屏住呼吸，NASA首發木星雷暴動畫，仿佛科幻片裡的世界末日
2020-08-07 姿勢分子knowledge早在1979年，NASA的旅行者1號探測器在途徑木星的時候，曾經接收到了非常詭異的超低頻無線電輻射。科學家們推測，這種他們稱之為「哨聲」的現象，是木星大氣層中的閃電。
後來，隨著伽利略號和卡西尼號兩個探測器對木星的近距離探測，人類終於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。
而隨著人類對木星探索的深入，目前最先進的木星探測器朱諾號在2011年發射升空，向我們展示了更多關於木星的事實。就在當地時間8月6日，負責朱諾號探測器的團隊在《自然》雜誌上發表了最新的木星閃電研究成果，主要作者是美國宇航局噴氣推進實驗室的Heidi Becker。
長期以來，科學家們一直相信，木星大氣中的雷電和地球沒有什麼不同。但朱諾號探測器的觀測告訴我們：二者之間有著巨大的區別。在這個太陽系最巨大的行星上，有一種新形式的閃電呈現在了我們的面前——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秘密的答案。科學家們利用朱諾號探測器的微波輻射儀對木星進行成分分析後，發現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，氨的含量也在不斷的變化。這些問題都一直困擾著科學家。
聖安東尼奧西南研究所的朱諾號首席研究員Scott Bolton表示：「此前，科學家們就發現木星有一些氨消失的『洞』，但沒人發現這個『洞』有多大，也沒有人意識到它們在木星絕大部分區域都廣泛分布。我們正嘗試利用氨水雨來解釋氨的缺失，但是這種雨也不能完全與觀測結果相匹配。我認為，更深處或許有冰雹之類的結構可以鎖住更多的氨。當Heidi發現了淺層閃電的時候，我們就意識到我們可能發現了氨與高層大氣中的水相結合的證據，可見這個謎題的關鍵就在於閃電。」
（圖片說明：根據朱諾號的數據繪製出來的木星雷暴，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像的更高，這非常令人驚訝。」
Becker和她的團隊嘗試還原了木星雷暴的整個過程：強烈的雷暴將水冰的結晶物提升到木星高層大氣，距離水形成的雲層達25公裡。按說這裡的溫度低於0℃，水是會保持固態冰結構的。但是，由於這裡有氨，導致水冰融化，並且與之結合成為氨水。
她指出：「在這個高度上，氨就像是防凍劑一樣降低了水的熔點，形成了含有氨水溶液的雲層。在這樣新的狀態下，氨水在滴落的過程中會與上升的水冰晶體碰撞，從而導致雲層帶電。這是非常令人驚訝的，因為地球上絕沒有這種氨水雲層。」
（圖片說明：中心處明亮區域皆是底部「彈出」的雲層，它們是木星雷暴的頂端，也是產生低層閃電的根源，圖片來自朱諾號探測器）
除此之外，該團隊還對木星的另一個現象進行了分析，他們在發表於《地球物理研究雜誌》的論文中討論了他們稱之為泥漿球（mushball）的木星獨特氣象。所謂的泥漿球，指的是由2/3的水和1/3的氨氣結合形成的冰雹，其內部結構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而增大，只是結構有所不同。
來自法國蔚藍海岸大學的朱諾號聯合研究員、第二篇論文的主要作者Tristan Guillot描述說：「到最後，泥漿球會變得非常大，連上升氣流也帶不動它們。於是它們會落到深處，進入到更溫暖的環境，然後蒸發。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的微波輻射儀檢測時幾乎沒有任何發現。」
上面這張圖更加詳細地描述了淺層閃電和泥漿球的共同演化過程：
- 首先，在木星可見雲層之下大約65公裡的深處，形成了一片雷雨雲頂層典型的砧狀雲。
- 在水分比較高的溼潤對流推力下，會形成一個比較強的上升氣流，將液態水和水冰的晶體向上推。
- 在上升大約19公裡後，所有的水全部都以固態形式存在。但是它們並沒有停止上升的趨勢，而是一直上升到距離木星大氣層頂端約23公裡的高度，也就是上圖中綠色虛線所標記的位置，溫度已經在-100~-85攝氏度之間。
- 上升到這個高度的水冰晶體在這裡就會遇到氨氣，這些氨氣將會發揮防凍劑的作用，將冰晶熔化，然後與水結合為氨水，最後包裹上厚厚的冰殼，形成泥漿球。這些泥漿球就會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。
（圖片說明：NASA繪製的木星表面大氣以下翻湧的雲層和劇烈的雷暴動畫）
Bolton告訴我們：「這兩個發現結合在一起，對於解開木星氨氣失蹤之謎來說至關重要。事實證明，木星的氨氣並沒有憑空消失，而是在傳輸的過程中偽裝了起來，與水結合在一起並且披上了一層厚厚的外衣。這個理論的答案可以說是簡潔而又漂亮，當水和氨以液態形式存在時，我們無法直接觀測；而在它們到達了能夠蒸發的深度時，我們才能在如此之深的位置檢測到它們的存在。」
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，它的大氣結構和演化可以說極其複雜，對我們來說有很多的未知。我們只知道那是一個狂野的世界，卻很難穿破重重迷霧看到那裡到底發生了什麼。
再過幾年，朱諾號可能就會耗儘自己的能源，最終以墜入木星大氣層的方式完成最後的探索，屆時我們也將擁有一個更新的視角來看看那個恐怖的世界。即便如此，木星大氣層的強大壓力也會導致朱諾號獲得的信息極為有限。那些秘密何時才能完全解開，恐怕只有時間才能給出答案吧！
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