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撥開木星迷霧!美國科學家破解木星雲層,看到了木星內部
2021/10/31
2021/10/31

木星是太陽系最大的行星,直徑是地球的11.2倍,體積超過了地球的1300倍。和地球不同的是,木星沒有固體表面,而是一顆氣體行星。它的大氣層極為濃厚,從雲頂一直向下大約3000公里,才會到達粘稠的液態氫的世界,以至于我們很難看見雲層下面到底隱藏著什麼。

(圖片說明:木星)

朱諾號探測器

不過,科學家總是有辦法的。憑藉著大量的觀測設備,他們還是可以獲取許多關于木星內部結構的資訊。尤其是在2011年,美國宇航局發射了著名的朱諾號木星探測器。它花了5年的時間,飛越了數億公里的太空,在2016年來到了木星周圍。

迄今為止,朱諾號已經37次近距離探測木星,獲取了大量的資訊。在當地時間10月28日,美國科學家在《科學》雜誌上發表了朱諾號帶來的一些重要成果,帶人們見識了木星雲層以下的神秘世界。

(圖片說明:朱諾號木星探測器)

朱諾號為什麼能夠有這樣強大的功能呢?這是因為它有一個非常厲害的科學載荷—— 微波輻射計(MWR)。

MWR有6台獨立的輻射計,可以對6種不同的雲層所發出的微波信號進行探測。它的最大穿透深度可以達到相當于地表大氣壓1000倍的深處,也就是木星雲層向下大約550公里的深度。

憑藉這樣的探測,人類對木星大氣的瞭解不再局限于表面的二維尺度,而是從三維的空間下有了全方位的分析和瞭解。

(圖片說明:左圖為地基天文臺拍攝的木星圖像,右圖為哈勃望遠鏡拍攝的木星圖像)

大紅斑

說到對木星雲層的探測,自然少不了的就是木星大紅斑。這個著名的風暴已經被發現幾百年了,最大的時候寬度超過了40000公里,足以並排放下3個地球!雖然近些年來有所變小,並且形狀也逐漸接近正圓,但大紅斑仍然足以裝下1個地球。

不論是尺寸還是驚人的持續時間,或者是能量來源,大紅斑都讓科學家充滿了好奇。

(圖片說明:木星大紅斑足以放下一顆地球)

朱諾號的資料顯示:木星上的氣旋在頂部和底部有著比較明顯的差別,其頂部更加溫暖,大氣密度更低一些;而底部則相對低溫,密度則高了一點。而大紅斑是一個反氣旋,溫度的差異也恰好相反,那就是頂部更冷,底部較暖。

另外,木星表面的風暴高度也比科學家想象的更大一些。普通的風暴可以延伸到木星雲層頂部以下大約100公里的高度,而像大紅斑這樣的大型風暴,甚至可以延伸到木星表面以下350公里處。

這樣的發現還有更多的意義,根據最新的大紅斑尺寸和高度資料,科學家發現:大紅斑集中了更多的大氣質量,這意味著我們可以通過用于研究木星重力場的儀器對它進行研究。

(圖片說明:木星大紅斑周圍的雲層)

朱諾號一共在大紅斑上空近距離飛掠了2次,利用其 重力科學載荷對大紅斑的重力特徵進行了觀測分析,這也算是一種「另闢蹊徑」的研究方法了吧。

這個重力科學載荷不是單獨使用的,還需要搭配位于地球表面的美國宇航局深空網(DSN)系統。這種設施的精確度有多麼驚人呢?科學家介紹:朱諾號飛掠木星大紅斑上方的時候,速度可以達到每小時20.9萬公里。然而在6.5億公里外的地球上,科學家可以檢測到其每秒0.01毫米的速度變化!

正是通過這樣精確的測量,科學家將大紅斑的深度鎖定在了雲層頂端以下500公里的位置。

圖片說明:哈勃望遠鏡在2019年拍攝的木星大紅斑)

其它風暴

除了大紅斑等風暴之外,木星的條帶也是非常著名而且值得注意的。在木星身上,有一圈一圈白色和紅棕色的條紋相間分佈。東西兩向的狂風,從內部噴射而出,將這兩種顏色的條帶區分。在此之前,朱諾號就發現,木星的這些狂風非常深,甚至可以達到3200公里,這已經相當于地球半徑的一半了!

如此狂暴的風,到底是從何而來的呢?

通過朱諾號的微波輻射計,科學家發現:木星大氣層中的氨氣和這些噴流的方向保持一致,二者之間或許有聯繫。

(圖片說明:令人窒息的木星大紅斑)

研究人員指出:在木星的南北兩個半球,他們都發現了類似于地球上「費雷爾環流圈」的現象。這是一種間接熱力環流圈,在地球上對氣候起到了非常重要的作用。不同的是,地球上只有2個 費雷爾環流圈,而木星上竟然有整整8個,而且每一個都比地球上的同類大了30倍!

極地風暴

在木星的兩極,還有其他的風暴,雖然沒有大紅斑那麼恐怖,但也非常詭異。比如2016年的時候,朱諾號在木星北極發現了8個奇怪的風暴以八角形的形狀圍繞在北極點周圍;而在南極,還有5個風暴呈五角形圍繞在南極點的旁邊。

(圖片說明:北極點周圍的8個風暴)

時隔五年,NASA的科學家再次利用朱諾號的木星紅外極光成像儀(JIRAM)對這裡進行了觀測,發現這些風暴仍然保持在原來的位置上。

羅馬國家天體物理研究所的Alessandro Mura是朱諾號任務的共同研究員,他解釋說:「木星上的氣旋互相影響著彼此的移動,這就使得它們圍繞一個平衡位置進行振盪。」

這些氣旋在旋轉的同時,還會試圖向木星的兩個極點靠近。不過,其他位于極點附近的氣旋會將它們推回去,最終彼此達到平衡,這就是木星兩極氣旋的數量和位置不同的原因。

總結

多年以來,關于木星的一切,都深深地吸引著所有的科學家和科學愛好者。它的大氣之下到底隱藏著一個多麼恐怖的世界,至今仍然是個謎。即便有了這一次的研究,我們對于木星內部仍然幾乎一無所知。人類想要破解木星的秘密,恐怕還需要很多很多年。

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