在1989年8月的《天空与望远镜》上，我曾经撰文介绍过土星大气层中最壮观的气象现象——大白斑（GWS）。当时只有四次大白斑事件的记录，它们分别发生于1876年、1903年、1933年和1960年。关于历史上这些大白斑的信息非常匮乏，只有几张照片和素描。但是每个土星年（29.46个地球年）发生一次大白斑事件的显著规律性，促使我在1989年做出了很快将有一个新的大白斑出现的预言。
果不其然，第五次大风暴于1990年9月出现了，它和1876年与1933年的大白斑事件一样，位于土星的赤道带上。专业天文学家们用地基望远镜上的新式CCD相机为这个风暴留下了影像，当时“哈勃”望远镜未经修理校正的光学系统也参与了拍摄。这第五次风暴支持了我们的观点。我们认为大白斑现象是季节性的，而且集中分布于夏季的土星北半球。根据这种周期性，下次大白斑事件应当出现于2020年前后。
但是结果令我们大吃一惊。在2010年12月初，全球的业余天文爱好者都拍摄到了第六次大白斑爆发的景象，仍然是在土星的北半球，但是和1903年那次一样，出现在中纬度地区。这次风暴发生在土星北半球的早春时节，离夏季还有10个地球年。
如今，天文学家们拥有了更加强大的探测设备，可以覆盖可见光和红外波段，有地面的望远镜，更有正在环绕土星飞行的NASA“卡西尼”号探测器。业余爱好者们利用先进的拍摄装备，向科学家们提供了逐日的报告，展现了这个风暴演化过程的最精细的图像。数十名业余爱好者为后来发表于声誉卓著的学术刊物《自然》和《科学》上的论文做出了贡献，其中包括《天空与望远镜》的图片编辑Sean Walker。
业余爱好者的大发现
伊朗的Sadegh Gomizadegh和日本的Teruaki Kumamori各自独立为2010年的大白斑事件提出了最早的图像证据，他们的照片分别拍摄于12月8日和9日。他们都是业余天文爱好者。但是对拍摄于12月5日的更早的土星图像进行再分析以后发现，当时在同样位置上（北纬37.7°）已经爆发了一个微小的白斑，这是日本的业余观测者Toshihiko Ikemura拍摄到的。
这个日期与“卡西尼”号探测器上的两件仪器首次探测到这个白斑的时间相符。它的“射电等离子体和射电波科学实验”仪器（RPWS）在这个白斑的位置上捕捉到了剧烈闪电活动发出的强大射电辐射，而在其对于土星的常规研究中，“摄影科学分系统”（ISS）发现了一个1000千米宽的亮斑。
这个白斑事件很快就从微弱的初始状态发展成了土星全球性的复杂现象。澳大利亚的AnthonyWesley和法国的Jean—Jacques Poupeau摄于12月10日的图像显示，这个白斑已经膨胀到了8000千米宽，与此同时，其亮度在红、绿和蓝色波段上也有大幅提高。两天后，全球的多位观测者拍摄的图像都显示，这个白斑正向东扩展，形成了一个尾巴。巨大的规模、高亮度、带状扩展，所有这些线索构成了第六次大白斑事件爆发的显著标志。
在大约一周的时间里，大白斑头部（或者说扰动的“策源地”）的直径增长到了10000千米，几乎相当于地球的直径。从小型业余天文望远镜中看，它有明亮的表观特征，很容易从正常的浅黄色云层和平凡无奇的土星圆面中分辨出来。在良好的视宁度下，地球上的望远镜也能发现土星上有很多亮斑，但大白斑的尺寸几乎达到这些普通亮斑的6倍。由于在可见光波段非常明亮，且规模巨大，大白斑显得非常壮丽。
对于这次发现的大气扰动的最初阶段，业余爱好者拍摄的图像居功至伟。他们促使我和我的研究行星科学的同事们去测定这个亮斑的尺寸和亮度，这后来帮助我们确定了该次风暴的早期动力学机制和云层的垂直结构。除了12月5日“摄影科学分系统”的图像外，直到12月22日，“卡西尼”探测器才获得了这个白斑的图像。在这段关键时期内，全球的业余爱好者为土星自转的每一周（约10小时39.37分钟）都拍摄了图像。这一巨大的成就为本次大白斑事件构建了极其完备的高质量图像数据库。在“行星虚拟天文台和实验室”的网站上（WWW.pvol.ehu.es/pvol），你可以看到这些图像。
大白斑的巨尾
大白斑的头部存在了好几个月。但是土星上的高风速迫使这一大气扰动现象向东扩展，形成了一条巨尾。与以前的风暴类似，2010年大白斑的尾部围绕了整个土星，时间约长达55地球日，形成了一个由断断续续的亮云构成的环绕土星的云带。
大白斑头部的尾波和高空的气流相互作用时，产生了复杂的大气湍流运动和漩涡，它们造就了尾部的气流模式。永久性的风带塑造出了风暴头部和尾部的形状，这些风带包括许多相互平行的带状区域，风向交替向东和向西。2010年大白斑的头部，中心位于北纬40°，在每秒30米的狂暴东风推动下向西移动。但在北纬35。处，风向是向西的，风速提高到了每秒50米。在北纬44°处，风向向东，而速度仅有每秒20米。因此大白斑尾部的形状，是由风暴爆发的纬度，以及爆发点以南、以北的风速变化情况决定的。例如，在1990年的赤道风暴事件中，云层的运动模式是从风暴头部同时向东和向西移动，所以在风暴源头的东西两侧都形成了尾部。
从深处升腾
业余爱好者的数据还帮助科学家们了解了风暴在垂直方向上的运动情况。Donald Parker在佛罗里达州拍摄到了一系列紫外波段的土星图像（该波段对于云层高度很敏感）以及另外一些红外波段的甲烷（CH4）吸收线的图像。此外，法国的Pic duMidi天文台和西班牙的Calar Alto天文台的专业天文学家也拍摄了图像。这些数据显示，在光学波段，大白斑比周围区域明亮10%至20%。风暴在所有波段都有增亮，这意味着大白斑里包含有反照率很高的微粒物质（很可能是冰晶体），它们是随着土星大气深层的温暖气体上升浮现的，在上层的云雾中，此类物质并不丰富。
但是在甲烷波段的图像中，显露出的原始扰动非常轻微。不同波长的滤光片图像可以展现不同高度的云层，这就给出了关于大白斑垂直结构的重要线索。高空云层的上方几乎没有多少甲烷成分，所以可以顺畅地反射阳光，在甲烷吸收线图像上显得非常明亮。深层云层上方的甲烷较多，故而反射的阳光较少，在同一波段的图像上显得很昏暗。由于土星大气的温度很低，所以上层云中的含有氨（NH3）的冰晶出现于压强约为1千帕的高度，与地球海平面处的压强一样大。根据我们的理论计算，大白斑的冰晶云顶层深入了100千米厚的云雾层，平均插入氨云层40千米深。由于大白斑很高的位置，它在紫外波段显得非常明亮，而在甲烷波段则显得很暗弱。 大白斑在平时非常平静的高空平流层中，也展现了自身的存在。在扰动中心位置的两侧，风暴形成了两个俗称“灯塔”的温度异常区。它们清晰地呈现为椭圆形，温度比周围区域高很多，在7至14微米的红外波段观测，它们显得非常明亮。在风暴期问，“灯塔”的大小和强度都会变化，水平方向上的最大直径可达50000千米。
对于土星高层大气的近期观测显示，2011年4月，这两个“灯塔”增强并融合了，形成了一个巨大的暖气团，比大气中不活动的其它部分的温度要高70℃至80℃。在较低高度的风暴活动停止后很长一段时间，这个暖“灯塔”都仍然存在。地面望远镜和“卡西尼”探测器的红外观测装置都发现，在平流层的风中和大量的较小气团中，“灯塔”和外界的温度差异导致了一些高空变化。
巨大的雷电风暴
所有证据都显示，最初的大白斑是一个巨型的雷电风暴，其规模大约是一次普通地球风暴的100倍。例如，在大白斑的头部之中，“卡西尼”号于2010年12月5日探测到了剧烈的闪电活动引发的射电爆发。
同事们和我已经建立起了大白斑现象的多个计算机模型，试图再现所有观测到的现象，并以此探索上层氨云之下的土星大气动力学结构。根据我们的模型，2010年的土星大白斑之所以在亮度和面积上发展得如此迅速，应归因于稠密的固态氨晶体积云的形成和扩展，这有点儿类似于地球上的雷电风暴。这就是为何我们总以“爆发”来描述大白斑在土星上的出现。
大白斑头部的雷暴云和地球一样，形成于高温、湿润的气体从低层大气迅速上升的过程中。在地球上，空气主要是氮气和氧气的混合物，由水形成湿度。而土星的干燥大气主要包含的是氢气和氦气，其湿度主要来源于氨和水。依据土星大气的湿度对流模型，我们认为，在风暴的头部中，含水的湿润气体是从土星云顶下方250千米的深度开始上升的，速度约为每秒150米，是通常猛烈的地球雷暴速度的三倍左右。
“卡西尼”号拍摄的高分辨率大白斑头部图像呈现出大量积雨云云团（形状高而直），而在地面望远镜的低分辨率图像中，它们展现为一个单独的密实亮点。这一观测支持了我们的雷电风暴模型。
从我们的模型中还可得出另一个重要的结论：在大白斑爆发的地点，水的含量一定相当高，比我们从太阳氧含量预期得到的水含量，要高出至少约5倍。太阳的氧含量经常被当作巨行星的参考值，因为它们都是在原始太阳星云中以相同的元素为原料形成的。
为了重现大白斑云层的结构和运动，在氨云顶层高度上的风一定是风速没有衰减地向内延伸到了至少水汽云的深度，那里是太阳辐射无法到达的地方。在风暴存在的高度上，大白斑的发展过程导致了风系统结构中很多微小的改变，但是北纬40°的向西的风基本上没有因大白斑的活动发生变化。
土星风的所有这些特征显示，上层云层中的活动也许深深根植于厚重的大气之中，土星大气向下延伸到了行星半径（30000千米）的一半之处。从土星深处散发出来的内部热量，加上土星的快速自转，可以驱动我们在云顶观测到的高速的风。这一点与地球不同，地球的风是由太阳辐射驱动的。
未解的谜团
尽管对2010年的土星风暴进行了前所未有的详细的观测，但是对于大白斑现象仍有许多未解之谜。例如，为什么这些巨型风暴如此罕见，一个土星年只出现一次？很可能同时还有其它因素在大气层中发挥作用来触发大白斑。另一方面，如果这些巨型风暴是季节性出现的，那么上层大气微小而缓慢的季节性温度变化又是如何传播到下方250千米处的水汽云层的呢？还有，2010年的大白斑事件为何会在通常出现的夏季之前10年就提前爆发呢？
另一个谜团是，大白斑总是出现于北半球的三个纬度带上（三次出现于赤道、两次出现于中纬度、一次在北极附近）。这一效应也许和随着纬度变化的带状气流有关。但是土星的气流是南北半球对称的，看上去并不偏重南北半球中的某一个。或许，许多年前未曾探测到的大白斑事件曾经发生在南半球上，但是被土星环及其投射在土星上的阴影所遮挡；也有可能发生在了土星藏身于太阳背后，从地球上无法看到的时期。
如果是以每个土星年一次的频率发生，那么下一次就很可能要到本世纪40年代才会来临。到那时，新的观测或许会解开这种种谜团。但是，“卡西尼”探测器和地基天文台获取了大量2010年风暴事件的数据，在下次爆发之前，科学家们将会持续不断地对其进行分析和解释。
