電學現象！天文學家在木星大氣發現「精靈」

2020-12-12 天文在線

科學家說，NASA的朱諾任務首次在木星的雲層探測到了「精靈」——地表上雷暴上空的電現象，它不似地球上紅色的雷電，而是藍色的。



藝術家們對於木星空氣中閃電「精靈」的概念來自於朱諾飛船所獲取的信息，朱諾飛船正在繞木星運動。科學家們相信，木星上的「精靈」有可能是藍色的。圖片來源於NASA/ JPL-Caltech/ SwRI.

在木星大氣的雷暴上空，閃電「精靈」轉瞬即逝的瞬間爆發出巨大的電力。科學家們將此稱之為瞬變光學事件或薄層電泳,這種現象很難被捕捉到，美得近乎詭異。不久之前，科學家們還在討論這種現象在地球大氣是否存在。現如今，地球存在這種自然現象已經得到了氣象學家的證實，自然攝影師們也拍攝到過。NASA在太陽系最大的行星——木星上湍流的大氣中首次發現了「精靈」，雲盤狀的光輝極速擴張，持續時間不到千分之一秒。



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這些經過同行評審的成果，是由科學家們利用朱諾號的木星任務發現的，並於2020年10月27日在《地球物理研究：行星》期刊上發表。在美國天文學會行星科學部年會（DPS2020）期間舉行的新聞發布會上，也公布了這一結果。

科學家們曾提出理論，認為瞬變光學事件，或稱「精靈」，應該存在於木星的大氣層中，但這是第一個證明它們確實存在的良好證據。他們是怎麼找到這些證據的呢？

除了在普通光線下拍攝圖像，朱諾還用它的紫外線光譜儀（UVS）觀測木星。2019年夏天，研究人員在研究這些圖像時發現了一些有趣的東西：一條窄而明亮的紫外線條紋，這似乎是科學家們希望找到的，一顆「精靈」。



2020年4月10日朱諾號在木星南極附近的明亮閃光（圓圈處），被認為是瞬變光學事件或薄層電泳。圖片來源：美國宇航局（NASA）/噴氣推進實驗室-加州理工（JPL-Caltech）/西南航空研究所（SwRI）。

羅西尼·賈爾斯，是一名在西南研究所（SwRI）研究朱諾號的科學家，同時也是這項新研究的領頭人。他在一份聲明中說道：

紫外線光譜儀（UVS）是專門設計用來反映木星美麗的南北極光的。但在木星的紫外線光譜儀圖上，它不僅展現了木星的極光，而且還有一束明亮的紫外線閃光出現在我們沒有想到的角落處。隨著研究的深入，我們愈發意識到，朱諾號很有可能在木星上發現了一個轉發器（TLE）。

賈爾斯進一步解釋道：

將所有照片放在一起的時候，我們注意到，這些驚人的、短暫的、明亮的閃光並不常見。在統計了過去四年執行任務中的所有數據後，我們發現，11束亮光有著相似的性質。

由於現在還處在發現的初期，科學家們還不知道木星上「精靈」的出現頻率。但在目前，找到第一顆「精靈」已經是一個非常令人激動的發現了。在過去的幾項研究中，有科學家已經對木星的「精靈」作出過預測。但迄今為止，這個發現是首次證明它們存在的直接證據。



史蒂芬·哈默爾（Stephen Hummel）在西德克薩斯州的麥克唐納天文臺工作，他在2020年7月2日捕捉到了這隻稍縱即逝的「閃電精靈」（又名「紅色精靈」）。麥克唐納天文臺正在其所在地區率先發起一項「黑暗天空」計劃。史蒂芬評論道：「黑暗的天空能幫助你看到像『精靈『這樣暗淡的物體。」謝謝你，史蒂芬！



2015年，國際空間站的太空人在美國上空的雷暴上方，看到了「紅色精靈」。圖片來源：NASA/ScienceAlert。



地球大氣中不同類型的電現象，包括瞬變光學事件或薄層電泳（兩種「精靈）。圖片來源：Abestorbi。

「朱諾」號探測到的「精靈」是在一個已知也會發生閃電的地區發現的。「朱諾」團隊的科學家們認定這些新的閃電不是普通的閃電，因為它們是在木星閃電發生的海拔186英裡（300公裡）的地方發現的，在大氣中的水雲層之上。與地球上其他閃電不同的是，這些閃電也主要是氫排放。

地球上的「精靈」看上去很奇特，有點像水母，有一個中心擴散的光環和長長的觸鬚向下延展。它們往往出現在雷暴上空60英裡（97公裡）的地方，而且只持續幾毫秒，比眨眼的時間還快，這就解釋了為什麼在飛行員開始報告它們之前，很少有人看到過它們。直到1989年，實驗物理學家約翰·R·溫克勒（JohnR.Winckler，1916-2001）在測試一臺微光電視攝像機時拍攝到了一張照片。現在，你可以找到許多它們的照片，例如在太空氣象網（SpaceWeather.com）.

地球上的「精靈」通常顏色偏紅，但在木星上可能是不同的顏色。賈爾斯說：

在地球上，「精靈」由於與上層大氣中的氮相互作用而呈現出發紅的顏色。但在木星上，高層大氣主要由氫組成，所以它們可能會呈現藍色或粉紅色。

當雷擊產生高空準靜電場時，就會產生瞬變光學事件。在其他情況下，雷擊向上發射電磁脈衝，產生發光的圓盤，稱為薄層電泳。



「朱諾」號也曾在木星上看到閃電，比如2018年5月24日的閃電（插圖右下角的亮點）。彩色的橢圓形是北極附近的極光。圖片來源：美國宇航局（NASA）/噴氣推進實驗室-加州理工（JPL-Caltech）/西南航空研究所（SwRI）。



從地面上看，「精靈」貌似並沒有那麼大，但它們可能有30英裡（50公裡）寬。《華盛頓郵報》首都天氣組的馬修·卡普奇（Matthew Cappucci）去年說過：

「想像一下從巴爾的摩直到華盛頓特區的一次放電！」

「朱諾」號此前也觀測到木星上有閃電。閃電和「精靈」的發現凸顯出木星的大氣層在某些方面與地球相似，至少在視覺上是如此。然而，它的深度要大得多，而且更加動蕩，它的長期風暴使我們這個星球上所見過的任何風暴都相形見絀。木星風暴主要由氫和氦組成。



木星上的閃電襲擊也更為強大，儘管不那麼頻繁。閃電大多數都出現在木星帶和西面急流附近，在木星的兩極也發現了一些，這使得木星成為除地球之外唯一一個觀測到極地閃電的行星。與地球上的雷暴一樣，木星的閃電與它的大風暴密切相關。


這項新研究的主要作者，來自西南航空研究所（SwRI）的羅西妮·吉爾斯（Rohini Giles）。圖片來源：羅西妮·吉爾斯（Rohini Giles）。

在木星上首次發現「精靈」是令人興奮的，科學家們還將繼續尋找更多的「精靈」，正如吉爾斯所說：

「朱諾號每次執行科學任務時，我們都會繼續尋找更多』精靈』的蛛絲馬跡。既然我們知道要尋找什麼，那麼在木星和其他行星上就更容易找到它們了。將來自木星的』精靈』與地球上的』精靈』進行比較，將有助於我們更好地了解行星大氣中的電活動。」

小結：地球雷暴上空的電現象「精靈」，現已首次在木星上被發現！

作者：Paul Scott Anderson

FY：Astronomical volunteer team

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