一場持續(xù)數(shù)月的“隱形超級風(fēng)暴”，揭示了這顆巨大行星的秘密

當(dāng)閃電劃破天空時，地球上最強的“超級閃電”已足以讓人敬畏。但在木星上，閃電的威力可能是地球上最強閃電的100倍，甚至可能達到100萬倍。

一項最新研究揭示了這顆太陽系最大行星上閃電的真實威力。

在這張木星北極附近漩渦的照片中，NASA的朱諾號任務(wù)觀察到一道閃電發(fā)出的光芒。

圖源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

通過對NASA朱諾號探測器數(shù)據(jù)的深入分析，科學(xué)家們得以穿透木星厚密的云層，首次精確測量其閃電的強度。

木星閃電：被云層掩蓋的真相

木星，這顆太陽系中的“巨人”，擁有與之匹配的巨型風(fēng)暴系統(tǒng)，其中一些風(fēng)暴甚至持續(xù)了數(shù)個世紀。幾乎每一艘飛越木星的探測器都在這顆行星的夜面探測到了閃電現(xiàn)象。

然而，此前的研究基于只能探測到最強暗面閃光的任務(wù)，認為木星閃電與地球上最強的“超級閃電”相當(dāng)。這個認知在2016年NASA朱諾號探測器進入木星軌道后被徹底顛覆，朱諾號的星敏感器相機（ star-tracking camera ）靈敏度足夠高，探測到了大量與地球閃電強度相當(dāng)?shù)奈⑷蹰W光。

研究主要作者、加州大學(xué)伯克利分校的行星科學(xué)家邁克爾·黃解釋說，問題在于，木星夜面成像面臨一個巨大的挑戰(zhàn)：云層會遮擋閃電的視野，這使得估算閃電的真實強度變得異常困難。

破解“隱形超級風(fēng)暴”之謎

在這項新研究中，科學(xué)家們采用了全新的方法。他們沒有依賴光學(xué)成像，而是分析了朱諾號核心儀器探測到的木星閃電射電輻射。這種方法不受云層遮擋的影響，能夠更精確地測量閃電的真實功率。

研究人員面臨的挑戰(zhàn)是，木星常常同時經(jīng)歷多場風(fēng)暴，這些風(fēng)暴分布在環(huán)繞行星的帶狀區(qū)域中。這使得確定朱諾號探測到的閃電具體來自哪場風(fēng)暴變得異常困難。黃將這個問題比作“在春節(jié)游行中聽到一連串爆裂聲，卻不知道是幾英尺外的爆米花在炸，還是一個街區(qū)外的鞭炮在響”。

2021年9月的哈勃太空望遠鏡觀測顯示，北赤道帶（NEB）完全沒有對流活動。而在其他年份，北赤道帶內(nèi)的小型對流風(fēng)暴則數(shù)量眾多（粉色三角形所示）。2020年，北緯23°處曾爆發(fā)一場真正的超級風(fēng)暴（藍色三角形所示），隨后演變?yōu)槎鄠€羽流（Sánchez-Lavega等人，2023年）。北赤道帶的范圍約為行星圖緯度7°至17°N（Fletcher等人，2016年；Rogers，1995年），這一范圍基于風(fēng)急流的位置（右側(cè)黑色曲線，粉色速度刻度線表示-50至200米/秒的速度范圍，Wong等人，2020年）。北赤道帶在行星中心緯度坐標系（圖2-7所使用的坐標系）中的范圍約為6°至15.5°N。紅/綠/藍彩色合成圖像分別使用了F631N、F502N和F395N濾光片的數(shù)據(jù)構(gòu)建。本圖改編自Simon和Wong（2024年）的研究成果。

轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在2021年和2022年。木星北赤道帶的風(fēng)暴活動出現(xiàn)了一段間歇期，這讓科學(xué)家們得以將注意力集中在單個大型風(fēng)暴上。他們結(jié)合NASA哈勃空間望遠鏡、朱諾號和業(yè)余天文學(xué)家的圖像，精確定位了這些風(fēng)暴的位置。

邁克爾·黃將這些風(fēng)暴稱為“隱形超級風(fēng)暴”。與木星真正的超級風(fēng)暴類似，它們的活動持續(xù)了數(shù)月，但與真正的超級風(fēng)暴不同，它們的云塔只達到了適中的高度。

朱諾號足夠接近其中四場隱形超級風(fēng)暴，得以分析它們閃電產(chǎn)生的微波。在飛越過程中，探測器探測到的閃電平均每秒三次。通過對613次閃電脈沖的測量，科學(xué)家計算出它們的功率范圍從與地球閃電相當(dāng)?shù)降厍蜷W電的100倍以上。

科學(xué)家們謹慎表示，由于他們是在不同射電波長上比較地球和木星的閃電輻射，估算存在不確定性。木星的閃電實際威力可能是地球閃電的100萬倍。

為什么木星閃電如此強大？

木星的閃電不僅本身引人注目，還能幫助解釋其大氣層和風(fēng)暴的運行機制。與地球類似，木星也經(jīng)歷著對流，將熱量從下方輸送上來的攪動過程。

邁克爾·黃解釋說，木星的對流機制與地球不同。地球大氣以氮氣為主，氮氣比水重，因此潮濕空氣比干燥空氣更具浮力。相比之下，木星大氣以氫氣為主，潮濕空氣反而更重，更難上升。

這意味著木星上的風(fēng)暴需要更多能量才能上升，如果成功到達大氣層頂部，就會釋放出更多能量，導(dǎo)致高風(fēng)速和強烈的閃電。

研究人員認為，木星閃電的產(chǎn)生機制很可能與地球相似：上升的水蒸氣在更高、更冷的海拔凝結(jié)成液滴和冰晶，從而帶電。然而，為什么木星閃電會更強大仍然是一個未解之謎。

邁克爾·黃在一份聲明中提出疑問：“關(guān)鍵差異在于氫大氣層與氮大氣層，還是木星上的風(fēng)暴更高，因此涉及的距離更大？”。木星的風(fēng)暴高度超過100公里，而地球的風(fēng)暴高度僅約10公里。

“還是因為木星上的濕對流能夠獲得更多能量，在產(chǎn)生風(fēng)暴引發(fā)閃電之前，需要積累更多的熱量？”

這些問題的答案，仍有待科學(xué)家們進一步探索。這項研究已于3月20日發(fā)表在《AGU Advances》期刊上。

參考

[1]https://www.space.com/astronomy/jupiter/lightning-on-jupiter-could-be-up-to-1-million-times-stronger-than-on-earth

[2]https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025AV002083