大氣謎團:從金星到木星

2021-01-16 牧夫天文
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翻譯：王永豐

校對：牧夫天文校對群

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤

原文連結：https://www.space.com/jupiter-polar-vortices-stability.html


近期人們把目光投向金星，它厚重的大氣層中檢測到與生命相關的磷化氫物質。金星的熱點還沒過，木星又來湊熱鬧了。一直以來，木星的大氣現象就令人著迷，最新的研究帶領我們走進這個巨型氣態行星。


朱諾木星探測器   credit：space.com


2016年，NASA的朱諾探測器進入木星軌道。當它飛過南北兩極時，發現木星極地地區存在幾個巨大風暴，而且這些氣旋在極地地區規律地排列著。北極地區存在一個中心風暴，並且還有8個氣旋圍繞著他。南極地區則是一個中心風暴被6個氣旋包圍著。


木星北極的巨大氣旋  credit：space.com

木星南極的巨大氣旋  credit：NASA/JPL


這些極地氣旋是如何形成的？為何每個都能保持相對固定的位置而不是合併成一個巨大的風暴，這些問題一直困擾著科學家。隨著新研究的進展，我們找到了一些答案，但也發現了新的謎題。


來自加州大學的行星科學家李成教授解釋道："木星的極地區域和其它行星迥然不同，我們驚訝的發現：眾多氣旋如此有規律的排列著。"


木星南極六邊形分布的氣旋陣 

 Credits: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM

每個巨大氣旋的寬度都在4000千米到7000千米之間不等，與位於中央的風暴保持著大概8700千米的距離。在朱諾探測器抵達後的四年裡，這些巨大的氣旋和他們組成的幾何陣幾乎沒有發生變化，而這背後的原因一直是一個謎。


從空間站俯瞰2003年的颶風伊莎貝爾

credit：nasa.gov/connect/chat/hurricane_chat.html


在地球上，風暴永遠都是向著南北兩極移動，但它們登陸後或進入海洋冷水區域，然後逐漸消失。相比之下，木星上既沒有陸地也沒有海洋，是什麼在阻擋這些巨大氣旋本該發生的合併呢？（土星與木星都是巨星氣態行星，但在土星的南北兩極卻都只有一個風暴）


2006年 卡西尼探測器在土星北極拍攝的風暴

credit：solarsystem.nasa.gov/news/13037/a-vexing-hexagon



"據我們之前的所有理論推斷，所有巨行星的極地地區要麼會被一個巨大風暴所佔據，就像土星那樣，要麼就是完全混亂的。"  李教授說。"我們之前所有的理論已經被我們在木星上所看到的景象推翻，我們需要新的理論。"


土星北極的風暴      credit:space.com


為了解決這個難題，李教授和他的同事根據朱諾探測器傳送回來的關於木星巨大氣旋的數據，在電腦上進行模擬。李教授所關注的是哪些因素可以阻止氣旋的合併，保持它們所組成的幾何陣型。


研究者發現這些氣旋在地理位置上的穩定性一小部分取決於他們在木星大氣層下的高度。但主要還是因為每一個氣旋都被一圈與自己相反運動的風所包圍。而當這一圈反向風的風力過小時，這些氣旋便會向極點繼續移動而最終合併形成一個巨大氣旋。如果反向風的風力過大，則會使氣旋之間距離增大，氣旋陣也會被拆散。


這個反向風的推測雖然解決了氣旋不合併的難題，但同時它也帶來了新的疑惑。例如：為何這個反向風的風力可以長時間保持不發生巨大變化，不強不弱，正好將所有氣旋"釘"在他們的位置上。"這個反向風為何一直保持在合適的風力上？對此我們毫無頭緒。" 李教授說。

大氣旋比整個美國還大，小氣旋也大過整個德州

credit:https:space.com/jupiter-polar-vortices-stability


現在科學家致力於研究這些氣旋是如何形成的。第一種可能是他們就在極地形成。"不過我們認為這些氣旋在木星其它區域形成然後慢慢移動到南北兩極的可能性更大。"


當研究者數據建模後，他們便可以確認哪種形成方式可能性更大，之後根據這些氣旋的形成方式來計算反向風的形成。但推算這些氣旋的形成方式是一個挑戰，"因為若要建立這些氣旋模型，我們既需要擁有極為精細的3D建模技術，又需要擁有關於這些氣旋更精細全面的數據，但我們並沒有收集到完整的氣旋數據，例如我們並不了解它們的內部結構。" 李教授解釋道。"雖然我們的數據不夠全面，但我們正在嘗試可能的內部結構模型，看哪些與朱諾收集的木星氣旋數據最為匹配， 再做更深的研究。"


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攝影師：Nicolas Lefaudeux


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