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別把木星條紋想膚淺了,神秘著呢
2018-10-25 07:27:51 來源: 科技日報
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  木星與“朱諾”號探測器NASA

  近日,水星探測器“貝皮·科倫布”號吸引了人們的關注。這是人類發射的第二個專用水星探測器。實際上人類向太陽係行星派出了諸多探測器,進行深入觀測。比如木星,1973年美國國家航空航天局(NASA)發射了“先鋒10號”探測器,45年來人們共進行了7次飛越觀測和2次專門探測任務。其中,木星表面條紋結構的成因一直是探測重點。

  今年,以色列科學家根據“朱諾”號的數據得出結論,木星的條紋源自其內部的流體運動。但中科院上海天文臺研究員孔大力等學者的研究發現,答案並非如此簡單。相關研究成果發表在最新出版的《美國國家科學院院報》上。

  謎題:木星為何獨具“風彩”

  為何將木星稱為太陽係中的“大塊頭”?因為木星是太陽係行星中最大的一顆。研究數據顯示,木星的直徑約為地球的11.25倍,體積約為地球的1316倍,而質量約為地球的318倍,是太陽係中其它7顆行星質量之和的2.5倍。木星比地球“勤快”很多,它不到10小時便自轉一周。實際上,木星的與眾不同之處不僅在于“大塊頭”,更在于“高顏值”。通過望遠鏡觀測木星表面,人們可以看到與赤道平行、明暗交替的條紋,呈現出紅、褐、白等多種顏色。

  “木星表面的條紋實際上是沿著緯線方向橫掃全球的大氣環流,風力強勁持久,可高達120米/秒。在一定的溫度和大氣條件下,木星大氣中氨、甲烷、水等分子成分顯現出不同的顏色,從而呈現出明暗交替的條紋狀結構。”孔大力在接受科技日報記者採訪時表示,以氨分子為例,木星表面亮條紋處的溫度較低,恰好使得氨氣會凝結成冰晶,反照率高,看起來亮白一些。暗條紋處溫度較高,氨氣不會結冰,反射陽光能力減弱,顏色較暗淡。

  為什麼其他行星沒有呈現出類似的彩色條紋?“實際上,其他的氣態行星,如土星、天王星、海王星,大氣動力學狀態與木星無本質差別,也普遍存在強烈的環流和相應的條紋結構,只是沒有顯現出不同的顏色。”孔大力進一步解釋,其他氣態行星與太陽的距離較木星遠,整體大氣溫度比木星低,氨分子總是以冰晶的形式存在,無明顯的狀態變化,因此反照率趨于一致,人們也就無法觀測到條紋相間的帶狀結構。

  作答:這些條紋可不“膚淺”

  既然條紋結構的實質是木星的大氣環流,那麼大氣環流又是如何形成的?

  天文學界目前主要有兩種理論解釋其成因。一種理論認為木星與地球上大氣環流的形成原因類似,認為氣態行星的大氣環流完全是由薄層大氣中不同緯度上溫度的差異驅動的。該理論認為條紋結構僅僅存在于木星大氣外層,就像在勻色木球表面畫上去的彩帶。

  “然而,作為氣態行星,木星並不像地球擁有大氣層和地面的清晰分界線,因此大氣的運動或許與地球並不類似。”孔大力表示,部分天文學家從這個角度出發,認為大氣環流並非淺表現象,而是受深部對流控制,提出深度雲層風模型。這就需要從木星的物理結構説起。經過多年觀測,天文學界普遍認為,木星球體中心處為高密度岩石內核,外部包裹著厚厚的金屬氫,再向外延伸便是主要成分為氫的大氣。木星從裏到外是連續的整體,大氣運動也不可能獨立于內部而單獨存在。由于這位“大塊頭”質量巨大,其體積在重力作用下不斷收縮,勢能轉變為熱能,導致木星內部釋放出顯著的熱量,從而驅動和維持大氣環流。因此,深度雲層風模型認為木星的大氣環流運動一直延伸到大氣內部,並在大氣表層呈現出不同急流帶的輪廓。

  上述兩種理論基于不同的出發點,各有其科研數據支撐。從20世紀70年代提出至今,二者已然博弈了40余年。2017年,NASA發射的“朱諾”號探測器進入環繞木星的軌道。學界十分希望通過“朱諾”號的引力場數據分析出木星環流的真正成因。2018年,以色列科學家約海·卡斯皮及其科研團隊在“朱諾”號數據基礎之上建立了相關數學模型,認為木星大氣的條紋環流是內部流體運動模式在外表的延續和體現。這項支持深度雲層風模型的研究成果發表在《自然》期刊上。

  一直困擾天文學家的木星大氣環流成因問題就這樣一錘定音了嗎?

  質疑:謎底仍未揭開

  在質疑中尋求真理,這恰恰是科學的魅力。孔大力科研團隊發現約海·卡斯皮團隊在相關數學模型建立中存在問題。“約海·卡斯皮等人不加修改地採用研究地球大氣層中環流擾動的數學模型去研究木星,這就出現了一個本質的錯誤。”孔大力表示,木星與地球結構存在很大差異。地球大氣層只是球體外部的薄層,其産生的引力與整個岩石地面相比微乎其微,可以忽略不計。因此研究地球大氣環流時,往往忽略大氣自身引力的影響。但是,木星內核、金屬氫層以及大氣層均無明顯界限,大氣自身引力是維持大氣狀態相對穩定的一個重要原因。“研究木星大氣環流時怎麼能忽略掉大氣自身的引力呢?”

  隨後孔大力團隊與英國埃克塞特大學、澳門科技大學相關學者進行合作,提出了符合木星物理條件的數學模型,建立起大氣運動和引力場擾動之間的聯係。“木星大氣運動會造成物質分布的變化,從而産生對引力場的擾動信號。通過‘朱諾’號捕獲這種擾動信號就可以反推物質的運動情況。”孔大力表示,其合作團隊共同發展了邏輯上自洽、物理上正確、數學上嚴謹的木星環流模型和反演方法,提出了兩類可能的木星環流形態,分別針對上述兩種傳統的環流成因找到了各自對應的環流模式,從而證明上述兩種成因都可能解釋“朱諾”號引力場的測量結果。

  “我們利用正確的模型對‘朱諾’號的引力場探測數據進行了反推解讀,得到了與約海·卡斯皮團隊不同的結果。這就意味著,約海·卡斯皮等人的結論是站不住腳的,可能會誤導科學界。”孔大力表示。

  “木星大氣中條紋環流的成因是氣態行星物理研究中的一個重大問題,而且不是一個孤立的課題。”孔大力強調,環流的結構和驅動方式與行星內部更深處的結構和物理條件息息相關。以現有的技術水平,人們難以觀察到行星內部,所以條紋狀的大氣環流是間接研究行星深部物理結構特徵的重要途徑。因此,木星大氣環流成因的結論將深刻地影響人們對氣態行星內部物理狀態的認識。(于紫月

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