木星與“朱諾”號探測器NASA

近日，水星探測器“貝皮·科倫布”號吸引了人們的關注。這是人類發(fā)射的第二個專用水星探測器。實際上人類向太陽系行星派出了諸多探測器，進行深入觀測。比如木星，1973年美國國家航空航天局(NASA)發(fā)射了“先鋒10號”探測器，45年來人們共進行了7次飛越觀測和2次專門探測任務。其中，木星表面條紋結(jié)構的成因一直是探測重點。

今年，以色列科學家根據(jù)“朱諾”號的數(shù)據(jù)得出結(jié)論，木星的條紋源自其內(nèi)部的流體運動。但中科院上海天文臺研究員孔大力等學者的研究發(fā)現(xiàn)，答案并非如此簡單。相關研究成果發(fā)表在最新出版的《美國國家科學院院報》上。

謎題：木星為何獨具“風彩”

為何將木星稱為太陽系中的“大塊頭”?因為木星是太陽系行星中最大的一顆。研究數(shù)據(jù)顯示，木星的直徑約為地球的11.25倍,體積約為地球的1316倍,而質(zhì)量約為地球的318倍，是太陽系中其它7顆行星質(zhì)量之和的2.5倍。木星比地球“勤快”很多，它不到10小時便自轉(zhuǎn)一周。實際上，木星的與眾不同之處不僅在于“大塊頭”，更在于“高顏值”。通過望遠鏡觀測木星表面，人們可以看到與赤道平行、明暗交替的條紋，呈現(xiàn)出紅、褐、白等多種顏色。

“木星表面的條紋實際上是沿著緯線方向橫掃全球的大氣環(huán)流，風力強勁持久，可高達120米/秒。在一定的溫度和大氣條件下，木星大氣中氨、甲烷、水等分子成分顯現(xiàn)出不同的顏色，從而呈現(xiàn)出明暗交替的條紋狀結(jié)構。”孔大力在接受科技日報記者采訪時表示，以氨分子為例，木星表面亮條紋處的溫度較低，恰好使得氨氣會凝結(jié)成冰晶，反照率高，看起來亮白一些。暗條紋處溫度較高，氨氣不會結(jié)冰，反射陽光能力減弱，顏色較暗淡。

為什么其他行星沒有呈現(xiàn)出類似的彩色條紋?“實際上，其他的氣態(tài)行星，如土星、天王星、海王星，大氣動力學狀態(tài)與木星無本質(zhì)差別，也普遍存在強烈的環(huán)流和相應的條紋結(jié)構，只是沒有顯現(xiàn)出不同的顏色。”孔大力進一步解釋，其他氣態(tài)行星與太陽的距離較木星遠，整體大氣溫度比木星低，氨分子總是以冰晶的形式存在，無明顯的狀態(tài)變化，因此反照率趨于一致，人們也就無法觀測到條紋相間的帶狀結(jié)構。

作答：這些條紋可不“膚淺”

既然條紋結(jié)構的實質(zhì)是木星的大氣環(huán)流，那么大氣環(huán)流又是如何形成的?

天文學界目前主要有兩種理論解釋其成因。一種理論認為木星與地球上大氣環(huán)流的形成原因類似，認為氣態(tài)行星的大氣環(huán)流完全是由薄層大氣中不同緯度上溫度的差異驅(qū)動的。該理論認為條紋結(jié)構僅僅存在于木星大氣外層，就像在勻色木球表面畫上去的彩帶。

“然而，作為氣態(tài)行星，木星并不像地球擁有大氣層和地面的清晰分界線，因此大氣的運動或許與地球并不類似。”孔大力表示，部分天文學家從這個角度出發(fā)，認為大氣環(huán)流并非淺表現(xiàn)象，而是受深部對流控制，提出深度云層風模型。這就需要從木星的物理結(jié)構說起。經(jīng)過多年觀測，天文學界普遍認為，木星球體中心處為高密度巖石內(nèi)核，外部包裹著厚厚的金屬氫，再向外延伸便是主要成分為氫的大氣。木星從里到外是連續(xù)的整體，大氣運動也不可能獨立于內(nèi)部而單獨存在。由于這位“大塊頭”質(zhì)量巨大，其體積在重力作用下不斷收縮，勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，導致木星?nèi)部釋放出顯著的熱量，從而驅(qū)動和維持大氣環(huán)流。因此，深度云層風模型認為木星的大氣環(huán)流運動一直延伸到大氣內(nèi)部，并在大氣表層呈現(xiàn)出不同急流帶的輪廓。

上述兩種理論基于不同的出發(fā)點，各有其科研數(shù)據(jù)支撐。從20世紀70年代提出至今，二者已然博弈了40余年。2017年，NASA發(fā)射的“朱諾”號探測器進入環(huán)繞木星的軌道。學界十分希望通過“朱諾”號的引力場數(shù)據(jù)分析出木星環(huán)流的真正成因。2018年，以色列科學家約海·卡斯皮及其科研團隊在“朱諾”號數(shù)據(jù)基礎之上建立了相關數(shù)學模型，認為木星大氣的條紋環(huán)流是內(nèi)部流體運動模式在外表的延續(xù)和體現(xiàn)。這項支持深度云層風模型的研究成果發(fā)表在《自然》期刊上。

一直困擾天文學家的木星大氣環(huán)流成因問題就這樣一錘定音了嗎?

質(zhì)疑：謎底仍未揭開

在質(zhì)疑中尋求真理，這恰恰是科學的魅力?？状罅蒲袌F隊發(fā)現(xiàn)約海·卡斯皮團隊在相關數(shù)學模型建立中存在問題。“約海·卡斯皮等人不加修改地采用研究地球大氣層中環(huán)流擾動的數(shù)學模型去研究木星，這就出現(xiàn)了一個本質(zhì)的錯誤。”孔大力表示，木星與地球結(jié)構存在很大差異。地球大氣層只是球體外部的薄層，其產(chǎn)生的引力與整個巖石地面相比微乎其微，可以忽略不計。因此研究地球大氣環(huán)流時，往往忽略大氣自身引力的影響。但是，木星內(nèi)核、金屬氫層以及大氣層均無明顯界限，大氣自身引力是維持大氣狀態(tài)相對穩(wěn)定的一個重要原因。“研究木星大氣環(huán)流時怎么能忽略掉大氣自身的引力呢?”

隨后孔大力團隊與英國?？巳卮髮W、澳門科技大學相關學者進行合作，提出了符合木星物理條件的數(shù)學模型，建立起大氣運動和引力場擾動之間的聯(lián)系。“木星大氣運動會造成物質(zhì)分布的變化，從而產(chǎn)生對引力場的擾動信號。通過‘朱諾’號捕獲這種擾動信號就可以反推物質(zhì)的運動情況。”孔大力表示，其合作團隊共同發(fā)展了邏輯上自洽、物理上正確、數(shù)學上嚴謹?shù)哪拘黔h(huán)流模型和反演方法，提出了兩類可能的木星環(huán)流形態(tài)，分別針對上述兩種傳統(tǒng)的環(huán)流成因找到了各自對應的環(huán)流模式，從而證明上述兩種成因都可能解釋“朱諾”號引力場的測量結(jié)果。

“我們利用正確的模型對‘朱諾’號的引力場探測數(shù)據(jù)進行了反推解讀，得到了與約海·卡斯皮團隊不同的結(jié)果。這就意味著，約海·卡斯皮等人的結(jié)論是站不住腳的，可能會誤導科學界。”孔大力表示。

“木星大氣中條紋環(huán)流的成因是氣態(tài)行星物理研究中的一個重大問題，而且不是一個孤立的課題。”孔大力強調(diào)，環(huán)流的結(jié)構和驅(qū)動方式與行星內(nèi)部更深處的結(jié)構和物理條件息息相關。以現(xiàn)有的技術水平，人們難以觀察到行星內(nèi)部，所以條紋狀的大氣環(huán)流是間接研究行星深部物理結(jié)構特征的重要途徑。因此，木星大氣環(huán)流成因的結(jié)論將深刻地影響人們對氣態(tài)行星內(nèi)部物理狀態(tài)的認識。