知乎盐选会员精选文章11.2 为什么说大黑斑是太阳系中最强的风暴？
让我们先来简单地了解一下海王星。
与天王星一样，海王星也是一颗冰巨星。它的体积比天王星略小，在太阳系的行星中排名第四；但由于它的密度较大，其质量也略大于天王星，在太阳系中排名第三。此外，海王星与太阳的平均距离大概是日地距离的 30 倍，大概需要 165 个地球年才能绕太阳转上一圈。
海王星也有大气层。它的大气中除了有 80% 的氢气和 19% 的氦气，还含有不少甲烷。甲烷就是我们生活中使用的天然气的主要成分，它对太阳光中的红光、橙光和黄光都具有很强烈的吸收作用。这样一来，被海王星大气反射以后的太阳光，就会变得以蓝光为主。因此，海王星看上去就是蓝色的。
再说一件趣事。1981 年，美国天文学家马文·罗斯发现，在海王星内部的高压环境下，由 1 个碳原子和 4 个氢原子构成的甲烷（CH4）分子并不能稳定存在。这意味着，甲烷分子中的碳原子将被抽离，然后在高压环境中被挤压成钻石。一旦成形，致密的钻石就会下沉；换言之，在海王星的内部，一直都在下一场壮观的钻石雨！
与天王星一样，海王星也只被人类发射的空间探测器拜访过一次。1989 年 8 月 25 日，旅行者 2 号从天王星附近飞过，最近时与海王星大气层仅相距 4400 千米。它发现在海王星的赤道地区，有一个巨大的椭圆形风暴。
这个椭圆的长轴有 13 000 千米，短轴也有 6600 千米；换句话说，它基本能装下整个地球。因为这个海王星风暴看起来是黑色的，所以人们就把它称为大黑斑（图 11.7）。
图 11.7 大黑斑
与大红斑一样，大黑斑也是一个反气旋风暴。所谓的反气旋风暴，是指它的气流旋转方向与所处行星的自转方向相反。
大黑斑最大的特点就是它的强度特别特别大。事实上，它是整个太阳系中最强的风暴。
为了便于大家理解大黑斑的恐怖，让我先来谈谈地球上的风暴。要想衡量一个风暴的强度，有一个至关重要的指标，那就是它的最大风速。
我亲身经历过的最强风暴，是于 2017 年 8 月 23 日登陆珠海的台风天鸽（图 11.8）。对珠三角地区而言，这是一场 50 年一遇的风暴；它刮倒了珠海市大概 50% 的树木，也让澳门直接变成了一座停水停电的孤岛。那天鸽到底有多强呢？它登陆时的最大风速为 48 米·秒-1，尚未达到地球上超强台风的标准（即 51 米·秒-1），只能算是一个强台风。
图 11.8 台风天鸽
而有气象记录以来的地球最强风暴，是于 2013 年 11 月上旬肆虐于西太平洋的台风海燕（图 11.9）。海燕造成了毁灭性的破坏。光是在菲律宾，就有 6000 多人遇难，此外还有 1000 多人失踪。那海燕又有多强呢？其登陆时的最大风速为 87.5 米·秒-1。
图 11.9 台风海燕
当然，要是放眼整个太阳系，海燕的强度就完全不够看了。以我们前面游览过的大红斑为例，它的最大风速能达到 180 米·秒-1，超过海燕最大风速的 2 倍。
但与大黑斑相比，大红斑也变得小巫见大巫了。旅行者 2 号的测量结果表明，大黑斑的最大风速能达到 666 米·秒-1。换句话说，它的最大风速甚至已经接近地球上声速（即 340 米·秒-1）的 2 倍。
我们不妨来开一下脑洞。如果把大黑斑搬到地球上，那会有什么后果？我们前面说过，大黑斑基本能装下整个地球。换言之，地球上没有任何一个地方能够幸免于难。此外，物体的动能与其速度的平方成正比。因此，即使大黑斑的密度与地球超级台风的密度相等，其破坏力也比地球超级台风大了上百倍。在这么恐怖的风暴的肆虐下，地球表面将变得完全不适宜生命生存。到那时，或许只有地底和深海，才有可能留下生命的火种。
下面，我们来聊聊大黑斑的能量来源。
我们的老朋友、英国天文学家哈雷最早提出，地球上之所以会有风暴，归根结底是源于太阳的辐射能量。
不过，由于海王星与太阳的距离远大于日地距离，它所能得到的太阳辐射能量就比地球得到的太阳能量要少很多。下面就来简单估算一下，海王星得到的太阳辐射能量到底比地球要少多少。
众所周知，太阳辐射总是呈球形向外扩散。根据能量守恒定律，每个球面上接收到的太阳辐射总能量都相同。此外，一个球的面积与其半径的平方成正比。因此，某个单位球面上所能接收到的太阳辐射能量（即太阳辐射能量密度），与它到太阳的距离的平方成反比。
海王星与太阳大概相距 45 亿千米，是日地距离的 30 倍；换言之，海王星轨道所能接收到的太阳辐射能量密度，是地球轨道的 1/900。
由于海王星的半径是地球的 4 倍，它能接收到太阳辐射的面积是地球的 16 倍。这意味着，海王星能接收到的太阳辐射能量大概只有地球的 1/56。
很明显，仅靠这么一点太阳辐射能量，根本不可能支撑起太阳系最强的风暴。因此，不同于地球风暴，大黑斑并非源于太阳的辐射能量，而是靠海王星自身的能量维持。事实上，旅行者 2 号的测量结果表明，海王星的内核温度高达 8000℃。正是这个强大的内部辐射源，支撑起了太阳系最强的风暴。
不过，旅行者 2 号发现的超级风暴并不止大黑斑这一个；事实上，它总共发现了 3 个。图 11.10 就是旅行者 2 号拍到的 3 个海王星超级风暴的全家福。上面那个最大的黑色风暴就是大黑斑，下面那个小了很多的黑色风暴叫作小黑斑，而中间那个最小的白色风暴叫作滑板车。
图 11.10 3 个海王星超级风暴
但与大红斑相比，大黑斑的寿命要短很多。1994 年，天文学家们把哈勃空间望远镜指向了海王星，然后发现海王星的那三个超级风暴全都消失了。取而代之的，是一个位于海王星北半球、被称为北部大黑斑的新风暴。
这个发现说明，海王星的大气系统远比人们想象的要复杂。或许要再过几十年，等到下一个太空探测器拜访海王星，我们才能更好地探究海王星大气系统的奥秘。
我们来做个总结。1989 年 8 月，旅行者 2 号发现在海王星的赤道地区有一个黑色的椭圆形风暴，这就是大黑斑。大黑斑的最大风速能达到 666 米·秒-1，接近地球上声速的 2 倍，这让它成为整个太阳系中最强的风暴。如果把大黑斑搬到地球上，地球表面所有的生命都会遇到灭顶之灾。由于海王星能接收到的太阳辐射能量大概只有地球的 1/56，大黑斑其实是靠海王星自身的能量维持。与木星的大红斑相比，大黑斑的寿命要短很多；1994 年，天文学家就发现它已经消失了。
前面已经介绍了太阳系中最强的风暴。下一节，我们要去拜访海王星的一颗非常独特的卫星。