人类进入木星云层，会看到什么样的恐怖天气？ 木星大气层深处是什么样的？人类怎样才能探测到？

木星，从来都不是一个平静的世界。在它的表面，太阳系最狂野的风暴不断肆虐，最暴力的气旋无与伦比。每一次看到木星的照片，总会有一种窒息感让人们叹为观止……

近些年来，NASA的朱诺号探测器为我们传回了许多张木星的照片。在朱诺号的照片中，木星的表面就像是一幅幅油画，有的甚至和梵高的名作《星空》如出一辙。

我们感慨于木星照片之美，有时候竟然忘了，那些色彩斑斓的条带，都是太阳系内最恐怖的风暴。

木星红外照片

几十亿年来，这颗巨大的行星始终被恐怖的风暴所困扰。木星表面的大气层厚度是地球的数倍，大气中到处都是翻滚的云层，包围着整个行星。

这颗气体巨星表面的气候和地球完全不一样，因此科学家们一直对此非常好奇，想要有更加深入的了解。但由于大气层过于浓厚，我们始终没有找到机会。最近3年的时间里，天文学家利用位于赤道附近的双子座天文台（Gemini Observatory）和距离地表540公里的哈勃太空望远镜，拍摄到了木星的一张近红外照片。这张前所未有的照片不仅让我们慨然而叹，也揭开了木星的一层神秘面纱。

我们说过，很多可见光范围内被遮挡的深层物质，都可以通过发射红外光穿破重重浓雾。我们曾经利用这个原理拍摄过遥远的星云，看到了星云身后的恒星，如今又用同样的原理，拍摄到了木星大气层深处的秘密。

双子座天文台在近红外波段穿破木星云层，拍摄到了木星内部释放出来的热辐射。与此同时，科学家还利用哈勃太空望远镜拍摄了正常的木星照片。通过两张照片的对比，科学家就可以看到木星云层内外的变化。那些可见光范围内观测时比较暗的云层，在这张红外波段图片里发出明亮的光芒。

大红斑

在对木星表面风暴的研究中，科学家们不可能错过最著名的大红斑。这个肆虐了超过350年的气旋，从被发现的那一天开始就深深地困惑着历代科学家。在这一次任务中，天文学家也对划过大红斑边缘的一根条带进行了观测。这种现象以前就曾经出现过，如今再次现身，科学家们没有再一次错过机会，对它进行了拍摄，试图弄清楚它到底是如何形成的。

在以往朱诺号拍摄的大红斑照片里，科学家们经常会看到一些不断变化、形状各异的暗斑。“单张照片很难说清这究竟是木星云层里的异物还是通往木星深处的洞，”美国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室的行星科学家格伦-奥顿（Glenn Orton）说，“因此长期以来，它们的本质对人类来说一直是个谜。”

不过，随着这些对比照片的出现，问题的答案也逐渐浮出水面。当我们把几张照片作对比的时候，红外频段照片里的弧形发光区域被凸显出来。如果那些暗斑是浓厚的云层，那么这些近红外光是无法被观测到的，这说明它们都是大红斑中的裂缝。"这看起来有点像南瓜灯，"加州大学伯克利分校的天文学家Michael Wong说，"你看到明亮的红外光来自于无云的地区，但在有云的地方就会非常暗。"

上面五张大红斑的照片中只有右上角是双子座天文台利用近红外波段拍摄到的。不过，五张照片里大红斑中的条带都是完美吻合的，证明观测无误。

木星雷电

我们知道，目前木星上空还有人类的探测器——朱诺号在进行着更近距离的探测。当科学家们把朱诺号探测器的探测数据加入到研究内容中来时，情况变得更有趣了。

在飞越木星两极，对其进行探测的过程中，朱诺号多次探测到了一种叫做天电干扰（sferics）的现象。这个现象的来源，就是木星表面的雷电天气造成的。和地球上的雷电相比，木星的雷暴更加狂野，可以从雷雨云延伸到40英里以下，是地球的五倍，其威力也是地球最强雷电的3倍。而在朱诺号对此进行检测的同时，科学家也会将哈勃望远镜和双子座天文台对准木星，同步进行观测。

不仅威力强，木星的雷电现象也非常频繁。仅仅在前8次飞越中，朱诺号的微波辐射计就探测到了探测到377次木星闪电。有趣的是，这些木星的雷电现象基本都发生在木星两极，这和地球雷电在赤道附近更频发的现象恰好相反。

对于这个现象，行星学家们解释说：这和行星表面的温度有关，因为雷电更容易发生在温度较高的区域。对于地球来说，表面的温度更依赖太阳的辐射，所以赤道温度比两极高；但是木星距离太阳较远，赤道温度变化极小，反而是两极更容易升温，而热源就在木星内部，所以木星的雷电普遍发生在两极。

当双子座天文台和哈勃合作的照片问世后，科学家们可以更好地对朱诺号获得的木星雷电天气进行分析，揭示出闪电形成的云层结构。"哈勃和双子座的数据可以告诉我们云层究竟有多厚，以及我们看到的云层有多深。"美国宇航局的行星科学家艾米·西蒙（Amy Simon）解释道。

该研究团队最终得出结论，木星表面的雷电与云层的三个结构有关：

水构成的深层云层

湿润空气向上涌动造成的巨大塔型对流，这很可能是雷电的源头

干燥空气向下涌动大概造成的清晰区域

奇妙的是，这些区域恰好和所谓的折叠丝状区域相吻合。折叠丝状区域普遍位于木星两极附近，因为这里的云层被疯狂折叠和拉扯而得名。这一次的研究表明，这些区域的对流现象非常剧烈。"湍流混合过程将木星内部的热量输送到可见的云层顶部。"Wong对我们介绍说。“这些旋涡可能是内部能量的‘烟囱’，通过对流将木星内部的能量释放出来。这种情况并不是在随处都有发生，但这些气旋的很可能在某些方面促成了对流。”

结尾

木星的风暴从远处看给我们带来视觉之美，深入研究又会带来恐怖的窒息感。

木星以其无与伦比的体积给我们以深深的敬畏，又以庞大的身躯维护着地球生物的安全。对于我们来说，木星表面波云诡谲的大气和狂风肆虐的气候都有着许多未解之谜，吸引着我们去研究。

人类已经在宇宙中发现了大量的系外行星，其中很多都是和木星一样的气体巨星。唯有了解木星，才能了解所有这些行星，才能进一步了解这个宇宙。

根据NASA的计划，朱诺号探测器将在明年7月完成使命，坠入木星大气层。届时，人类还会有新的探测器前往木星去探索，也期待中国的木星探测器能够早日提上议事日程，一起加入到木星的探索行列中来。

木星云层并不是一个稳定的世界。它每天都要面对太阳系风暴不断肆虐，变成了一颗表面扭曲的星球，丑陋却又过分美丽。当人们看到木星的照片时，都会有着一种窒息感。它有着和地球一样大气层，却更厚。

进入木星我们会看到，木星表面会有非常大的狂风，木星表面的大红斑就是狂风吹卷而成，木星表面也会有非常强的雷电，这些雷电普遍发生在两级。

首先看到的是巨大的风暴，就像地球的台风，而且看到会下雨，那雨不再是地球的水，而是甲烷雨。

风暴云层下面的木星是什么样的？人类对木星有什么探索？~

木星是一个气体巨星，由88-92%的氢和约8-12%的氦所组成。
由于没有固体表面，因此木星的风速非常快，可以达到每秒130-150米，是地球飓风的4倍以上。
当我们看木星的图片时，经常能看到上面星罗棋布的条纹，这些全都是木星表面的风暴。
那么，被风暴遮住庐山真面目的木星到底长什么样呢？它的风暴下面是一个怎样的世界呢？


2016年，美国国家航空航天局的朱诺号探测器带着许多使命来到木星，开始了对这个庞然大物的研究。其中，探索它风暴下面的世界，也是朱诺号的一个重要目标。这个花费了10亿美元的项目，如今终于有了回报。
研究显示，从木星大气层的云端向下，有大约3000公里都是木星的“天空”。这个发现，可以说是400年前伽利略发现木星条纹到现在的最大的可确定的发现了。
这片厚度达到3000公里的大气层，别看厚度占木星半径的4%，而且还是外层，但是它的总质量仅仅占到了木星的1%。即便如此，这片浓厚的大气层，也有足足3倍地球质量的氢气。相比之下，地球的大气层质量，仅仅占到了地球总质量的1/1000000——毕竟是岩石星球，气体少一点也是正常的。
说到这里，小编忍不住又想提到年初的《流浪地球》。我们粗略地估算一下，地球的总质量约为60万亿亿吨，大气总量大约是6000万亿吨，氧气占了20%（这个是体积分数，我们本文只是非常粗略地讨论，暂且当做质量分数算），那就是1200万亿吨。木星的大气总量是180万亿亿吨，其中绝大部分是氢气。即使按照氢气质量分数为50%来算（实际比这个高），也是90万亿亿吨。和地球的氧气混合，氧气的质量分数大约是0.00000013。氢气想要燃烧，体积分数不能超过75%。因此，像电影里一样点燃木星，根本不可能（当然了，只是闲聊，小编对于这部电影还是很尊敬的，也看到了中国科幻电影的希望）。


回到正题，穿过3000公里厚的大气层再看木星，就是一个非常有趣的世界了。
在这里，木星的性质有点像固体。不过，科学家指出，这里的氢和氦都是气体，它们以一种比较特殊的流体混合物形式存在，进行着旋转。
在这里，木星的压力已经非常巨大，大约是地球大气压的100000倍。
科学家还发现了一件有趣的事，那就是木星的引力并不均匀，北半球和南半球有着明显的差别，这其中的原因尚且不明。


在木星的这个流体混合物下面，有怎样的世界，目前还限于其他观测结果的推测。科学家认为，在木星的核心，是一个石质的内核。在这里，木星的温度高达36000℃，这里的氢已经离子化，电子和原子核分离，因此形成了木星的磁场。
随着朱诺号的继续探索，我们会越来越了解这颗神秘的行星。在未来，科学家也会通过更先进的技术来探索木星。那个隐藏在迷雾之下的世界，到底隐藏了什么秘密，早晚有一天，会在人类的眼前暴露无遗。

美国国家航空航天局的哈勃空间望远镜以及夏威夷双子座地面望远镜联合朱诺太空飞行器一起探测太阳系最猛烈的风暴，这些风暴发生在5亿多英里外的巨大行星木星上。


由迈克尔· 王带领的加利福尼亚大学伯克利分校研究团队包括了来自马里兰州绿带城美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的艾米·西蒙和同样来自伯克利的伊姆克·德帕特。他们将哈勃和双子座在多重波长下的观察发现与朱诺飞行器轨道上的木星近景图结合起来，以深入了解这颗遥远星球上波云诡谲的天气。


王说：“我们想要了解木星的大气层是如何运作的。”而这正是朱诺、哈勃和双子座的联合协作发挥作用的地方。
无线“灯光秀”相比于地球的风暴，木星的连续风暴更为庞大，其伴随着从地面到天空40英里高的雷暴（地球常规雷暴的5倍）和拥有地球最大“超级闪电”三倍多能量的强大闪电。
正如地球上的闪电,木星的闪电束也像无线发射器一样，在划破天空的同时发送出无线电波以及可见光。


每53天，朱诺飞行器就会在在风暴团上方低飞，和它赛跑，来侦察被称做“天电”和“吹哨人”的无线信号。被捕捉到的无线信号甚至可以接着被用于在木星白天的一面和闪电无法被看到的深云团上绘制闪电。
每在同一路线时，哈勃和双子座两两远望，拍摄作为解释朱诺飞行器近距离观察发现关键的木星高分辨率全球视图。西蒙解释道：“朱诺飞行器的微波辐射仪器通过侦测可以穿透深厚云层的高频无线电波来深入探索木星的大气层。而哈勃和双子座的数据可以告诉我们那些云层有多厚以及我们有多深入观察那些云层。”


通过将朱诺飞行器探测到的闪电映射到由哈勃拍摄的木星光学图像和双子座同时拍到的红外热成像图上，研究团队已经能够证明闪电的爆发和云团结构的三种组合有关：由水构成的深云团，湿润气流上升引起的大型对流云塔（本质上是木星雷暴云），以及可能是由对流云塔外干燥气流的下沉而形成的晴朗云区。
哈勃望远镜的数据显示了对流云塔中密集云团的高度以及深水云团的深度。双子座望远镜的数据则清晰展现了高云层中的空白区，而深水云团很有可能在那里被看到。


王认为在一种被称作褶皱纤维状云区的湍流区中，闪电是很常见的，这表明湿对流正在其中发生。他说道：“这些气旋性涡旋可能是内部能量烟囱，来从对流中帮助释放内在能量。这样的情况并不普遍，但是这样的气旋似乎是在促成对流的形成。”
将闪电和深水云关联起来的能力也为研究人员提供了另一个估算木星大气层含水量的方法，这对于理解木星以及其他气体巨星和冰巨星是如何形成的，还有太阳系作为一个整体是如何因此形成的十分重要。
虽然之前的太空任务已经收集了一些关于木星的资料，但很多细节仍然成谜，包括深层大气层含有多少水，热气到底是如何从内部流出的，以及是什么导致了云层的某些颜色和图案。 这些问题的整合答案能够帮助人们深入了解大气动力学和大气层的三维空间结构。


“鬼火”大红斑
随着哈勃和双子座在朱诺任务中对木星进行更为频繁的观察，科学家们也因此能够研究一些像大红斑的短期变化和出现短暂图案等的现象。
此次朱诺飞行器拍摄的以及之前木星任务中的图片揭示了大红斑中深色图案的出现，消失以及变化。单看一组图片并不能明确知道这些现象是否是由高云层中的一些神秘黑色物质导致的，又或者它们其实是高层云团中的一些洞，就像是通往下面更深、更暗云团的窗户。
而现在，通过对比哈勃和双子座在数小时之内拍摄到的可见光学图像和红外热成像图，再来回答这些问题是可能的。可见光下的深色区域在红外线下非常亮眼，这表明他们实际上就是云层中的洞。在无云区域，木星内部以红外光线的形式释放的热量得以自由遁入太空(不然就会被高层云团挡住)，从而在双子座的图片中显得明亮。
“就像是一簇鬼火，”王说到：“你在没有云的地方看它是明亮的红外光线，但当云密布时，它在红外线下又是深色的。”


图源：美国国家航空航天局，欧洲航天局，迈克尔·王及其团队
上图关于木星大红斑的图片是由哈勃太空望远镜和双子座望远镜在2018年4月1日收集的数据制作的。通过将两个不同的望远镜在几乎同一时间拍摄的图像整合起来，天文学家们得以确认大红斑上的黑色图案是云层中的洞，而不是一堆暗物质。
左上（广角）和左下（特写）：哈勃拍摄到在木星大气层的云层中反射的阳光（可见光波长）显示了大红斑中的深色图案。
右上：由双子座在同一区域拍摄的红外热成像图显示了热量是以红外能量的形式释放的。堆叠的冷云层在图片上显示为深色部分，但云团中的空隙使得明亮的红外射线得以从暖流层中释放。
下中：哈勃拍摄的紫外线图显示了从大红斑上雾霾层散射回来的阳光。大红斑能够在可见光下被看到是因为这些霾吸收了蓝色光波。哈勃的数据显示即使在较短的紫外光波下，这些霾仍在持续吸收。
下右: 在哈勃和双子座数据合成的多重波长图中，可见光是蓝色的，热红外线是红色的。将这些发现结合起来可以看出在红外线下明亮的区域是云层中的空隙，或是有较少阻挡内部热量云团的地方。


哈勃和双子座的发现是为了给朱诺飞行器的第12次飞掠（近木点 12）提供宽广的视角。
木星气象追踪者：哈勃望远镜和双子座望远镜
哈勃和双子座在支持朱诺任务中进行的木星定期拍摄证明了它在很多其他天气现象研究中的价值，如风的模式变化，大气波的特征以及大气中各种气流的流通。
哈勃和双子座能够将木星作为一个整体来进行监测，并实时为朱诺的测量任务提供多种波长地图参考，正如地球的气候观测卫星为美国国家海洋和大气管理局的飓风追踪器提供信息那样。


“因为我们现在定期有来自不同观测器和波长下的高分辨率图像，我们更够学到比木星天气更多的东西，”西蒙解释道：“这就相当于是一个气象卫星，我们也终于可以观察气象周期了。”
由于哈勃和双子座望远镜的观测对于解读朱诺获得的数据至关重要，王和他的同事西蒙、德帕特正努力让其他研究团队能够更轻松地通过位于马里兰，巴尔的摩太空望远镜科学研究所的米库尔斯基太空望远镜档案馆来获取所有处理过的数据。
“重要的是我们成功收集了支持朱诺任务的庞大数据集。数据集的应用方法有太多了，以至于有一些我们甚至都不知道的。因此，我们要让别人也能够做这项研究，并且不用费劲心思地去想如何处理数据。”

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