木星的带状外观是由云层形成的“天气层”造成的。这张合成图像分别显示了双子座北方望远镜和美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄的木星红外和可见(从左到右)视图。
影像来源:International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/NASA/ESA, M.H. Wong and I. de Pater (UC Berkeley) et al.

美国国家航空航天局(NASA)绕木星运行的朱诺号探测器的新发现,为这颗行星独特而多彩大气特征提供了一个更全面的画面,为了解其层下不为人知的过程提供了线索。这些结果突出了木星周围的云带和云带的内部工作,以及它的极地气旋,甚至是红斑。

研究人员今天在《科学》和《地球物理研究杂志:行星》上发表了几篇关于朱诺号大气发现的论文。其他论文发表在最近的两期《地球物理研究快报》上。

“朱诺号的这些新的观测结果为木星神秘的可观测特征打开了一个新的信息宝库。”NASA华盛顿总部行星科学部主任洛里·格拉兹(Lori Glaze)说。 “每篇论文都阐明了地球大气过程的不同方面——这是我们的国际多元化科学团队如何加强对太阳系理解的一个绝好例子。”

图片来源:JunoCam;图像数据:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS;JunoCam图像处理:Kevin M. Gill (CC BY);地球图片:NASA

这幅插图结合了美国宇航局朱诺号飞船上的朱诺相机仪器拍摄的木星图像和地球的合成图像,描绘了木星大红斑的大小和深度。

朱诺号在2016年进入木星的轨道。迄今为止,在航天器 37 次穿越木星的过程中,每一次都有一套专门的仪器都在其湍急的云层下方进行观察。

“之前,朱诺号给了我们一个惊喜,它暗示木星大气中的现象比预期的更深,”斯科特·博尔顿(Scott Bolton)说,他是圣安东尼奥西南研究所的朱诺号的首席研究员,也是《科学》杂志上关于木星漩涡深度的论文的主要作者。“现在,我们开始把所有这些单独的碎片放在一起,并第一次在3D中真正了解木星美丽而剧烈的大气层是如何工作的。”

朱诺号的微波辐射计(MWR)可以让科学家们窥见木星云顶之下的情况,并探测其众多涡旋风暴的结构。这些风暴中最著名的是被称为大红斑的标志性反气旋。这个比地球还宽的深红色漩涡,自从大约两个世纪前被发现以来就引起了科学家们的兴趣。

新的结果表明,气旋的顶部温度较高,大气密度较低,而底部温度较低,密度较高。以相反方向旋转的反气旋,则恰恰相反——顶部温度较低,底部温度较高。

研究结果还表明,这些风暴的高度远高于预期,一些风暴延伸到云顶以下60英里(100公里),而其他一些风暴,包括大红斑,延伸超过200英里(350公里)。这一令人惊讶的发现表明,漩涡覆盖的区域超出了凝结和云形成的区域,低于阳光温暖大气的深度。

大红斑的高度和大小意味着研究木星重力场的仪器可能可以探测到风暴中大气质量的浓度。朱诺号两次近距离飞越木星最著名的地点,为寻找风暴的重力特征提供了机会,并补充了MWR的深度结果。

随着朱诺号以大约13万英里/小时(20.9万公里/小时)的速度在木星云层上低空飞行,朱诺号科学家利用NASA的深空网络追踪天线,在超过4亿英里(6.5亿公里)的距离上测量每秒0.01毫米的速度变化。这使研究团队能够将大红斑的深度限制在云顶以下约300英里(500公里)处。

“2019年7月飞越大红斑期间,朱诺号获取大红斑重力所需的精度令人震惊,”马齐亚·帕里西(Marzia Parisi)说,她是南加州NASA喷气推进实验室的朱诺科学家,也是《科学》杂志上关于大红斑引力飞越的一篇论文的主要作者。“能够补充MWR在深度上的发现给了我们极大的信心,未来在木星的重力实验将产生同样有趣的结果。”

云带和云区

木星除了气旋和反气旋之外,还以其独特的环绕木星的白色和红色云带而闻名。强烈的东西向相反方向的风把这些云带分开。朱诺号之前发现,这些风,或称喷流,深度约为2000英里(大约3200公里)。研究人员仍在试图解开喷射流如何形成的谜团。朱诺的MWR在多次经过时收集的数据揭示了一个可能的线索:大气中的氨气与观测到的喷射流呈显著的直线运动。

“通过追踪氨,我们在北半球和南半球发现了与费雷尔环流圈性质相似的环流,费雷尔环流圈控制着地球上的大部分气候。”凯伦·杜尔说,他是以色列魏茨曼科学研究所的一名研究生,也是《科学杂志》上关于木星类费雷尔环流圈的论文的主要作者。“地球每个半球有一个费雷尔环流圈,而木星有8个,每个至少大30倍。”

朱诺号的MWR数据还显示,这些云带和云区在木星水云下方约 40 英里(65公里)处发生转变。在较浅的深度,木星的云带在微波光下比邻近区域更亮。但在更深的在水云之下,情况正好相反——这揭示了与我们的海洋的相似之处。

“我们将这一层称为‘Jovicline’,类似于地球海洋中称为温跃层的过渡层——海水从相对温暖到相对寒冷急剧转变。”利·弗莱彻(Leigh Fletcher)说,他是英国莱斯特大学的朱诺号参与科学家,《地球物理研究杂志:行星突出了朱诺号对木星温带和区域的微波观测》的论文的主要作者。

极地气旋

朱诺号之前在木星的两极发现了巨型气旋风暴的多边形排列——八个在北部以八角形排列,五个在南部以五角形排列。现在,五年后,任务科学家利用航天器的木星红外极光成像仪(JIRAM)的观测,确定这些大气现象具有极强的弹性保持在相同的位置。

“木星的气旋会影响彼此的运动,导致它们围绕一个平衡位置摇摆,”罗马国家天体物理研究所“朱诺”号的联合研究员亚历德罗·穆拉(Alessandro Mura)说。他最近在《地球物理研究快报》上发表了一篇论文,主要研究木星极地气旋的振荡和稳定性。“这些缓慢摇摆的行为表明,它们有很深的根源。”

JIRAM的数据还表明,就像地球上的飓风一样,这些气旋想要向极地移动,但是位于每个极地中心的气旋将它们推回。这种平衡解释了气旋的位置和在每个极点飓风的不同数量。

有关任务的更多信息

位于加州帕萨迪纳的加州理工学院的一个分部JPL负责管理朱诺任务。朱诺号是NASA新前沿计划的一部分,该计划由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心为华盛顿的该机构科学任务局管理。丹佛的洛克希德-马丁航天公司建造并运营该航天器。

JPL是加州帕萨迪纳加州理工学院的一个部门,负责管理朱诺号任务。朱诺号是NASA新前沿计划的一部分,该计划由NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心为位于华盛顿的科学任务理事会管理。位于丹佛的洛克希德马丁航天公司建造并运营着这艘航天器。

FacebookTwitter上关注此次任务,并在网上获取更多关于朱诺号的信息:

https://www.nasa.gov/juno

参考来源:
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-juno-science-results-offer-first-3d-view-of-jupiter-atmosphere

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