研究人员首次测量了木星的平流层风——它们相当惊人

时速 900 英里的大风正在这个巨大的气态星球上肆虐。
This view of Jupiter’s turbulent atmosphere from NASA’s Juno spacecraft includes several of the planet’s southern jet streams.
这张木星的湍流大气图来自美国宇航局的朱诺号探测器,其中包含了该行星南部的几个急流。美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院/西南研究所/马斯

一个国际天文学家团队刚刚首次测量了木星肆虐的平流层风速,他们甚至动用了一颗 27 年前的彗星来完成这项工作。

科学家们已经测量过木星对流层(即该行星标志性的条纹所在之处)的风速,以及其电离层中的风速。但这项新研究是首次使用极其灵敏的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列(ALMA)对木星平流层进行风速测量。他们测量了赤道附近和两极附近的风速。

一些结果并不算太令人意外——他们发现赤道附近的速度大致符合模型预测。“但令我们完全意想不到的是我们在两极附近看到的现象,”该研究的作者、法国波尔多天文研究所的行星科学家、该实验的负责人蒂博·卡瓦利埃 (Thibault Cavalié) 说。研究小组发现,时速约 700 到 900 英里(约合每秒 300 到 400 米)的风在两极附近以出乎意料的方向呼啸而过。

“这是一项非常困难的观测,”曾在伯克利大学从事行星科学研究、曾使用过 ALMA 但未参与本次研究的伊姆克·德·帕特 (Imke de Pater) 说。她补充道:“这是一篇非常出色的论文,他们非常清晰地展示了……上层大气中的风廓线。”

木星的风几乎只向东或向西流动,正如我们在该行星标志性的红白水平条纹中所见。在对流层中,这条规则也适用——除了像木星的“大红斑”这样的涡旋,那里的风像飓风一样旋转。然而,在上面的平流层,风似乎沿着木星极光的形状流动,这些极光与地球的北极光一样,是由其磁场将太阳风引导至两极造成的。这些极光并非完美地与两极对齐,因此风流与对流层整齐的带状结构不匹配。

“真正令人费解的是”那些不向东或向西流动,而是南北向移动的奇特极地风模式,美国宇航局喷气推进实验室的高级研究科学家兼观测天文学家格伦·奥尔顿 (Glenn Orton) 说,他并未参与该研究。

卡瓦利埃说,几十年来,确定行星风速最简单的方法就是拍一张行星的快照,过一段时间再拍一张,然后看看两张照片之间云移动了多远。但在更高的高度,这种方法就不奏效了,因为风是看不见的。没有云可以追踪。

但自 1994 年休梅克-列维 9 号彗星撞击木星以来,研究人员一直在追踪该天体带去的两种化合物:氰化氢和一氧化碳。这两种化学物质都很长寿,而且它们仍然漂浮在木星的大气中。研究小组能够追踪氰化氢和一氧化碳独特的谱线特征。既然他们可以通过追踪云的移动来测量风,也许他们也可以用这些分子来做同样的事情。

为了做到这一点,研究小组首先通过检测这两种分子的频率来定位它们。然后,他们利用了所谓的“多普勒效应”,这意味着频率会根据分子是朝我们移动还是远离我们而变化。所以在木星上,当分子吹向望远镜时,它们会产生比远离望远镜的分子略有不同的光谱信号。通过测量频率变化的程度——也就是频率被推移了多少——研究小组就可以测量出分子(以及风)移动的速度。

卡瓦利埃说,未来,太空望远镜也许能从彗星撞击带来的水中获得更多信息,因为水是木星上一种非常罕见的分子。他说,这项研究也是欧洲空间局的木星冰卫星探测器(JUICE)任务的垫脚石,该任务计划明年发射。该探测器将近距离观察木星及其三颗卫星,并将首次绕木卫三——太阳系最大的卫星——运行。

休梅克-列维 9 号彗星撞击木星时,卡瓦利埃才 12 岁,年纪太小,无法参与那次观测。但他表示,这次事件促使他选择了行星科学职业。

多年后,这颗彗星仍在留下它的印记。

 

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Leto Sapunar

特约撰稿人,科学

Leto Sapunar是一名自由撰稿的科学记者,自2020年起报道物理学、太空、气候和科学问责。他自2021年初以来一直在为《流行科学》撰稿,他的作品还刊登在《科学美国人》、《内幕气候新闻》和Retraction Watch等出版物上。工作之余,他会写科幻小说或进行攀登运动。


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