木星與“朱諾”號(hào)探測(cè)器NASA
近日，水星探測(cè)器“貝皮·科倫布”號(hào)吸引了人們的關(guān)注。這是人類(lèi)發(fā)射的第二個(gè)專(zhuān)用水星探測(cè)器。實(shí)際上人類(lèi)向太陽(yáng)系行星派出了諸多探測(cè)器，進(jìn)行深入觀測(cè)。比如木星，1973年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)發(fā)射了“先鋒10號(hào)”探測(cè)器，45年來(lái)人們共進(jìn)行了7次飛越觀測(cè)和2次專(zhuān)門(mén)探測(cè)任務(wù)。其中，木星表面條紋結(jié)構(gòu)的成因一直是探測(cè)重點(diǎn)。
今年，以色列科學(xué)家根據(jù)“朱諾”號(hào)的數(shù)據(jù)得出結(jié)論，木星的條紋源自其內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)。但中科院上海天文臺(tái)研究員孔大力等學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，答案并非如此簡(jiǎn)單。相關(guān)研究成果發(fā)表在最新出版的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院報(bào)》上。
謎題：木星為何獨(dú)具“風(fēng)彩”
為何將木星稱(chēng)為太陽(yáng)系中的“大塊頭”?因?yàn)槟拘鞘翘?yáng)系行星中最大的一顆。研究數(shù)據(jù)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(zhì)量約為地球的318倍，是太陽(yáng)系中其它7顆行星質(zhì)量之和的2.5倍。木星比地球“勤快”很多，它不到10小時(shí)便自轉(zhuǎn)一周。實(shí)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(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)木星表面，人們可以看到與赤道平行、明暗交替的條紋，呈現(xiàn)出紅、褐、白等多種顏色。
“木星表面的條紋實(shí)際上是沿著緯線方向橫掃全球的大氣環(huán)流，風(fēng)力強(qiáng)勁持久，可高達(dá)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(xiàn)出不同的顏色，從而呈現(xiàn)出明暗交替的條紋狀結(jié)構(gòu)。”孔大力在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)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(huì)凝結(jié)成冰晶，反照率高，看起來(lái)亮白一些。暗條紋處溫度較高，氨氣不會(huì)結(jié)冰，反射陽(yáng)光能力減弱，顏色較暗淡。
為什么其他行星沒(méi)有呈現(xiàn)出類(lèi)似的彩色條紋?“實(shí)際上，其他的氣態(tài)行星，如土星、天王星、海王星，大氣動(dòng)力學(xué)狀態(tài)與木星無(wú)本質(zhì)差別，也普遍存在強(qiáng)烈的環(huán)流和相應(yīng)的條紋結(jié)構(gòu)，只是沒(méi)有顯現(xiàn)出不同的顏色。”孔大力進(jìn)一步解釋?zhuān)渌麣鈶B(tài)行星與太陽(yáng)的距離較木星遠(yuǎn)，整體大氣溫度比木星低，氨分子總是以冰晶的形式存在，無(wú)明顯的狀態(tài)變化，因此反照率趨于一致，人們也就無(wú)法觀測(cè)到條紋相間的帶狀結(jié)構(gòu)。
作答：這些條紋可不“膚淺”
既然條紋結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是木星的大氣環(huán)流，那么大氣環(huán)流又是如何形成的?
天文學(xué)界目前主要有兩種理論解釋其成因。一種理論認(rèn)為木星與地球上大氣環(huán)流的形成原因類(lèi)似，認(rèn)為氣態(tài)行星的大氣環(huán)流完全是由薄層大氣中不同緯度上溫度的差異驅(qū)動(dòng)的。該理論認(rèn)為條紋結(jié)構(gòu)僅僅存在于木星大氣外層，就像在勻色木球表面畫(huà)上去的彩帶。
“然而，作為氣態(tài)行星，木星并不像地球擁有大氣層和地面的清晰分界線，因此大氣的運(yùn)動(dòng)或許與地球并不類(lèi)似。”孔大力表示，部分天文學(xué)家從這個(gè)角度出發(fā)，認(rèn)為大氣環(huán)流并非淺表現(xiàn)象，而是受深部對(duì)流控制，提出深度云層風(fēng)模型。這就需要從木星的物理結(jié)構(gòu)說(shuō)起。經(jīng)過(guò)多年觀測(cè)，天文學(xué)界普遍認(rèn)為，木星球體中心處為高密度巖石內(nèi)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。木星從里到外是連續(xù)的整體，大氣運(yùn)動(dòng)也不可能獨(dú)立于內(nèi)部而單獨(dú)存在。由于這位“大塊頭”質(zhì)量巨大，其體積在重力作用下不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?dǎo)致木星內(nèi)部釋放出顯著的熱量，從而驅(qū)動(dòng)和維持大氣環(huán)流。因此，深度云層風(fēng)模型認(rèn)為木星的大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)一直延伸到大氣內(nèi)部，并在大氣表層呈現(xiàn)出不同急流帶的輪廓。
上述兩種理論基于不同的出發(fā)點(diǎn)，各有其科研數(shù)據(jù)支撐。從20世紀(jì)70年代提出至今，二者已然博弈了40余年。2017年，NASA發(fā)射的“朱諾”號(hào)探測(cè)器進(jìn)入環(huán)繞木星的軌道。學(xué)界十分希望通過(guò)“朱諾”號(hào)的引力場(chǎng)數(shù)據(jù)分析出木星環(huán)流的真正成因。2018年，以色列科學(xué)家約海·卡斯皮及其科研團(tuán)隊(duì)在“朱諾”號(hào)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為木星大氣的條紋環(huán)流是內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)模式在外表的延續(xù)和體現(xiàn)。這項(xiàng)支持深度云層風(fēng)模型的研究成果發(fā)表在《自然》期刊上。
一直困擾天文學(xué)家的木星大氣環(huán)流成因問(wèn)題就這樣一錘定音了嗎?
質(zhì)疑：謎底仍未揭開(kāi)
在質(zhì)疑中尋求真理，這恰恰是科學(xué)的魅力?？状罅蒲袌F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)約海·卡斯皮團(tuán)隊(duì)在相關(guān)數(shù)學(xué)模型建立中存在問(wèn)題。“約海·卡斯皮等人不加修改地采用研究地球大氣層中環(huán)流擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型去研究木星，這就出現(xiàn)了一個(gè)本質(zhì)的錯(cuò)誤。”孔大力表示，木星與地球結(jié)構(gòu)存在很大差異。地球大氣層只是球體外部的薄層，其產(chǎn)生的引力與整個(gè)巖石地面相比微乎其微，可以忽略不計(jì)。因此研究地球大氣環(huán)流時(shí)，往往忽略大氣自身引力的影響。但是，木星內(nèi)核、金屬氫層以及大氣層均無(wú)明顯界限，大氣自身引力是維持大氣狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)重要原因。“研究木星大氣環(huán)流時(shí)怎么能忽略掉大氣自身的引力呢?”
隨后孔大力團(tuán)隊(duì)與英國(guó)?？巳卮髮W(xué)、澳門(mén)科技大學(xué)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行合作，提出了符合木星物理?xiàng)l件的數(shù)學(xué)模型，建立起大氣運(yùn)動(dòng)和引力場(chǎng)擾動(dòng)之間的聯(lián)系。“木星大氣運(yùn)動(dòng)會(huì)造成物質(zhì)分布的變化，從而產(chǎn)生對(duì)引力場(chǎng)的擾動(dòng)信號(hào)。通過(guò)‘朱諾’號(hào)捕獲這種擾動(dòng)信號(hào)就可以反推物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)情況。”孔大力表示，其合作團(tuán)隊(duì)共同發(fā)展了邏輯上自洽、物理上正確、數(shù)學(xué)上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪拘黔h(huán)流模型和反演方法，提出了兩類(lèi)可能的木星環(huán)流形態(tài)，分別針對(duì)上述兩種傳統(tǒng)的環(huán)流成因找到了各自對(duì)應(yīng)的環(huán)流模式，從而證明上述兩種成因都可能解釋“朱諾”號(hào)引力場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。
“我們利用正確的模型對(duì)‘朱諾’號(hào)的引力場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了反推解讀，得到了與約海·卡斯皮團(tuán)隊(duì)不同的結(jié)果。這就意味著，約海·卡斯皮等人的結(jié)論是站不住腳的，可能會(huì)誤導(dǎo)科學(xué)界。”孔大力表示。
“木星大氣中條紋環(huán)流的成因是氣態(tài)行星物理研究中的一個(gè)重大問(wèn)題，而且不是一個(gè)孤立的課題。”孔大力強(qiáng)調(diào)，環(huán)流的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式與行星內(nèi)部更深處的結(jié)構(gòu)和物理?xiàng)l件息息相關(guān)。以現(xiàn)有的技術(shù)水平，人們難以觀察到行星內(nèi)部，所以條紋狀的大氣環(huán)流是間接研究行星深部物理結(jié)構(gòu)特征的重要途徑。因此，木星大氣環(huán)流成因的結(jié)論將深刻地影響人們對(duì)氣態(tài)行星內(nèi)部物理狀態(tài)的認(rèn)識(shí)。
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