在木星上测量到强大的平流层风


这张图片展示了一位艺术家对木星南极附近平流层的风的印象,蓝色的线条代表了风速。这些线条叠加在一张真实的木星照片上,这张照片是由美国宇航局的朱诺探测器上的朱诺相机拍摄的。木星著名的云带位于低空大气中,那里曾测出过风。但是追踪平流层的风要困难得多,因为那里没有云。通过分析20世纪90年代的一次彗星碰撞的余波,并使用欧洲天文台(ESO)的合作伙伴ALMA望远镜,研究人员已经能够揭示在木星两极附近难以置信的强大的平流层风,风速高达每小时1450公里。信贷ESO / L。Calcada &美国航天局/姓名/ SwRI / mss

利用欧洲南方天文台(ESO)合作的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA),一组天文学家首次直接测量了木星中层大气中的风。

通过分析20世纪90年代彗星碰撞的后果,研究人员揭示了木星两极附近难以置信的强风,风速高达每小时1450公里。他们可能代表了研究小组所描述的“我们太阳系中独一无二的气象野兽”。

木星以其独特的红色和白色带而闻名,这是一种旋转的气体云,天文学家传统上用它来跟踪木星低层大气中的风。天文学家还在木星的两极附近看到了被称为极光的生动光芒,这似乎与木星上层大气中的强风有关。但直到现在,研究人员还无法直接测量平流层中这两层大气之间的风模式。

利用云跟踪技术测量木星平流层的风速是不可能的,因为这部分大气中没有云。然而,在1994年,苏梅克-列维9号彗星以壮观的方式与这颗气态巨星相撞,为天文学家提供了另一种测量工具。这次撞击在木星的平流层中产生了新的分子,从那时起,这些分子就随着风移动。

由法国波尔多天体物理实验室的Thibault Cavalié领导的一组天文学家,现在已经跟踪了其中的一个分子——氰化氢——来直接测量木星平流层的“喷流”。科学家们用“喷流”这个词来指代大气层中狭窄的风带,就像地球上的喷流。

Cavalié说:“最壮观的结果是出现了速度高达每秒400米的强喷射流,它位于北极圈附近。”这些风速相当于每小时1450公里,是木星大红斑所达到的最大风暴速度的两倍多,是地球上最强龙卷风所测得风速的三倍多。

“我们的探测表明,这些喷射流可能像一个巨大的漩涡,直径高达地球的4倍,高度约900公里,”合著者、同样来自波尔多天体物理实验室的Bilal Benmahi解释道。“如此大小的漩涡将是我们太阳系中独一无二的气象巨兽,”Cavalié补充道。

天文学家已经意识到木星两极附近有强风,但在更高的大气中,在今天发表在《天文学与天体物理学》上的新研究重点区域上方数百公里处。先前的研究预测,这些上层大气的风会在到达平流层深处之前降低速度并消失。“新的ALMA数据告诉我们的恰恰相反,”Cavalié说,并补充说在木星两极附近发现这些强烈的平流层风是一个“真正的惊喜”。

研究小组使用了ALMA 66个高精度天线中的42个,这些天线位于智利北部的阿塔卡马沙漠,分析了自苏梅克-列维9号撞击以来一直在木星平流层移动的氰化氢分子。ALMA的数据使他们能够测量多普勒频移——分子发射的辐射频率的微小变化——这是由地球这个区域的风引起的。“通过测量这种转变,我们可以推断出风一样的速度可以推导出一列疾驶的火车速度的火车汽笛的频率的变化,”解释了研究的合著者文森特色调,行星科学家在美国西南研究所。

除了令人惊讶的极地风之外,该团队还利用ALMA,通过直接测量其速度,首次确认了在行星赤道附近存在强烈的平流层风。在地球这一区域发现的喷气机平均时速约为600公里每小时。

在木星两极和赤道追踪平流层风所需的ALMA观测时间不到30分钟。美国西南研究所的科学家、该研究的合著者托马斯·格雷特豪斯(Thomas Greathouse)说:“我们在这么短的时间内获得了如此高水平的细节,这确实证明了ALMA观测的力量。”“第一次对这些风进行直接测量的结果,使我很惊异。”

“这些ALMA的结果为木星极光区域的研究打开了一扇新的窗口,这在几个月前是非常出乎意料的,”Cavalié说。格雷特豪斯补充说:“他们还为‘火星汁’计划及其亚毫米波仪器进行类似但更广泛的测量奠定了基础。”他指的是欧洲航天局的木星冰卫星探测器,预计将于明年发射升空。

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ESO的地面特大型望远镜(ELT)也将探索木星,它将在本十年晚些时候看到第一道曙光。该望远镜将能够对木星的极光进行非常详细的观测,使我们进一步了解木星的大气层。

更多的信息

这项研究发表在《第一次直接测量木星平流层中的极光和赤道喷流》的论文中,今天发表在《天文学与天体物理学》(doi:10.1051/0004-6361/202140330 -)https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202140330)。

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