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按照我們的慣常理解，離太陽(yáng)越近，行星溫度越高，離太陽(yáng)越遠(yuǎn)則行星溫度越低，但這放在木星身上就說(shuō)不通了。木星雖然距離太陽(yáng)十分遙遠(yuǎn)，排在地球和火星的后面，但其實(shí)木星上層大氣的溫度能夠達(dá)到400攝氏度，可以說(shuō)是在持續(xù)“發(fā)燒”。
太陽(yáng)系示意圖，你知道哪個(gè)是木星嗎？（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
這個(gè)反?，F(xiàn)象已經(jīng)困擾學(xué)者們50年，而近日的一項(xiàng)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(jī)”提供了答案。
木星小檔案
先來(lái)認(rèn)識(shí)一下以體型巨大而著稱(chēng)的木星。
木星是一個(gè)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(gè)衛(wèi)星。
（圖片來(lái)源：作者提供）
木星擁有太陽(yáng)系最強(qiáng)的行星磁場(chǎng)，磁矩是地球磁場(chǎng)的大約18000倍。相比地球，木星距離太陽(yáng)非常遙遠(yuǎn)，木星的軌道半長(zhǎng)軸是5.204 AU，大約是日地距離的五倍。
“木星能源危機(jī)”，困擾人們五十年
直觀來(lái)看，距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)的木星本應(yīng)該比地球更冷，根據(jù)接受到太陽(yáng)輻射的量來(lái)計(jì)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(shí)際的測(cè)量值卻高于400攝氏度，這種不明原因的反常高溫，被稱(chēng)作是木星的“能源危機(jī)”。當(dāng)前地球面臨的能源危機(jī)是可用能源接近枯竭，而與地球的能源危機(jī)不同的是，木星的能源危機(jī)是 “有能量（熱能）卻找不到來(lái)源”。
木星反常的高溫已經(jīng)困擾了人類(lèi)五十年，在這期間，飽受困擾的學(xué)者們對(duì)這個(gè)過(guò)熱的氣態(tài)星球提出了諸多加熱機(jī)制猜想，有學(xué)者認(rèn)為是由于木星的超級(jí)風(fēng)暴——木星大紅斑導(dǎo)致的，因?yàn)楦鶕?jù)測(cè)量，大紅斑確實(shí)比周?chē)紵帷?/span>
學(xué)者們猜想，超級(jí)風(fēng)暴在低層大氣中會(huì)產(chǎn)生大量擾動(dòng)，這些擾動(dòng)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(cè)都無(wú)法給出木星全球加熱的完整機(jī)制描述。
大紅斑加熱想象圖（圖片來(lái)源：NASA）
譜輻射強(qiáng)度，表明大紅斑為高溫區(qū)域（圖片來(lái)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(duì)對(duì)木星進(jìn)行了多儀器的聯(lián)合觀測(cè)，這次觀測(cè)的主要結(jié)果來(lái)自于木星大氣溫度的高空間分辨率測(cè)量，團(tuán)隊(duì)使用了三臺(tái)儀器：夏威夷Keck天文臺(tái)——通過(guò)近紅外譜望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)三氫陽(yáng)離子的發(fā)射譜，從而來(lái)測(cè)量溫度；NASA的Juno航天器和日本JAXA的Hisaki衛(wèi)星用于輔助觀測(cè)磁場(chǎng)和木星的衛(wèi)星“Io”（木衛(wèi)一）。
下圖是溫度分布的觀測(cè)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(guò)度為相對(duì)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(gè)木星高層大氣。
木星溫度分布（圖片來(lái)源：Nature 596, 54–57 (2021)）
這也就是說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)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(diǎn)），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(qiáng)？這就要問(wèn)問(wèn)木衛(wèi)一了。
木星本身的結(jié)構(gòu)特殊，作為一個(gè)巨大的氣態(tài)行星，它擁有太陽(yáng)系內(nèi)最強(qiáng)的行星磁場(chǎng)，而且磁場(chǎng)內(nèi)有一個(gè)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(dòng)，導(dǎo)致木衛(wèi)一上形成幾百個(gè)火山。
木衛(wèi)一上的火山噴發(fā)物會(huì)在周?chē)纬芍行詺怏w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(chǎng)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(chǎng)中，幫助木星構(gòu)建出比地球強(qiáng)千萬(wàn)倍的輻射帶。下圖描述了Io在木星磁場(chǎng)中產(chǎn)生高能帶電粒子的過(guò)程。
木衛(wèi)一Io，等離子體環(huán)，以及木星磁場(chǎng)（圖片來(lái)源：Wikipedia : Io (moon)）
這些帶電粒子沿著強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)到木星極區(qū)，進(jìn)入木星大氣，沉降后產(chǎn)生太陽(yáng)系內(nèi)最強(qiáng)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(lái)源。
木星極光（圖片來(lái)源：NASA）
同樣有極光，地球的兩級(jí)為什么這么冷
看到這里，你可能有疑問(wèn)了——同樣是行星極光，為什么地球的極光就沒(méi)這么強(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)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(lái)自于太陽(yáng)風(fēng)（編者注：指從太陽(yáng)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(shí)地球磁場(chǎng)也相對(duì)較弱，對(duì)于高能帶電粒子向兩極的輸運(yùn)能力不強(qiáng)，沒(méi)有大量粒子被輸運(yùn)到兩極。
所以地球極光強(qiáng)度遠(yuǎn)小于木星極光，無(wú)法顯著地加熱大氣，對(duì)地球氣候也沒(méi)有顯著影響，地球仍然是兩極冷赤道熱。
而地球磁場(chǎng)如果變強(qiáng)10倍，此時(shí)內(nèi)稟磁場(chǎng)（編者注：行星內(nèi)部自發(fā)發(fā)生、保持和改變的磁場(chǎng)）可以完全覆蓋月球軌道，同時(shí)月球開(kāi)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(huì)導(dǎo)致兩極比赤道更熱。
國(guó)際空間站ISS上拍攝的地球極光（圖片來(lái)源：NASA）
模型+觀測(cè)，認(rèn)識(shí)行星不為人知的一面
我們對(duì)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(guò)“觀測(cè)+建模”的方式嘗試描述遙遠(yuǎn)行星上發(fā)生的物理過(guò)程。
本文所描述的研究過(guò)程就是很好的一個(gè)例子，其實(shí)在之前的觀測(cè)中，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了木星的極光區(qū)是一個(gè)高溫區(qū)，但當(dāng)時(shí)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(wú)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(cè)，使用前所未有的分辨率（2度/像素），發(fā)現(xiàn)了熱量沒(méi)有被封閉在極區(qū)，而是從兩極高溫逐漸過(guò)渡到赤道低溫。這一觀測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了先前模型無(wú)法描述的現(xiàn)象，其實(shí)也就是對(duì)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(lái)越高的分辨率，探測(cè)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(cè)。一邊是通過(guò)收集并同化觀測(cè)數(shù)據(jù)使模型更加完善，可以預(yù)測(cè)并描述儀器無(wú)法觀測(cè)的角落。模型和觀測(cè)可以說(shuō)是我們深空探測(cè)，認(rèn)識(shí)更多行星的兩只眼睛，模型指導(dǎo)觀測(cè)，觀測(cè)完善模型。
“木星能源危機(jī)”有了答案，未來(lái)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
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