大红斑
木星表面的大多数特征变化倏忽，但也有些标记具有持久和半持久的特征，其中最显著最持久，也是人们最熟悉的特征要算大红斑了。
大红斑是位于赤道南侧、长达 2 万多公里、宽约 1.1 万公里的一个红色卵形区域。从 17 世纪中叶，人们就开始对它进行时断时续的观测，1879 年以后，开始对它进行连连续的记录，并发现它在 1879～1882 年，1893～1894年，1903～1907 年，1911～1914 年，1919～1920 年，1926～1927 年，特别是在 1936～1937 年，1961～1968 年，以及 1973～1974 年这些年代中，变得显眼和色彩艳丽。在其他时间，显得暗淡，只略微带红，有时只有红斑的轮廓。
大红斑是个什么结构？为什么是红色的？如何能持续这么长的时间？要了解这些问题，仅凭地面观测实在是无能为力的。
1957 年，第一颗人造卫星的发射，为人类进一步了解繁花似锦的宇宙竖起了一架天梯，开创了空间天文学的研究领域，使“九天揽月”的梦幻变成了事实。
1973 年 12 月 3 日，美国宇航局发射的第一个木星探测器“先驱者 10 号”到达木星，一年之后，它的姊妹飞船“先驱者 11 号”于 1974 年 12 月 2 日飞掠这个巨行星。这两个探测器取得了探测外太阳系天体的非同一般的成就。它们传送回来的彩色图像，第一次向我们展示了木星云层系统的复杂性，揭示了大红斑中的气体运动，在木星的全球性云系的细微结构方面，给人一种引人入胜的新概念。
在“先驱者”之后，美国宇航局又在 1977 年 8 月 20 日和 9 月 5 日先后发射了“旅行号 2 号”和“旅行者 1 号”。由于两个探测器飞经的轨道不同，“旅行者 1 号”于 1979 年 3 月 5 日先到达木星，“旅行者 2 号”于同年 7 月 9 日相继到达。它们拍摄了成千幅奇妙而美丽的图片，积累了大量的木星大气结构和动力学的资料。
按照科学家雷蒙·哈依德的理论，大红斑是位于其下面的某种像山一类的永久特征所造成的大气扰动。但是“先驱者”发现木星表面是流体，完全排除了木星外层具有固态结构表面的可能性，上述理论也就是自然被扬弃了。
“旅行者 1 号”发回的照片使人清晰地看到，大红斑宛如一个以逆时针方向旋转的巨大漩涡，其浩翰宽阔足以容纳好几个地球。从照片上还可以分辨出一些环状结构。仔细研究后，科学家们认为，在木星的表面覆盖着厚厚 的云层，大红斑是耸立于高空、嵌在云层中的强大旋风，或是一团激烈上升的气流所形成的。
在木星上，类似大红斑的特征还有一些。譬如，在大红斑的偏南处，有 3 个白色卵形结构，它们首次出现于 1938 年。另外，1972 年，地面观测发现木星的北半球上出现一个小红斑，18 个月以后“先驱者 10 号”到达木星时，发现其形状和大小几乎同大红斑相似。再过一年，“先驱者 11 号”经过木星时，这个红斑竟踪迹皆无，看来这个红斑只存在了两年左右。
木星上的斑状结构一般持续几个月或几年，它们的共同特点是在北半球作顺时针方向旋转，在南半球作逆时针旋转。气流从中心缓慢地涌出，然后在边缘沉降，遂形成椭圆形状。它们相当于地球上的风暴，不过规模要大得多，持续时间也长得多。
木星云的绚丽多彩，证明木星大气有着十分活跃的化学反应。在探测器拍摄的照片上，可以看到木星大气明暗交错的云带图形。从南极区到北极区依稀可辨 17 个云区或云带。它们的颜色、亮度均不相同，也许是氨晶体所组成；褐色云带的云层要深些，温度稍高，因而大气向下流动；蓝色部分则显然是顶端云层中的宽洞，通过这些空隙，方可看到晴朗的天空。蓝云的温度最高，红云的温度最低。据判断，大红斑是一个很冷的结构。令人不解的是，如果按平衡状态而言，所有的云彩都应该是白色的，只有当化学平衡被破坏后，才会出现不同的颜色。那么，是什么破坏了化学平衡呢？科学家们推测，可能是荷电粒子、高能光子、闪电，或是沿垂直方向穿过不同温度区域的快速物质运动。
另外，木星云的颜色还涉及到木星大气中的化学成分。从光谱分析证认出木星大气中含有 5 种物质：氢、氦、氨、甲烷和水，此外还推测有氢的硫化物存在。这些都是无色的。云带出现颜色，必定有其他着色物质，如硫化铵、硫化氢铵以及各种有机化合物和复杂的无机聚合物。“旅行者 1 号”曾在木星云层上面发现过闪电，这表明，那里可能存在着相当复杂的碳氢化合物分子。此外，在木星的背阳面，还发现了 30000 公里长的极光，证明木星大气受到很多高能粒子的袭击。
科学家认为，染色是一个微妙的过程，它包含偏离平衡状态的信息和化学成分的示踪。据推测，云的颜色与高度的相关性，可以反映形成化学反应的过程。例如，较高的区域接收到更多的日光照射和更多的荷电粒子流。某些区域会有更多的闪电，另一些区域则是垂直方向运动特别强烈的地带，等等。
大红斑的橙红色一直使人困惑不解。有人认为是大红斑中上升气流形成的云中放电现象。为此，美国马里兰大学的一位名叫波南贝罗麦的博士做了一个有趣的实验。他在一只长颈瓶中放上木星大气中存在的一些气体，如甲烷、氨、氢等，对这些气体施加电火花作用，结果发现原先无色的气体变成云状物，一种淡红色的物质沉淀在瓶壁上。这个实验为人们解开大红斑颜色之谜似乎提供了某种有益的启示。相当一部分天文学家认为，磷化物可以说明大红斑的颜色。
自从卡西尼发现大红斑以来，到今天已有 300 多年了，它为什么能持续如此长的时间呢？有人认为木星的大气又密又厚是大红斑长寿的主要原因，但这只是一种猜测。
大红斑和木星上其他卵形结构的长寿，主要包含两个问题：一个是这些 斑状结构必须是稳定的，不然它们只能存在几天；另一个就是能源问题，一个稳定涡流如果没有能源维持，很快就会下沉。
关于能源，天文学家提出了一系列模型。“旋风”模型推论说，像大红斑这种卵形结构是巨形对流槽，它们从下面的凝聚气体中提取能量。“切变不稳定性”模型认为，它们从处于其中的区域性股流内抽取能量。还有一种模型，假设它们从较小的、由浮力驱动的涡流中获取能量。再有，就是设想大型卵形结构通过吸收小型涡流来得到能量。此外，还有孤立波理论，等等，但争议都很大。要想形成正确的理论模型，看来还要对“旅行者”的资料作进一步的分析、研究，并最好能对木星大气再作一次深入的实地考察。
伽利略是世界第一架天文望远镜的发明者和 4 颗木星卫星的发现者。 1989 年，美国宇航局发射了以他的名字命名的一个木星探测器，预定在 1995 年 12 月飞抵木星。据说，它是迄今发射的最复杂、最先进的行星探测器。
科学家赋予“枷利略”探测器三项使命：（1）探测木星大气层，包括化学组成、同位素比例、木星大气层垂直结构的轮廓图；木星大气层温度、压力轮廓图；木星云层的位置和结构；大气辐射能的平衡；木星闪电的出现频率及其特征等资料。（2）木星的卫星情况，提供木星系形成与演化的研究资料。（3）了解木星磁层结构的特征。
为了完成这些科学考察任务，“伽利略”探测器由木星轨道器和木星大气层探测器两部分组成。后者是为深入木星大气层考察而设置的，它将在到达木星之前 5 小时与轨道器分开，然后在木星的巨大引力作用下，出入木星赤道附近的大气层进行探测，考察一些表征大气性质的要素，如大气层的温度、压力、大气结构等。它还将通过大气中氨冰云、氢硫铵云和水冰云，进入大气深处探测。限于观测条件，它只能工作一个小时，取得资料后发给绕木星运行的轨道器，然后由轨道器转发回地球。
在子探测器考察木星大气的同时，轨道器对木星本体磁层和 4 颗枷利略卫星进行测量。
“伽利略”探测器不负众望，圆满完成各项考察任务，为揭示木星大大小小的谜提供第一手资料，为提高和深化人们对木星大红斑、大气、木星本体，乃至整个木星系的认识，作出历史性贡献。