木星大红斑为什么会缩小？在云顶比较地球与风暴的真实大小

悬浮在木星上方 30,000 km

木星大红斑为什么会缩小，目前还没有定论。木星没有地面，照片中看到的一切都是云：乳白、黄褐和棕色条带，白色椭圆，以及这场比地球还宽的红色风暴。本展览把你放在云层上方。起点高度为 30,000 km，你俯视大红斑，旁边悬浮着按相同比例绘制的地球。此后可以降到云顶，乘上木星最快的风，夜间观察闪电，查看环绕北极的气旋，再沿着伽利略号探测舱 1995 年的路径穿过云层，直到无线电停止传回信号的地方。

场景高度以「1 bar 高度」为基准，即气压等于地球海平面平均气压的高度。木星没有可用来测高的表面，因此行星科学家把它当作木星的海平面。可见云顶略高于此处，在本模型中约高 10 km。负高度表示位于它下方的云层内部。

6 个区域通向主要景观：大红斑、24° N 急流、北极、47° N 风暴带、伽利略号探测舱进入点，以及赤道上空的傍晚天空。接近云层时，你面前的虚构平台上会出现一个身高 1.7 m 的人，让你始终能用自身尺度作比较；角落的比例尺把视野中的距离换算成人首尾相接平躺的数量。共有 23 项隐藏发现、14 张「其实……」卡片和 13 项挑战。读数、卡片和本页中的数值来自 NASA、其下属实验室及已发表论文，文末列有出处。

大红斑有多大？

大红斑是一场反气旋，即高压风暴，位于赤道以南约 22°。它每隔几天逆时针旋转一圈。一个多世纪以来，人们持续测量其大小，数据清楚地显示了变化。

地球直径为 12,742 km。1800 年代末，沿风暴长轴并排放下 3 个地球还有余地。如今，1 个地球就几乎能盖住它。控制区的年份滑块按 1800 年代末至 2024 年各年份测得的大小重绘风暴；「尺寸」面板把同一张表绘成曲线，与宽为 1、2、3 个地球的参照带比较。

风暴南北方向的宽度也在缩小，但速度更慢。2018 年一项研究分析了超过 150 年的测量，发现长轴每年缩短约 0.194 个经度，宽度每年缩短约 0.048 个纬度。对于只记录长度的年份，场景按照这一比例绘制宽度，卡片也说明了这一点。2023 年 12 月至 2024 年 3 月的 8 次哈勃观测中，红色椭圆平均约为 13,600 × 9,900 km。

正在缩小的风暴

2014 年，NASA 首次让大红斑缩小受到广泛关注。当时哈勃影像显示它约为 16,500 km，是当时有测量以来的最小值。业余天文学家在 2012 年已注意到，缩小速度正在加快，约每年 930 km，形状也从椭圆变得更接近圆形。

它为何缩小，仍是未解问题。一种观点认为，汇入风暴的小涡旋改变了它获得的能量和动量。另一种观点认为，两侧急流在缓慢挤压它。都尚无定论，场景也不把它们当作确定答案。

哈勃最新观测还带来了意外发现。在 2023 年 12 月至 2024 年 3 月的 90 天中，红斑的大小和形状有规律地变化，像一碗晃动的果冻；它沿经度漂移的速度也以相同的 90 天周期快慢交替。天文学家几十年前就知道漂移会振荡，但大小变化是新发现。研究团队预计，它会继续缩小，直到更贴合两侧急流之间的空间，随后可能稳定为较小、更圆的形状。

在缩小的同时，风速却增大了。2009 至 2020 年的哈勃风场图显示，紧靠风暴边缘内侧的「高速环」最多加速了 8%，平均速度超过 640 km/h（400 mph）。风暴中心转得慢得多。低空飞过红斑中心，可以找到这处安静的核心，它也是隐藏发现之一。

它是卡西尼看到的风暴吗？

许多书说，人们从 1600 年代就一直观测大红斑。1665 年，天文学家 Giovanni Domenico Cassini 在相近纬度看见一个暗色椭圆，后来称为「永久斑」，其他人一直追踪到 1713 年。此后一个多世纪，记录中没有了它。

2024 年一项研究重新检查了旧图和测量记录。比较卡西尼斑点与现今风暴的大小和漂移后，研究认为，永久斑很可能已经消散，而今天的大红斑首次见于 1831 年。研究还用计算机模型测试了这种风暴的形成方式，发现南北两侧反向急流之间一种狭长、浅而缓慢的环流，比小风暴合并的解释更符合结果。如果属实，年轻的大红斑曾旋转缓慢，随着缩小，风速才逐渐提高。这是「其实……」卡片之一：风暴很古老，但可能没有教科书写得那么古老。

宽而浅

大红斑比地球还宽，那么它有多深？2021 年同时发表的两项朱诺号实验从不同角度给出了答案。

朱诺号微波辐射计使用不同无线电频率，探测云层下不同深度。结果表明，风暴根部深入到水和氨预期凝结高度以下，因此它与更深的大气相连，而不只是最上层云中的图案。朱诺号重力实验则在两次直接飞过风暴上方时，测量风暴额外质量对航天器的微弱引力。这一信号限制了风暴深度：大红斑局限在大气最上方 500 km 内。

因此，风暴宽度 13,600 km 约为深度上限 500 km 的 27 倍。直径 27 cm、厚 1 cm 的比萨饼具有相同比例。木星半径为 71,492 km，即使最深的风暴，其深度也不到通向中心距离的 1%。

为什么是红色？

没有人确切知道。颜色来自风暴高处、主云层上方的薄霾，那里阳光很强。一项实验室研究将紫外线照射在氨与乙炔的混合物上，这两种气体都存在于木星高层大气，结果产生了颜色接近红斑的偏红化合物。这是有力候选解释，而非最终答案。颜色也会变化：有些年份呈浅鲑红色，有些年份呈深砖红色。自 2014 年以来，哈勃测得风暴在蓝光中变暗、近红外中变亮，说明高处薄霾正在变化。场景中的红斑颜色采用模型；相关卡片列出了研究。

可以找到的小风暴

大红斑只是许多风暴中最大的一个。拖动年份滑块时，周围地图也会变化，因为几处邻近风暴各有历史。

椭圆 BA 位于大红斑以南约 33° S。起初是 3 个绕行木星数十年的白色椭圆。1998 至 2000 年间，它们合并为一个；到 2006 年，合并后的风暴变红，这是人们首次目睹红斑形成。哈勃拍下了它，天文学家昵称其为「小红斑」，宽度约为大红斑的一半。此后它又褪向白色，再次变暗。把年份设为 2000 年之前可见 3 个白色椭圆，设为 2005 年之后可见红色椭圆。

更南方的 40° S，有一列绕行木星的白色反气旋，称为「珍珠串」。朱诺号在 2017 年拍到了其中 8 个。赤道以北、暗色北赤道带上方，有一场长寿白色风暴「白斑 Z」，朱诺号在 2019 年第 21 次近距离飞越时拍到了它。

有些风暴是新出现的。2020 年 5 月 31 日，业余天文学家 Clyde Foster 在南非拍摄木星时，发现南温带出现一股几小时前还没有的明亮羽流。2 天后，朱诺号飞过并拍下它，此后称为「克莱德斑」。场景从 2020 年起显示它。24° N 急流旁每隔几年也会爆发明亮羽流，其中一次爆发是急流区域的发现项目。

1994 年的彗星撞击痕迹

1994 年 7 月，Shoemaker-Levy 9 彗星的 20 多块碎片相继撞击木星南半球。每次撞击都在云层中留下深棕色痕迹，地球上的小望远镜数月内都能看见。G 碎片留下直径 2,500 km 的暗色中心，外有直径 7,500 km 的薄暗环，比许多国家还大，但小于地球。把年份设为 1994，查看大红斑以南，就能找到这一列痕迹。场景中具体位置采用模型，大小则依据 NASA 的 G 碎片影像。

云带、云区与急流

远看木星，会看到条纹。浅色条纹称为云区，暗色的称为云带。云区通常是更高、更冷的氨冰云；云带处能看见更深、偏棕色的云层。其间有急流，狭窄的风带向东或向西吹，可在数十年间保持纬度不变。卡西尼号、旅行者号和哈勃通过追踪连续影像中的云特征测量它们。

云顶最强的东向急流位于约 24° N。2008 至 2016 年哈勃测得其峰值为 144 至 160 m/s，约 520 至 580 km/h。每隔几年，急流旁会大规模爆发明亮羽流，此后急流会减速：2016 年 10 月爆发后，从约 160 m/s 降至 144 m/s。地球上的 5 级飓风起始风速为 70 m/s（157 mph）。木星普通急流的速度超过它的 2 倍，而且从不停歇。

赤道也有意外。在可见云层高度，风速约为 250 km/h。2023 年，詹姆斯·韦布空间望远镜在更高 25 至 50 km 的低平流层中发现一股狭窄急流，速度约 515 km/h，是下方云层的 2 倍。

「风线」控制项把急流绘成云上移动的条纹：橙色向东，蓝色向西。随之出现的小图显示各纬度风速，红点标出你的位置。场景中的风速剖面是穿过哈勃测得主要峰值的平滑模型，读数中也标为模型。

风能深入多深？

1995 年伽利略号探测舱穿过大气下落时，无线电频率的微小变化告诉科学家，风正以多快的速度把它横向推动。云顶之下，风更强，在 4 bar 处达到约 170 m/s，此后一直保持到约 21 bar，也就是探测舱停止工作的位置。这些风不是一层薄薄的天气，而是深入内部。

朱诺号后来测量了急流对木星重力场的影响。2018 年发表的结果表明，急流向下延伸约 3,000 km，那里氢开始导电，流动被拖曳着与行星一起旋转。与大红斑的 500 km 相比，深度为其 6 倍。这对应两张「其实……」卡片。

乘着急流

在 24° N 急流上方开启「随风漂移」，云层便会带你向东。计算很简单：以 150 m/s 运行，急流每小时移动 540 km，因此 1,000 km 只需不到 2 小时。「延时」控制项把云层运动和你的漂移加速 1 至 30,000 倍，省去等待。一项挑战要求你乘风移动 1,000 km。

木星上的大多数特征随所在纬度的急流漂移，因此这里的地图只是一个瞬间。场景中椭圆 BA、白色椭圆和风暴云塔的位置采用模型；卡片则给出真实观测的纬度和日期。

极地风暴

朱诺号 2016 年 7 月抵达之前，没有航天器直接俯视过木星两极。它发现的景象与此前已知情况都不同。北极中心有 1 个气旋，周围环绕 8 个，每个直径 4,000 至 4,600 km，挤得螺旋臂彼此相碰。南极有 5 个直径 5,600 至 7,000 km 的气旋围绕中心气旋。每个都能覆盖一个大国。其风速约达 350 km/h。

这些排列年复一年地保持着，让原以为风暴会游走、合并或消散的科学家感到意外。2019 年 11 月，朱诺号看见第 6 个气旋进入南部环形排列的空隙。它比其他气旋小，约等于得克萨斯州，让五边形变成六边形。后来又恢复到 5 个。把年份设为 2019 或 2020 可以看到第 6 个气旋，它是发现项目之一。

极地区域以红外显示气旋，模拟朱诺号 JIRAM 相机在约 5 微米波长所见。在这种光中，厚云暗，薄云亮，因为深处热量可从缝隙逸出。JIRAM 测得的亮温，从最高、最冷云层约 190 K（−83 °C），到看得最深处约 260 K（−13 °C）。在行星任何地方开启「红外（5 µm）」都可切换视图。

闪电、浅层闪电与氨水冰雹

1979 年，旅行者 1 号看见木星夜面的闪电。几十年来，其无线电信号一直显得奇怪，直到朱诺号微波辐射计在 600 MHz 捕捉到闪电，与地球闪电产生的无线电噪声相同。最初 8 圈轨道中，它记录了 377 次闪光，多在极地附近，北部更多，赤道附近没有。地球恰好相反，闪电在阳光加热地面的热带最常见。木星风暴依靠内部热量，而这种热量似乎更容易在极地附近上升。

朱诺号还发现了另一种闪电。小闪光来自云层高处，比水云高约 25 km，气温低于 −88 °C。那里本不应存在液态水。解释在于氨：在这种高度，它像防冻剂，把风暴抛起的冰晶融成氨水液滴。液滴和冰相撞、积累电荷，形成「浅层闪电」，来自地球没有的一类云。

同样的风暴可能还产生一种特殊冰雹。朱诺号科学家称之为「氨水冰雹」：氨水冰浆球外包冰壳，在风暴中上下运动时长大，随后落入深处并带走氨。这可以解释，为何朱诺号微波辐射计在高层大气测到的氨少于预期。场景用风暴云塔下落的颗粒表示冰雹；降到风暴区域一座云塔下方即可找到。

远在风暴上方，朱诺号紫外光谱仪捕捉到 11 次短暂亮闪，每次仅持续几千分之一秒，位于 1 bar 高度上方约 260 km。它们像地球上由下方强闪电触发的精灵闪电和淘气精灵。地球富氮大气中的精灵闪电呈红色，在木星氢大气中则可能呈蓝色或粉色。场景中，夜间风暴区域上方偶尔会出现它们。

风暴区域本身是模型：47° N 的高耸云塔在夜晚和黄昏闪出电光，从内部照亮云层。真实木星雷暴可能横跨几千 km，云体可高出主云层很远；场景中的大小是为了便于观察而选取，并非测量值。

向下：伽利略号探测舱测得了什么

1995 年 12 月 7 日，一枚在 5 个月前由伽利略号释放的探测舱，以 47.6 km/s 进入木星大气，位置在 6.5° N、4.4° W。它前方的激波比太阳表面还亮。约 2 分钟后，经隔热罩减速，它打开降落伞，开始穿过云层缓慢下落。NASA 记录称，无线电联系中断前获得了 58 分钟有效数据；探测舱直径 1.27 m，发射时质量为 339 kg。

大气结构仪全程测量温度和气压。这些数值也用在场景中。当你降到距 1 bar 高度上方约 160 km 以下，读数中的气压和温度就取自 NASA 行星数据系统存档的探测舱实测数据，而非模型。以下是部分记录：

最冷空气靠近上部，在约 0.2 bar 处，约为 110 K（−163 °C）。此后向下持续升温，每下降 1 km 约升高 2 °C，接近气体在不吸热也不放热的压缩过程中升温的速率。在 5 bar、1 bar 高度以下 54 km 处，温度超过冰点。最后记录为 22 bar、428 K，即 155 °C，位于 1 bar 高度以下 132 km。「内部」面板中的「随伽利略号探测舱下降」按钮，以真实速度的 60 倍重播这一过程，每秒播放 1 分钟，探测舱悬在降落伞下，位于你身旁。

三层云，以及探测舱错过的那层

标准木星云模型依据各种气体在不同温度下的凝结条件，预测了 3 个主要云层。最上层位于约 0.5 至 0.7 bar，是氨冰，也是地球上所见的白云。中层位于约 1.5 至 2.2 bar，是氨和硫化氢组成的硫氢化铵，呈黄褐和棕色。最深层位于约 5 至 7 bar，是水，上部结冰、下部为液滴，也是大雷暴的来源。依据探测舱实测气压与高度，水云层应在 1 bar 高度以下 54 至 69 km。

在「云层之下」区域下降，场景会按模型高度在你周围放置这 3 层云。穿过每层时，视野会短暂变白。读数会标明你所在的云层。

探测舱实际没有见到如此整齐的层叠。其浊度计只在约 0.46 至 0.55 bar 之间发现氨云稀薄的下缘，在 0.76 至 1.34 bar 之间发现一层可能为硫氢化铵的适中云层，完全没有发现厚水云。质谱仪测得的水也远少于预期。原因在于下落地点。地面观测显示，它进入了北赤道带边缘一个晴朗、干燥的 5 微米热点，距南部边界向内约 900 km。热点是木星上最晴朗、最干燥的地方之一。因此，探测舱结果更多反映热点，而非整个行星；「干燥区域」卡片讲的就是这件事。

朱诺号怎样看穿云层

相机只能看见云顶。为了看得更深，朱诺号使用微波辐射计：波长越长的无线电波来自越深层，因此 6 个通道一起采样从云顶到几百 km 深处的大气。2017 年发表的首次飞越结果显示，氨分布不均匀。赤道有富氨气流上升，而许多其他地区空气较干燥，差异一直延伸到云层下很深处。氨水冰雹和浅层闪电的解释，正来自对失踪氨去向的研究。

朱诺号重力研究通过发往地球的无线电信号，追踪航天器速度的微小变化。这些变化揭示了急流深度、大红斑浅底和稀释核心。磁强计绘制磁场时，在赤道附近发现一块强烈、孤立的磁场区域，昵称为「大蓝斑」。木星深处的风缓慢地把它向东、向西牵拉。它在任何云层照片中都不可见，在场景中也只作为一张卡片出现。

没有地面

继续按「下降」，你会停在 1 bar 高度以下 132 km，也就是探测舱数据终点。这仅相当于通向木星中心距离的约 0.2%。下面没有坚硬物体等着你。气体越来越热、越来越密；几千 km 深处，氢受到极强压缩，像金属一样导电。朱诺号重力测量最符合「稀释」核心：重元素分散在行星内部很大范围，而不是集中成中心一个小岩球。这些层的深度来自模型，并非直接测量。「内部」面板沿半径按比例绘出它们，并明确说明这一点。

这是许多访客最先找到的「其实……」卡片：一颗无法着陆的行星，因为无处站立。

空气由什么组成

伽利略号探测舱直接采集了气体。氦实验测得，按分子数计算，氦占 13.6%，其余几乎全是氢。质谱仪测量了甲烷、氨、硫化氢和水，并发现部分惰性气体的富集程度高于预期。赋予木星颜色的云只来自极少量其余成分：氨、硫氢化铵和水合计远低于气体的 1%。

木星自身也在放热

木星到太阳的距离是地球的 5 倍，阳光较弱：每平方米约 50 W，而地球为 1,361 W。但木星比只靠阳光应达到的温度更暖。2018 年发表的卡西尼号测量表明，木星反射约一半入射阳光，并从内部释放每平方米约 7.5 W 的热量。合起来，它辐射的能量约为吸收太阳能的 2.2 倍。这些来自行星形成残余和缓慢收缩的内部热量驱动风暴，也是闪电集中于高纬度的原因之一。开启红外，可以看见热量从哪里逸出。

极光与木卫一足迹

木星拥有太阳系最明亮的极光。与地球一样，带电粒子沿磁场进入磁极周围高层大气，形成极光。哈勃紫外影像显示，它比地球极光亮 1,000 多倍。光主要是人眼不可见的紫外和红外，因此场景中的光幕采用假彩色。朱诺号红外相机绘制了主椭圆和木卫一、木卫二、木卫三的「足迹」：连接卫星与木星的电流进入大气时形成的亮斑。木卫一足迹的尾巴，在卫星磁连接移走后仍可持续约 3 小时。

场景中的极光采用模型高度，位于云上几百 km，在距离极点几度的椭圆上。开启「极光」，夜间飞过北极，寻找木卫一足迹。

从云顶看到的天空

赤道上空的傍晚天空中有 4 颗大卫星，其大小按真实比例显示。木卫一直径 3,643 km，距木星中心 421,800 km，从云顶看视直径为 0.60°，略大于地球上所见月球的 0.52°。木卫三是太阳系最大的卫星，直径 5,262 km，但距木星中心 1,070,400 km，因此看起来不比木卫二大，两者都约为 0.30°。4 颗中最外侧的木卫四为 0.15°。这解释了「天空中最大的卫星」挑战的答案。

还有较小的卫星。木卫五形似红色土豆，长约 250 km，轨道距中心仅 181,400 km，看起来是一个微小红点。光环很暗淡：主环距中心 123,000 至 128,940 km，内侧有更暗的晕环，外侧还有纤薄外环。从赤道看，环平面经过头顶，因此光环像一条穿过天顶的细淡线。

这里的太阳小而暗，视直径约为 0.10°，是地球所见的五分之一，光照约为地球的 1/27。一天只有 9 小时 55 分钟，因此日落来得很快；「时钟运行」控制项每分钟播放 1 个木星日。地球也在天空中，是一颗蓝白色光点。由于地球轨道远小于木星，地球与太阳的角距从不超过 11°，只能在日落后或日出前的曙暮光中找到。

当木卫一经过太阳与木星之间，其影子会扫过云层，成为一个宽度约等于木卫一本身的黑斑。悬浮在影子中的人会看到日全食，因为从那里看，木卫一的视直径约为太阳的 6 倍。讲解最后一步从 60,000 km 高处展示了这一景象。

你在木星上

木星质量是地球的 318 倍，人们常猜自己也会重 318 倍。并非如此，因为在云顶，你距行星中心的距离也约为地球上的 11 倍，而重力按距离平方减弱。NASA 给出的 1 bar 高度重力加速度，在赤道为 23.12 m/s²，那里快速自转使物体稍受向外作用；两极为 27.01 m/s²，地球则为 9.82 m/s²。在地球显示 60 kg 的体重秤，在木星赤道会显示约 141 kg，在两极约 165 kg。

「你」面板会根据你输入的体重、身高，以及你悬浮处的纬度计算。输入生日后，它会给出你的木星年龄，1 个木星年等于 11.86 个地球年；还会计算你度过多少木星日、下一个木星生日的日期，以及场景所选年份的大红斑长度相当于多少个你首尾相接平躺。输入内容不会离开浏览器。

朱诺号

NASA 的朱诺号于 2016 年 7 月 4 日抵达木星，此后一直沿经过两极的狭长环形轨道运行。最近时，它高速掠过云层上方约 4,200 km，随后又飞向远处。3 块太阳能板从主体向外伸展约 20 m。它携带微波辐射计、重力实验设备、红外相机 JIRAM、紫外光谱仪和 JunoCam 相机，本展览许多内容都来自它们。在场景中，它每 2 分钟从急流区域上空约 4,200 km 处经过；升高后可以寻找移动的闪光。

模型如何工作，与木星有何不同

行星绘制在你周围。严格沿木星曲率弯曲的网格，近处细、地平线附近粗，始终跟随你正下方的位置，行星在下方转动，让你一直位于场景中心。因此，同一场景既能在 150,000 km 外显示完整圆盘，也能在几 km 外显示单个云团起伏。云色来自显卡上绘制的行星地图，包括条带、急流、按所选年份大小绘制的大红斑、白色椭圆、热点和极地气旋。附近会添加更细云纹，并按当地时间用太阳照亮。

有些内容为展示作了简化或虚构，读数或卡片会说明。

• 风速剖面是穿过实测急流峰值的平滑模型，并非每个纬度都有实测。
• 云色、云高和单个云团形状采用模型。下方云层高度来自标准凝结模型；气压和温度来自伽利略号探测舱。
• 漂移特征的位置，包括椭圆 BA、珍珠串、白斑 Z、克莱德斑、热点和风暴云塔，均采用模型。它们的纬度和观测日期是真实的。
• 木星绘成半径 71,492 km 的球体。真实行星是扁的，极半径为 66,854 km。
• 极光在模型高度以假彩色绘制。
• 还没有人拍摄过云顶所见天空的颜色；头顶的蓝色和地平线附近的米色薄霾是估计。
• 平台上的人和平台本身仅用于比例参照。人无法在木星大气任何地方生存：氧很少，辐射强烈，上方寒冷空气和下方炽热空气同样致命。