017年，喬納森和他的團隊將利用阿貢國家實驗室的超級計算機模擬木星內部和大氣層的動態變化。此外，他們還將繼續在法國馬賽的實驗室工作，使旋轉工作台的模擬更加複雜和準確。他們的目標之一是在旋轉的水體上增加一個穩定的薄層，以模擬木星大氣層中外側較薄的雲層——與木星的氣象變化有關。

今年早些時候，NASA公布了一張由朱諾號數據合成的木星全新圖像，展現了大紅斑以及一系列形似白色鵝蛋的風暴。NASA稱，這張圖片是由民間科學家Roman Tkachenko利用朱諾號探測器獲得的數據製作出來的。圖片拍攝時間是2016年12月11日，當時朱諾號正在進行第三次近距離飛掠木星，二者的距離約為458800公里。

天文學家近期發現，木星的「大紅斑」——太陽系中最大的風暴，比地球還大——正在縮小。從新拍攝的圖像可以看出，大紅斑的面積在繼續縮小，而且變得更圓，這一過程可能已經持續了許多年。大紅斑的長軸在2014年時的長度要比現在縮短了240公里左右。

大紅斑近期的縮小速率似乎變得比以往更快，但這種變化其實是與長期趨勢相吻合的。大紅斑其實是橙色多於紅色，而它那通常顏色較深的核心，如今也變得沒以往那麼特別。這個巨大的反氣旋風暴正受到速度高達150米每秒的大風衝擊，變得比以往更「歪」了。