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屏住呼吸，NASA首發(fā)木星雷暴動(dòng)畫，仿佛科幻片里的世界末日

2021.03.22

早在1979年，NASA的旅行者1號(hào)探測(cè)器在途徑木星的時(shí)候，曾經(jīng)接收到了非常詭異的超低頻無線電輻射?？茖W(xué)家們推測(cè)，這種他們稱之為“哨聲”的現(xiàn)象，是木星大氣層中的閃電。

后來，隨著伽利略號(hào)和卡西尼號(hào)兩個(gè)探測(cè)器對(duì)木星的近距離探測(cè)，人類終于第一次見證了太陽系最巨大的氣體行星，竟然和地球擁有著類似的氣象。

而隨著人類對(duì)木星探索的深入，目前最先進(jìn)的木星探測(cè)器朱諾號(hào)在2011年發(fā)射升空，向我們展示了更多關(guān)于木星的事實(shí)。就在當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月6日，負(fù)責(zé)朱諾號(hào)探測(cè)器的團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了最新的木星閃電研究成果，主要作者是美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Heidi Becker。

長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們一直相信，木星大氣中的雷電和地球沒有什么不同。但朱諾號(hào)探測(cè)器的觀測(cè)告訴我們：二者之間有著巨大的區(qū)別。在這個(gè)太陽系最巨大的行星上，有一種新形式的閃電呈現(xiàn)在了我們的面前——淺層閃電（shallow lighting）。

除了展示木星別樣的雷暴天氣之外，淺層閃電還向我們暗示著木星的另一個(gè)秘密的答案?？茖W(xué)家們利用朱諾號(hào)探測(cè)器的微波輻射儀對(duì)木星進(jìn)行成分分析后，發(fā)現(xiàn)其大氣中的氨含量比理論低了一些。而且，隨著木星大氣的移動(dòng)，氨的含量也在不斷的變化。這些問題都一直困擾著科學(xué)家。

圣安東尼奧西南研究所的朱諾號(hào)首席研究員Scott Bolton表示：“此前，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)木星有一些氨消失的'洞’，但沒人發(fā)現(xiàn)這個(gè)'洞’有多大，也沒有人意識(shí)到它們?cè)谀拘墙^大部分區(qū)域都廣泛分布。我們正嘗試?yán)冒彼陙斫忉尠钡娜笔?，但是這種雨也不能完全與觀測(cè)結(jié)果相匹配。我認(rèn)為，更深處或許有冰雹之類的結(jié)構(gòu)可以鎖住更多的氨。當(dāng)Heidi發(fā)現(xiàn)了淺層閃電的時(shí)候，我們就意識(shí)到我們可能發(fā)現(xiàn)了氨與高層大氣中的水相結(jié)合的證據(jù)，可見這個(gè)謎題的關(guān)鍵就在于閃電?！?/span>

（圖片說明：根據(jù)朱諾號(hào)的數(shù)據(jù)繪制出來的木星雷暴，十分壯觀，令人窒息）

Becker形容說：“通過近距離飛掠木星頂層大氣，朱諾號(hào)向我們展示了更小、更淺層的閃電，這種閃電形成的高度要比我們以往想象的更高，這非常令人驚訝?！?/span>

Becker和她的團(tuán)隊(duì)嘗試還原了木星雷暴的整個(gè)過程：強(qiáng)烈的雷暴將水冰的結(jié)晶物提升到木星高層大氣，距離水形成的云層達(dá)25公里。按說這里的溫度低于0℃，水是會(huì)保持固態(tài)冰結(jié)構(gòu)的。但是，由于這里有氨，導(dǎo)致水冰融化，并且與之結(jié)合成為氨水。

她指出：“在這個(gè)高度上，氨就像是防凍劑一樣降低了水的熔點(diǎn)，形成了含有氨水溶液的云層。在這樣新的狀態(tài)下，氨水在滴落的過程中會(huì)與上升的水冰晶體碰撞，從而導(dǎo)致云層帶電。這是非常令人驚訝的，因?yàn)榈厍蛏辖^沒有這種氨水云層?！?/span>

（圖片說明：中心處明亮區(qū)域皆是底部“彈出”的云層，它們是木星雷暴的頂端，也是產(chǎn)生低層閃電的根源，圖片來自朱諾號(hào)探測(cè)器）

除此之外，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)木星的另一個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，他們?cè)诎l(fā)表于《地球物理研究雜志》的論文中討論了他們稱之為泥漿球（mushball）的木星獨(dú)特氣象。所謂的泥漿球，指的是由2/3的水和1/3的氨氣結(jié)合形成的冰雹，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為氨水和水冰相互覆蓋，最外層包裹著厚厚的水冰殼。它的形成過程和地球的冰雹類似，隨著在大氣層中的上下波動(dòng)而增大，只是結(jié)構(gòu)有所不同。

來自法國(guó)蔚藍(lán)海岸大學(xué)的朱諾號(hào)聯(lián)合研究員、第二篇論文的主要作者Tristan Guillot描述說：“到最后，泥漿球會(huì)變得非常大，連上升氣流也帶不動(dòng)它們。于是它們會(huì)落到深處，進(jìn)入到更溫暖的環(huán)境，然后蒸發(fā)。它們的作用就是把氨和水都帶入深層大氣中，這就解釋了為何我們利用朱諾號(hào)的微波輻射儀檢測(cè)時(shí)幾乎沒有任何發(fā)現(xiàn)?！?/span>

上面這張圖更加詳細(xì)地描述了淺層閃電和泥漿球的共同演化過程：

首先，在木星可見云層之下大約65公里的深處，形成了一片雷雨云頂層典型的砧狀云。
在水分比較高的濕潤(rùn)對(duì)流推力下，會(huì)形成一個(gè)比較強(qiáng)的上升氣流，將液態(tài)水和水冰的晶體向上推。
在上升大約19公里后，所有的水全部都以固態(tài)形式存在。但是它們并沒有停止上升的趨勢(shì)，而是一直上升到距離木星大氣層頂端約23公里的高度，也就是上圖中綠色虛線所標(biāo)記的位置，溫度已經(jīng)在-100~-85攝氏度之間。
上升到這個(gè)高度的水冰晶體在這里就會(huì)遇到氨氣，這些氨氣將會(huì)發(fā)揮防凍劑的作用，將冰晶熔化，然后與水結(jié)合為氨水，最后包裹上厚厚的冰殼，形成泥漿球。這些泥漿球就會(huì)像我們剛才分析的那樣，超過上升氣流所能承載的極限而落下去，再回到溫暖的深層大氣中蒸發(fā)。

（圖片說明：NASA繪制的木星表面大氣以下翻涌的云層和劇烈的雷暴動(dòng)畫）

Bolton告訴我們：“這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)結(jié)合在一起，對(duì)于解開木星氨氣失蹤之謎來說至關(guān)重要。事實(shí)證明，木星的氨氣并沒有憑空消失，而是在傳輸?shù)倪^程中偽裝了起來，與水結(jié)合在一起并且披上了一層厚厚的外衣。這個(gè)理論的答案可以說是簡(jiǎn)潔而又漂亮，當(dāng)水和氨以液態(tài)形式存在時(shí)，我們無法直接觀測(cè)；而在它們到達(dá)了能夠蒸發(fā)的深度時(shí)，我們才能在如此之深的位置檢測(cè)到它們的存在?！?/span>

作為太陽系最大的行星，木星也是極具代表性的氣體行星，擁有著極為濃厚的大氣層，而且沒有固體表面。因此，它的大氣結(jié)構(gòu)和演化可以說極其復(fù)雜，對(duì)我們來說有很多的未知。我們只知道那是一個(gè)狂野的世界，卻很難穿破重重迷霧看到那里到底發(fā)生了什么。

再過幾年，朱諾號(hào)可能就會(huì)耗盡自己的能源，最終以墜入木星大氣層的方式完成最后的探索，屆時(shí)我們也將擁有一個(gè)更新的視角來看看那個(gè)恐怖的世界。即便如此，木星大氣層的強(qiáng)大壓力也會(huì)導(dǎo)致朱諾號(hào)獲得的信息極為有限。那些秘密何時(shí)才能完全解開，恐怕只有時(shí)間才能給出答案吧！

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