按照我們的慣常理解,離太陽越近,行星溫度越高,離太陽越遠(yuǎn)則行星溫度越低,但這放在木星身上就說不通了。木星雖然距離太陽十分遙遠(yuǎn),排在地球和火星的后面,但其實木星上層大氣的溫度能夠達(dá)到400攝氏度,可以說是在持續(xù)“發(fā)燒”。
太陽系示意圖,你知道哪個是木星嗎?(圖片來源:veer圖庫)
這個反?,F(xiàn)象已經(jīng)困擾學(xué)者們50年,而近日的一項研究終于找到了“幕后推手”,也為一直撲朔迷離的“木星能源危機”提供了答案。
木星小檔案
先來認(rèn)識一下以體型巨大而著稱的木星。
木星是一個巨大的氣態(tài)行星,質(zhì)量是其他所有行星質(zhì)量總和的2.5倍,主要成分是氫和氦。木星有眾多衛(wèi)星,其中木衛(wèi)一到木衛(wèi)四在晴朗的夜空可以用望遠(yuǎn)鏡看到,下圖就是筆者在荷蘭德文格洛使用望遠(yuǎn)鏡拍到的木星和它的三個衛(wèi)星。
(圖片來源:作者提供)
木星擁有太陽系最強的行星磁場,磁矩是地球磁場的大約18000倍。相比地球,木星距離太陽非常遙遠(yuǎn),木星的軌道半長軸是5.204 AU,大約是日地距離的五倍。
“木星能源危機”,困擾人們五十年
直觀來看,距離太陽更遠(yuǎn)的木星本應(yīng)該比地球更冷,根據(jù)接受到太陽輻射的量來計算,木星上層大氣的平均溫度應(yīng)該是大約負(fù)73攝氏度,然而實際的測量值卻高于400攝氏度,這種不明原因的反常高溫,被稱作是木星的“能源危機”。當(dāng)前地球面臨的能源危機是可用能源接近枯竭,而與地球的能源危機不同的是,木星的能源危機是 “有能量(熱能)卻找不到來源”。
木星反常的高溫已經(jīng)困擾了人類五十年,在這期間,飽受困擾的學(xué)者們對這個過熱的氣態(tài)星球提出了諸多加熱機制猜想,有學(xué)者認(rèn)為是由于木星的超級風(fēng)暴——木星大紅斑導(dǎo)致的,因為根據(jù)測量,大紅斑確實比周圍都熱。
學(xué)者們猜想,超級風(fēng)暴在低層大氣中會產(chǎn)生大量擾動,這些擾動以重力波和聲波的形式向上傳播,并在高層大氣中耗散成為熱能,加熱高層大氣。但是,這些猜測都無法給出木星全球加熱的完整機制描述。
大紅斑加熱想象圖(圖片來源:NASA)
譜輻射強度,表明大紅斑為高溫區(qū)域(圖片來源:Nature 536,190–192 (2016))
被極光炙烤的木星大氣
最近,萊斯特大學(xué)的J. O’Donoghue帶領(lǐng)團(tuán)隊對木星進(jìn)行了多儀器的聯(lián)合觀測,這次觀測的主要結(jié)果來自于木星大氣溫度的高空間分辨率測量,團(tuán)隊使用了三臺儀器:夏威夷Keck天文臺——通過近紅外譜望遠(yuǎn)鏡觀測三氫陽離子的發(fā)射譜,從而來測量溫度;NASA的Juno航天器和日本JAXA的Hisaki衛(wèi)星用于輔助觀測磁場和木星的衛(wèi)星“Io”(木衛(wèi)一)。
下圖是溫度分布的觀測結(jié)果,木星南北的極光區(qū)內(nèi)出現(xiàn)高溫分布,而從兩極到赤道逐漸過度為相對低溫,這表明了木星的極區(qū)是其高層大氣內(nèi)的主要熱源,而且極區(qū)的熱可以跨越全球傳導(dǎo)到赤道區(qū),加熱整個木星高層大氣。
木星溫度分布(圖片來源:Nature 596, 54–57 (2021))
這也就是說,研究團(tuán)隊確認(rèn)了木星異常高溫的高層大氣是被南北極的極光區(qū)加熱的(劃重點),解答了已困擾我們50年的木星高層大氣異常高溫之謎,目前這一成果已發(fā)表于Nature科學(xué)雜志。
木星極光背后的“火山月亮”
為什么木星的極光這么強?這就要問問木衛(wèi)一了。
木星本身的結(jié)構(gòu)特殊,作為一個巨大的氣態(tài)行星,它擁有太陽系內(nèi)最強的行星磁場,而且磁場內(nèi)有一個非?;钴S的衛(wèi)星——木衛(wèi)一(Io)。木衛(wèi)一的軌道是偏心軌道,在不同軌道相位下的潮汐作用拉伸不同,使內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生摩擦,引發(fā)活躍的地質(zhì)活動,導(dǎo)致木衛(wèi)一上形成幾百個火山。
木衛(wèi)一上的火山噴發(fā)物會在周圍形成中性氣體外逸層,氣體原子和木星磁層中的電子質(zhì)子等相互作用發(fā)生電離形成帶電粒子,這些帶電粒子在木星磁場中被加速成為高能帶電粒子,部分高能帶電粒子被約束在木星磁場中,幫助木星構(gòu)建出比地球強千萬倍的輻射帶。下圖描述了Io在木星磁場中產(chǎn)生高能帶電粒子的過程。
木衛(wèi)一Io,等離子體環(huán),以及木星磁場(圖片來源:Wikipedia : Io (moon))
這些帶電粒子沿著強磁場來到木星極區(qū),進(jìn)入木星大氣,沉降后產(chǎn)生太陽系內(nèi)最強極光,并釋放大量能量,而這些能量就是木星表面異常高溫的“能源”來源。
木星極光(圖片來源:NASA)
同樣有極光,地球的兩級為什么這么冷
看到這里,你可能有疑問了——同樣是行星極光,為什么地球的極光就沒這么強大的能量呢?
本質(zhì)區(qū)別就在于高能帶電粒子的供給量不同,Io的火山和木星本身的超強磁場給木星磁層提供了穩(wěn)定而且大量的高能帶電粒子供給,而地球極光則來自于太陽風(fēng)(編者注:指從太陽上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流)中的高能帶電粒子注入,同時地球磁場也相對較弱,對于高能帶電粒子向兩極的輸運能力不強,沒有大量粒子被輸運到兩極。
所以地球極光強度遠(yuǎn)小于木星極光,無法顯著地加熱大氣,對地球氣候也沒有顯著影響,地球仍然是兩極冷赤道熱。
而地球磁場如果變強10倍,此時內(nèi)稟磁場(編者注:行星內(nèi)部自發(fā)發(fā)生、保持和改變的磁場)可以完全覆蓋月球軌道,同時月球開始火山爆發(fā),在地球輻射帶注入大量帶電粒子,那么地球的兩極將出現(xiàn)巨亮的極光,加熱效應(yīng)就會導(dǎo)致兩極比赤道更熱。
國際空間站ISS上拍攝的地球極光(圖片來源:NASA)
模型+觀測,認(rèn)識行星不為人知的一面
我們對于除了地球之外的行星知之甚少,主要原因就是距離太遠(yuǎn),只能通過“觀測+建模”的方式嘗試描述遙遠(yuǎn)行星上發(fā)生的物理過程。
本文所描述的研究過程就是很好的一個例子,其實在之前的觀測中,研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了木星的極光區(qū)是一個高溫區(qū),但當(dāng)時的模型認(rèn)為木星大氣上的緯向環(huán)流使得熱量被隔離在極區(qū)無法向赤道區(qū)傳播,相比之下,大紅斑反而更靠近赤道。而本文所述的聯(lián)合觀測,使用前所未有的分辨率(2度/像素),發(fā)現(xiàn)了熱量沒有被封閉在極區(qū),而是從兩極高溫逐漸過渡到赤道低溫。這一觀測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了先前模型無法描述的現(xiàn)象,其實也就是對模型提出了改進(jìn)方向。
一邊是儀器隨著技術(shù)發(fā)展能達(dá)到越來越高的分辨率,探測器可以飛得更遠(yuǎn),甚至可以在一些行星上落地做原位探測。一邊是通過收集并同化觀測數(shù)據(jù)使模型更加完善,可以預(yù)測并描述儀器無法觀測的角落。模型和觀測可以說是我們深空探測,認(rèn)識更多行星的兩只眼睛,模型指導(dǎo)觀測,觀測完善模型。
“木星能源危機”有了答案,未來還有更多星星在等待著我們?nèi)ゲ恍柑剿魉粸槿酥囊幻?,你有什么困擾已久的宇宙之謎?歡迎在留言區(qū)表達(dá)你的好奇心!
參考文獻(xiàn):
[1] O’Donoghue J, Moore L, Bhakyapaibul T, et al. Global upper-atmospheric heating on Jupiter by the polar aurorae[J]. Nature, 2021, 596(7870): 54-57.
[2] O’Donoghue J, Moore L, Stallard T S, et al. Heating of Jupiter’s upper atmosphere above the Great Red Spot[J]. Nature, 2016, 536(7615): 190-192.
[3] Lam H A, Achilleos N, Miller S, et al. A baseline spectroscopic study of the infrared auroras of Jupiter[J]. Icarus, 1997, 127(2): 379-393.
[4] Jupiter’s Great Red Spot Likely a Massive Heat Source :NASA
[5]木星磁層https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere_of_Jupiter
作者:張沛錦
單位:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
歡迎掃碼入群!
深圳科普將定期推出
公益、免費、優(yōu)惠的活動和科普好物!