木星上的風暴正在擾亂這個星球上的彩色腰帶

2020-08-28 閱盡世界美好

無線電，紅外和光學觀測顯示羽流的演變及其對帶和區域的影響

深深紮根於木星大氣層的暴風雲正在影響著地球的白色區域和色彩斑斕的腰帶，對它們的流動造成幹擾，甚至改變它們的顏色。

由於六個地面光學和射電望遠鏡以及美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，加利福尼亞大學伯克利分校的天文學家和她的同事們已經能夠追蹤這些風暴的影響，所以在2017年1月對地球進行了協調觀測。在地球的氨冰雲之上的明亮羽毛 - 在它們出現的皮帶上。

這些觀測結果最終將幫助行星科學家了解木星的複雜大氣動力學，木星具有大紅斑和彩色層狀蛋糕狀帶，使其成為太陽系中最美麗，最多變的巨型氣體行星之一。

在智利的阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列（ALMA）首次觀測前幾天，業餘天文學家菲爾·邁爾斯在澳大利亞發現了一個這樣的羽狀物，一周後哈勃拍攝的照片顯示羽狀物產生了第二羽。並在南赤道帶的雲帶中留下下遊幹擾。隨後上升的羽毛與木星強大的風相互作用，從原點向東和向西延伸雲層。

三個月前，北赤道帶北部略有亮點。雖然這些羽毛在2017年消失了，但腰帶已向北擴展，其北緣已從白色變為橙色。

加州大學伯克利分校的天文學教授，研究負責人Imke de Pater說：「如果這些羽毛充滿活力，並繼續發生對流事件，它們可能會隨著時間的推移而擾亂其中一個頻段，儘管可能需要幾個月的時間。」 「通過這些觀察，我們看到一個正在進行的羽流和其他人的後遺症。」

對羽流的分析支持了這樣的理論：它們起源於雲頂下方約80公裡處的液態水雲。描述結果的論文已被接受在天文學雜誌上發表，現已上線。

進入平流層

木星的大氣主要是氫氣和氦氣，含有微量的甲烷，氨，硫化氫和水。最頂層的雲層由氨冰組成，包括我們用肉眼看到的棕色帶和白色區域。在該外部雲層下面放置一層固體硫氫化銨顆粒。更深的是，在上層雲層下方約80公裡處，是一層液態水滴。

暴風雲de Pater和她的團隊研究出現在帶和區域中作為明亮的羽狀物，其行為很像地球上雷暴之前的積雨雲。木星的暴風雲，就像地球上的那些，經常伴隨著閃電。

然而，光學觀測不能在氨雲下面看到，所以de Pater和她的團隊一直在用射電望遠鏡深入探測，包括ALMA和新墨西哥州的超大陣列（VLA），由美國國家科學基金會資助國家射電天文觀測臺。

ALMA陣列對木星的第一次觀測發生在2017年1月3日至5日之間，幾天之後，行星的南赤道帶的業餘天文學家看到了其中一個明亮的羽狀物。一周之後，哈勃，夏威夷的VLA，Gemini，Keck和Subaru天文臺以及智利的超大望遠鏡（VLT）拍攝了可見光，無線電和中紅外線的圖像。

De Pater將ALMA無線電觀測結果與其他數據相結合，專門針對新釀造的風暴，因為它衝穿了上層甲基的氨冰雲。

數據顯示，這些暴風雲達到了對流層頂 - 大氣中最寒冷的部分 - ，它們像砧座形狀的積雨雲一樣散開，在地球上產生閃電和雷聲。

「我們的ALMA觀測結果首次表明在高能噴發期間會產生高濃度的氨氣，」德帕特說。

觀察結果與一種稱為溼對流的理論一致，即關於這些羽狀物是如何形成的。根據這一理論，對流帶來的氨氣和水蒸氣混合物足夠高 - 在雲頂下方約80公裡處 - 使水凝結成液滴。冷凝水釋放熱量，使雲膨脹，並迅速向上漂浮通過其他雲層，最終突破大氣頂部的氨冰雲。

羽流的動量將過冷的氨雲帶到現有的氨冰雲之上，直到氨結冰，形成一個明亮的白色羽狀物，突出了圍繞著木星的彩色條帶。

「我們對這些數據非常幸運，因為它們是在業餘天文學家在南赤道帶發現明亮的羽狀物後幾天拍攝的，」德佩特說。「通過ALMA，我們觀察了整個行星，看到了羽狀物，而且由於ALMA探測器位於雲層之下，我們實際上可以看到氨雲下面發生了什麼。」

哈勃在ALMA之後一周拍攝了圖像並拍攝了兩個獨立的亮點，這表明羽狀物來自同一個源，並被高空急流向東傳播，導致腰帶出現大的幹擾。

巧合的是，三個月前，在北赤道帶以北觀察到了明亮的羽狀物。2017年1月的觀測表明，該帶的寬度已經擴大，首次看到羽狀的帶從白色變為橙色。De Pater懷疑北赤道帶向北擴張是由於氨耗盡的氣體回落到更深的大氣中。

De Pater的同事和澳大利亞墨爾本大學的共同作者Robert Sault使用特殊的計算機軟體分析ALMA數據，以獲得與哈勃拍攝的可見光照片相當的表面無線電地圖。

「木星每10小時旋轉一次通常會使無線電地圖模糊，因為這些地圖需要花費很多時間來觀察，」索爾說。「此外，由於木星的大尺寸，我們必須'掃描'這個星球，所以我們最終可以製作一個大型馬賽克。我們開發了一種技術來構建一個完整的地圖。」

VLT數據由英國萊斯特大學的Leigh Fletcher和Padraig Donnelly提供，而加利福尼亞噴氣推進實驗室的Glenn Orton和James Sinclair以及日本東京大學的Yasuma Kasaba提供了SUBARU數據。馬裡蘭州NASA戈達德太空飛行中心的Gordon Bjoraker和南卡羅來納州克萊姆森大學的MátéÁdámkovics分析了Keck的數據。

這項工作得到了美國宇航局行星天文學獎（NNX14AJ43G）和太陽系觀測獎（80NSSC18K1001）的支持。

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