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。
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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”。
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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
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