木星上已確認出現(xiàn)由冰“蘑菇球”——氨和水的泥漿混合物——組成的奇異冰雹，當這些冰凍的泥漿球從高聳的風暴中落下時，強烈的閃電照亮了它們。利用首批木星對流層的3D可視化圖像，研究人員發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)天氣系統(tǒng)出奇地淺，但深對流系統(tǒng)卻能穿透云層，將氨和水分離，并將它們拖至云頂深處。
這幅插圖使用了美國宇航局朱諾號任務獲得的數(shù)據(jù)，描繪了木星上的高空雷暴。朱諾號探測器靈敏的恒星參考單元相機在近距離飛掠木星時，探測到了木星背面異常的閃電。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichst?dt
這顛覆了人們對木星存在良好混合的氣態(tài)巨行星的認識，因為蘑菇球就像地下傳送帶一樣，捕獲并運輸化學物質，從而重塑了我們對巨行星大氣的理解。
想象一下，一個巨大的冰沙由氨和水組成，包裹在堅硬的冰殼中。現(xiàn)在，想象一下，這些冰冷的冰沙球——被稱為“蘑菇球”——像冰雹一樣穿過木星大氣層，被強烈的閃電照亮。
據(jù)加州大學伯克利分校的行星科學家稱，這種劇烈的天氣并非科幻小說中的情節(jié)——它真的發(fā)生在木星上。這些伴有閃電的冰雹也可能出現(xiàn)在太陽系的其他氣態(tài)巨行星上，例如土星、天王星和海王星，甚至可能出現(xiàn)在整個銀河系的氣態(tài)行星上。
“蘑菇球”的概念最初于2020年提出，旨在解釋木星高層大氣中觀測到的氨氣含量令人費解的變化。這些異?，F(xiàn)象被美國宇航局的“朱諾”號航天器探測到，并被地面射電望遠鏡證實。
當時，加州大學伯克利分校的研究生克里斯·莫克爾和他的導師、名譽教授伊姆克·德·帕特對此表示懷疑。該理論需要非常特殊和極端的大氣條件才能成立。
木星高層大氣（或對流層）的橫截面，顯示了橫跨木星赤道或赤道帶（EZ）的南北向帶狀風暴的深度。藍色和紅色分別代表高于和低于正常值的氨氣豐度。通過追蹤氨氣，加州大學伯克利分校的兩項新研究表明，木星上快速變化的天氣系統(tǒng)大多非常淺（左圖），但兩種類型的風暴——快速上升的氨羽流（中圖）和類似龍卷風的渦旋——沖擊力更深，是造成大氣氣體分離的原因。大規(guī)模風暴會產(chǎn)生蘑菇球，這些蘑菇球會比氨羽流和渦旋下落得更深。圖片來源：加州大學伯克利分校的Chris Moeckel
“伊姆克和我當時都覺得，‘這不可能是真的，’”莫克爾說道。他去年獲得了加州大學伯克利分校的博士學位，現(xiàn)在是加州大學伯克利分校空間科學實驗室的研究員?！耙嬲忉屵@一點，需要很多因素的共同作用，這看起來太不可思議了。我花了基本上三年的時間試圖證明這是錯的，但我沒能證明它是錯的。”
這一證實結果最近發(fā)表在《科學進展》雜志上，與木星高層大氣的第一個 3D 可視化圖像同時出現(xiàn)，該圖像由 Moeckel 和 de Pater 最近創(chuàng)建并在一篇論文中描述，該論文目前正在接受同行評審，并發(fā)布在預印本服務器 arXiv 上。
木星對流層的3D圖像顯示，木星上的大部分天氣系統(tǒng)都很淺，僅到達可見云層（或行星“表面”）以下10至20公里，而云層半徑為7萬公里。環(huán)繞行星的帶狀云層中，大多數(shù)色彩斑斕的漩渦圖案也很淺。
然而，有些天氣現(xiàn)象出現(xiàn)在對流層更深的地方，重新分配氨和水，從根本上打破了長期以來被認為是均勻的大氣。造成這種現(xiàn)象的三種天氣事件是：類似颶風的渦旋、與富含氨的羽流相結合并以波浪狀結構環(huán)繞地球的熱點，以及產(chǎn)生蘑菇球和閃電的大型風暴。
這張插圖描繪了木星（以及其他可能的氣態(tài)巨行星）上猛烈的風暴如何形成蘑菇球和淺層閃電。蘑菇球是由雷暴云形成的，雷暴云在云頂下方約40英里處形成，并推動強烈的上升氣流，將水冰向上帶到極高的高度，有時甚至會超過可見的云層。當它們到達可見云層下方約14英里的高度時，氨就像防凍劑一樣，融化冰并與冰結合形成一層粘稠的氨水液體，表面覆蓋著水冰——蘑菇球。蘑菇球不斷上升，直到變得過重，然后回落穿過大氣層，不斷增長，直至到達水凝結層并蒸發(fā)。這最終導致氨和水從高層大氣（綠色和藍色層）重新分配到云層下方深處，從而形成了在射電觀測中可見的氨耗盡區(qū)域。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/CNRS
“每次觀察木星，它大多只是表面，”莫克爾說?！八軠\，但有一些東西——渦旋和這些大風暴可以穿透它?！?/p>
“朱諾號探測顯示，氨在所有緯度（深達約150公里）范圍內(nèi)都已耗盡，這真的很奇怪，”德·帕特說道，他10年前就發(fā)現(xiàn)氨在深達約50公里的范圍內(nèi)耗盡?！翱死锼乖噲D用他的風暴系統(tǒng)比我們預期的要深得多來解釋這一點?！?/p>
像木星和土星這樣的氣態(tài)巨行星，以及像海王星和天王星這樣的冰巨行星，是當前太空任務和大型望遠鏡（包括詹姆斯·韋伯太空望遠鏡）關注的重點，部分原因是它們可以幫助我們了解太陽系的形成歷史，以及對遙遠系外行星（其中許多行星體積巨大且由氣態(tài)構成）的地面真實觀測。由于天文學家只能觀測到遙遠系外行星的高層大氣，因此，了解如何解讀這些觀測結果中的化學特征可以幫助科學家推斷系外行星內(nèi)部的細節(jié)，即使是類地行星也是如此。
莫克爾說：“我們基本上表明，大氣層頂部實際上不能很好地代表行星內(nèi)部的情況?！?/p>
這是因為像那些形成蘑菇球的風暴會分離大氣，因此云頂?shù)幕瘜W成分并不一定反映大氣深層的成分。木星不太可能是獨一無二的。
“可以將其擴展到天王星、海王星——當然也包括系外行星，”德帕特說。
木星的大氣與地球截然不同。它主要由氫氣和氦氣組成，并含有微量的氣態(tài)分子，例如氨和水，這些分子比整體大氣重。地球的大氣主要由氮氣和氧氣組成。木星也存在像大紅斑這樣的風暴，持續(xù)數(shù)個世紀。雖然氨氣和水蒸氣會上升，凍結成像雪一樣的水滴，并持續(xù)下雨，但由于沒有固體表面，雨滴會落到哪里呢？
“地球有一個表面，雨水最終會落在這個表面，”莫克爾說?！皢栴}是：如果把這個表面拿走會發(fā)生什么？雨滴會落到地球多遠的地方？這就是我們在巨行星上遇到的情況?！?/p>
幾十年來，這個問題一直激起行星科學家的興趣，因為降雨和風暴等過程被認為是行星大氣的主要垂直混合器。幾十年來，人們一直基于“大氣混合良好”的簡單假設，推斷著像木星這樣的氣態(tài)巨行星的內(nèi)部構成。
射電望遠鏡的觀測（其中大部分由德帕特及其同事進行）表明，這個簡單的假設是錯誤的。
“湍流云頂會讓你相信大氣混合得很勻，”莫克爾說道，他引用了一鍋沸騰的水來打比方?！叭绻憧丛祈?，你會看到它在沸騰，你會認為整鍋水都在沸騰。但這些發(fā)現(xiàn)表明，盡管云頂看起來像在沸騰，但下面實際上是一層非常穩(wěn)定且緩慢的云層。”
莫克爾表示，在木星上，大部分水雨和氨雪似乎在寒冷的大氣層高處循環(huán)，并在下落時蒸發(fā)。然而，甚至在朱諾號抵達木星之前，德·帕特和她的同事就報告說，木星高層大氣缺乏氨。然而，他們能夠通過動態(tài)和標準天氣模型來解釋這些觀測結果，這些模型預測雷暴中氨會降水到水層，在那里水蒸氣會凝結成液體。
然而，朱諾號的射電觀測追蹤到混合較差的區(qū)域深度要大得多，可達約150公里，許多區(qū)域令人費解地缺乏氨，而且目前還沒有已知的機制能夠解釋這些觀測結果。這導致有人提出，水和氨冰必須形成冰雹，然后落出大氣層并帶走氨。但這些足夠重、能夠落入大氣層數(shù)百公里的冰雹是如何形成的，仍然是個謎。
為了解釋木星大氣部分區(qū)域為何缺乏氨，行星科學家特里斯坦·吉洛特提出了一個理論，該理論涉及猛烈的風暴和被稱為蘑菇球的冰雹。根據(jù)該理論，風暴期間強烈的上升氣流可以將微小的冰粒抬升到云層上方——超過60公里的高度。在這些高度，冰粒與氨蒸氣混合，氨蒸氣的作用類似于防凍劑，將冰融化成泥狀液體。隨著這些粒子不斷上升和下降，它們會變得越來越大——就像地球上的冰雹一樣——最終變成壘球大小的蘑菇球。
這些蘑菇球可以以3比1的比例捕獲大量的水和氨。由于它們的大小和重量，它們會墜落到大氣層深處——遠低于風暴開始的地方并攜帶著氨。這有助于解釋為什么氨似乎在高層大氣中缺失：它被拖拽下來，隱藏在行星深處，在那里留下了微弱的信號，可以用射電望遠鏡觀測到。
然而，這一過程取決于許多具體條件。風暴需要有非常強的上升氣流，大約每秒100米，而且泥漿顆粒必須快速與氨混合，并變得足夠大，才能在墜落過程中存活下來。
“蘑菇球的旅程基本上始于云層下方約50到60公里處，當時是水滴。這些水滴迅速上升到云層頂部，在那里凍結，然后落入行星內(nèi)部一百多公里，在那里開始蒸發(fā)并沉積物質，”莫克爾說。“所以，本質上，這是一個奇怪的系統(tǒng)，它在云層下方很遠的地方被觸發(fā)，一直到達大氣層頂部，然后深深地沉入行星內(nèi)部?！?/p>
朱諾號無線電數(shù)據(jù)中關于一個風暴云的獨特特征使他和他的同事確信這確實是真實發(fā)生的事情。
“云層下方有一小塊區(qū)域，看起來要么像是在冷卻，也就是冰融化，要么像是在增強氨，也就是氨融化并釋放，”莫克爾說?！白罱K，我被說服了，因為這兩種解釋都只適用于蘑菇球?！?/p>
論文合著者、巨行星云層動力學專家、加州理工學院帕薩迪納分校博士后研究員葛華志表示，無線電信號不可能由水雨滴或氨雪引起。
莫克爾說： “ 《科學進展》的論文從觀察的角度表明，這個過程顯然是正確的，這與我想要找到更簡單答案的愿望背道而馳?！?/p>
世界各地的科學家定期使用地面望遠鏡觀測木星，觀測時間與朱諾號每六周最接近木星的時間一致。在兩篇論文涵蓋的時間段——2017年2月和2019年4月——研究人員利用哈勃太空望遠鏡（HST）和位于新墨西哥州的甚大天線陣（VLA）的數(shù)據(jù)來補充朱諾號的觀測數(shù)據(jù)，試圖創(chuàng)建對流層的三維圖像。哈勃太空望遠鏡在可見光波長下測量云頂反射光，而射電望遠鏡甚大天線陣（VLA）則探測到云層以下數(shù)十公里，提供全球背景信息。朱諾號的微波輻射計則探測了木星大氣中有限區(qū)域的深層大氣。
莫克爾說：“我開發(fā)了一種斷層掃描方法，它利用無線電觀測數(shù)據(jù)，將其轉換成朱諾號所見大氣層的三維渲染圖?！?/p>
木星這一帶的 3D 圖像證實，大部分天氣現(xiàn)象都發(fā)生在 10 公里以上的區(qū)域?！八Y層在控制木星的動態(tài)和天氣方面起著至關重要的作用，只有最強大的風暴和海浪才能突破這一層。”
莫克爾指出，他對木星大氣的分析由于缺乏公開可用的朱諾號任務校準數(shù)據(jù)產(chǎn)品而被推遲。鑒于目前發(fā)布的數(shù)據(jù)水平，他被迫獨立重建任務團隊的數(shù)據(jù)處理方法——工具、數(shù)據(jù)和討論。如果能早點分享，這些工具、數(shù)據(jù)和討論內(nèi)容本可以顯著加速獨立研究，并擴大科學參與度。他已將這些資源公開，以支持未來的研究工作。
編譯自/ScitechDaily
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