木星上的风暴正在扰乱这颗行星的多彩带

木星南赤道带的两个明亮的白色羽状物(中心)的特写，以及它们右边的一个大的下游扰动。(图片由加州大学伯克利分校Imke de Pater拍摄;墨尔本大学罗伯特·索特;加州大学伯克利分校的克里斯·莫克尔;迈克尔·王，加州大学伯克利分校;(英国莱斯特大学弗莱彻)

深植于木星大气层中的风暴云正在影响木星的白色地带和彩色带，扰乱了它们的流动，甚至改变了它们的颜色。

由于协调观测地球的2017年1月由六个地面光学和射电望远镜和NASA的哈勃太空望远镜,一个加州大学伯克利分校的天文学家和她的同事们已经能够跟踪这些风暴的影响,可见明亮的羽毛在星球的氨冰云——在他们的腰带。

这些观测结果将最终帮助行星科学家了解木星上复杂的大气动力学。木星拥有巨大的红斑和彩色的层状蛋糕带，是太阳系中最美丽、变化最剧烈的巨型气态行星之一。

这样一个羽被业余天文学家注意到菲尔英里在澳大利亚前几天第一次观测的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)在智利,和照片拍摄一周后由哈勃发现羽已经催生了第二个羽,留下了下游扰动带的云,南赤道带。上升的羽状物与木星强大的风相互作用，使云层从它们的起源点向东和向西伸展。

阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列(ALMA)捕捉到的木星射电图像。在这些波长上，明亮的光带表示高温，与可见光图像中的棕色光带相对应。这些暗带被称为区域，在可见光下通常是白色的，是木星大气中温度较低或不透明的区域。这些图像记录了在地球上层云层下面40到50公里处的云层。(加州大学伯克利分校Imke de Pater，墨尔本大学Robert Sault拍摄的ALMA图像)

三个月前，在北赤道带稍北的地方发现了四个亮点。尽管这些羽状物在2017年消失了，但自那以后，这条带向北变宽了，其北部边缘的颜色从白色变成了橘黄色。

研究负责人、加州大学伯克利分校天文学荣誉教授伊姆克·德·佩特(Imke de Pater)说:“如果这些羽状物非常活跃，并继续发生对流事件，它们可能会随着时间的推移干扰其中一个完整的带，尽管这可能需要几个月的时间。”“通过这些观察，我们看到一个羽流正在形成，其他羽流也在产生后续影响。”

对这些羽状物的分析支持了这样一种理论，即它们起源于云顶以下约80公里处的一个地方，那里主要由液态水构成。一篇描述这一结果的论文已被接受发表在《天文学杂志》上，目前已在网上发表。

到平流层

木星的大气主要是氢和氦，含有微量的甲烷、氨、硫化氢和水。最上层的云层是由氨冰组成的，由肉眼可见的棕色带和白色带组成。在这层云的外层之下，有一层固体硫化氢铵颗粒。更深处，在上层云层下面80公里处，有一层液态水水滴。

ALMA’s在射电波长下拍摄的木星照片(上图)和哈勃太空望远镜在可见光下拍摄的木星照片(下图)。在这两幅图中都可以看到南赤道带的火山爆发:射电图中的黑点和可见光中的亮点。(阿尔玛形象Imke de Pater和S. Dagnello;哈勃图片由美国宇航局提供)

德佩特和她的团队所研究的暴风云以明亮的羽状出现在带和带中，其行为很像地球上雷暴之前的积雨云。木星的暴风云和地球上的一样，经常伴随着闪电。

然而，光学观测无法看到氨云层以下，因此德·佩特和她的团队一直在用射电望远镜进行更深入的探测，包括阿尔玛望远镜和新墨西哥州的甚大阵望远镜(VLA)，后者由美国国家科学基金会资助的国家射电天文台运作。

ALMA array对木星的首次观测是在2017年1月3日至5日之间，就在几天前，业余天文学家在木星的南赤道带发现了其中一处明亮的羽状物。一周后，夏威夷的哈勃、VLA、双子座、凯克和斯巴鲁天文台以及智利的甚大望远镜(VLT)在可见光、射电和中红外波段捕捉到了图像。

德佩特将阿尔玛的无线电观测结果与其他数据结合起来，特别关注了新酝酿的风暴，因为它冲破了上层甲板上的氨冰云。

数据显示，这些风暴云达到了对流层顶的高度——大气层中最冷的部分——在那里它们像砧状积雨云一样散开，在地球上产生闪电和雷声。

德佩特说:“我们在阿尔玛的观测首次表明，在一次剧烈的喷发中会产生高浓度的氨气。”

ALMA图像显示木星’s云层下氨气体的分布。(阿尔玛形象I. de Pater和S. Dagnello)

这些观测结果与一种称为湿对流的理论相一致，该理论认为这些羽状物是如何形成的。根据这一理论，对流将氨和水蒸气的混合物带到云层顶部以下80公里的高度，使水凝结成液滴。凝结的水释放出的热量使云膨胀，并使云迅速向上穿过其他云层，最终冲破大气层顶部的氨冰云。

羽流的动量将过冷的氨云带到现有的氨冰云之上，直到氨结冰，形成一个明亮的白色羽流，与环绕木星的彩色条纹形成鲜明对比。

德佩特说:“我们对这些数据非常幸运，因为这些数据是在业余天文学家在南赤道带发现明亮的羽状物几天后拍摄的。”“有了阿尔玛，我们观察了整个星球，看到了烟羽。由于阿尔玛探测器位于云层之下，我们实际上可以看到氨云层之下发生了什么。”

哈勃在阿尔玛撞击一周后拍摄了照片，并捕捉到了两个独立的亮点，这表明这些羽状物来自同一来源，并被高空急流向东携带，导致了在该带中看到的巨大扰动。

illustration of rising clouds in Jupiter's atmosphere

的说明“moist convection” Jupiter’s大气中显示了羽流上升来自大约80公里以下云顶,那里的压力是地球上五倍(5条),并通过地区上升水凝结,氢硫化物形式和铵氨冻结成冰,略低于大气中最冷的地方,对流层顶。(改编自莱斯特大学莱弗莱彻的插图)

巧合的是，三个月前，在北赤道带北部观测到明亮的羽状物。2017年1月的观测显示，这条带的宽度已经扩大，第一次看到羽状物的那条带从白色变成了橙色。德佩特猜想，北赤道带向北扩张是由于氨耗尽的羽流的气体回落到较深的大气中。

德佩特的同事、澳大利亚墨尔本大学的合著者罗伯特·索特(Robert Sault)使用特殊的计算机软件分析阿尔玛的数据，获得了与哈勃望远镜拍摄的可见光照片类似的阿尔玛表面射电图。

索特说:“木星每10小时自转一次，通常会使射电图模糊不清，因为这些图要花好几个小时才能观测到。”“此外，由于木星很大，我们必须‘扫描’这颗行星，这样我们最终才能制作出一幅大型马赛克。我们开发了一种技术来绘制这颗行星的完整地图。”

与德佩特和索特共同撰写这篇论文的还有研究生克里斯•莫克尔(Chris Moeckel)和查尔斯•古尔劳德(Charles Goullaud)，以及加州大学伯克利分校的研究天文学家迈克尔•王(Michael Wong)和戴维•德布尔(David DeBoer)，以及美国国家射电天文台的布莱恩•巴特勒(Bryan Butler)。他们都参与了哈勃、双子座、阿尔玛和VLA数据的获取和分析。VLT数据由英国莱斯特大学的Leigh Fletcher和Padraig Donnelly提供，加州喷气推进实验室的Glenn Orton和James Sinclair以及日本东京大学的Yasuma Kasaba提供了斯巴鲁的数据。马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的Gordon Bjoraker和南卡罗来纳州克莱姆森大学的Mate Adamkovics分析了凯克的数据。

这项工作得到了NASA行星天文学奖(NNX14AJ43G)和太阳系观测奖(80NSSC18K1001)的支持。

到平流层

相关信息