韦伯太空望远镜揭示木星大气层新特征 - "完全出乎我们的意料"

木星拥有太阳系中一些最明显的大气特征。木星上的大红斑大得足以把地球包围起来，它的知名度几乎不亚于我们称之为家的地球上的一些河流和山脉。然而，和地球一样，木星也是千变万化的，关于这颗行星，我们还有很多东西有待了解。美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜正在揭开其中的一些谜团，揭示出我们从未见过的木星新特征，包括在木星赤道上空飞驰的高速喷流。

(资料图片仅供参考)

木星赤道附近的狭窄喷流，风速为每小时 320 英里。这张木星图像来自美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的近红外相机（NIRCam），以红外光显示了这颗宏伟行星的惊人细节。在这张图片中，亮度表示高度。无数明亮的白色"斑点"和"条纹"很可能是高空对流风暴凝结的云顶。极光在本图中显示为红色，延伸至地球南北两极的高空。相比之下，赤道以北的深色带状区域几乎没有云层覆盖。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大学伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文台）、Leigh Fletcher（莱斯特大学）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

虽然喷射流不像木星的其他一些特征那样直观或令人惊叹，但它让研究人员对木星大气层各层之间如何相互作用有了令人难以置信的了解，以及韦伯望远镜在未来将如何帮助这些研究。

研究人员利用美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的近红外相机（NIRCam）发现了木星赤道上空的高速喷流，位于主要云层之上。在木星云层上方约 12-21 英里（20-35 公里）的 2.12 微米波长处，研究人员发现了几处风切变，即风速随高度或距离变化的区域，这使他们能够跟踪喷流。这张图片突出显示了木星赤道周围的几个特征，在木星自转一圈（10 小时）之间，这些特征非常明显地受到喷流运动的干扰。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大学伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文台）、Leigh Fletcher（莱斯特大学）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI）

韦伯太空望远镜发现木星大气层的新特征

美国宇航局的詹姆斯-韦伯太空望远镜在木星大气层中发现了一个前所未见的新特征。这股高速喷流宽达 3,000 多英里（4,800 公里），位于木星赤道上空的主云层之上。这一喷流的发现让人们了解到木星著名的动荡大气层各层之间是如何相互作用的，以及韦伯望远镜是如何独一无二地跟踪这些特征的。

西班牙毕尔巴鄂巴斯克大学的里卡多-胡索（Ricardo Hueso）是描述这一发现的论文的第一作者。"我们一直认为木星大气层中的雾气是模糊的，现在看来是清晰的特征，我们可以随着木星的快速旋转进行追踪。"

韦伯独特的成像能力

研究小组分析了韦伯的近红外相机（NIRCam）在2022年7月拍摄的数据。由加州大学伯克利分校的Imke de Pater和巴黎天文台的Thierry Fouchet共同领导的"早期发布科学计划"旨在用四种不同的滤光片拍摄木星的图像，每种滤光片都能探测到木星大气层不同高度的微小特征变化，拍摄时间间隔为10小时，即一个木星日。

木星的大气层是分层的，这幅插图展示了韦伯望远镜是如何独一无二地从比以前更高的大气层收集信息的。科学家们能够利用韦伯望远镜确定木星大气层不同层的风速，从而分离出高速喷流。对木星的观测是在三个不同的滤光片下进行的，相隔 10 个小时，也就是一个木星日，每个滤光片都能探测到木星大气层不同高度的细小特征变化。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso（UPV）、Imke de Pater（加州大学伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文台）、Leigh Fletcher（莱斯特大学）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Andi James（STScI）

德-帕特指出："尽管各种地面望远镜、美国宇航局的朱诺号和卡西尼号等航天器以及美国宇航局的哈勃太空望远镜已经观测到了木星系统不断变化的天气模式，但韦伯望远镜已经提供了有关木星环、卫星及其大气层的新发现。"

对比鲜明的大气层

虽然木星在很多方面都与地球不同--木星是一颗气态巨行星，而地球则是一个温带岩石世界--但两颗行星的大气层都是分层的。这些其他任务观测到的红外线、可见光、无线电和紫外线波长探测到了木星大气层的较低层和较深层--巨大的风暴和氨冰云就在那里。

另一方面，韦伯望远镜的近红外波段比以前更远，它对大气的高空层很敏感，大约在木星云顶上方 15-30 英里（25-50 公里）处。在近红外成像中，高空云雾通常显得模糊不清，赤道区域的亮度增强。通过韦伯望远镜，在明亮的朦胧波段内可以分辨出更精细的细节。

这幅关于木星大气层中闪电、对流塔（雷头）、深水云和空地的插图是根据朱诺号太空船、哈勃太空望远镜和双子座天文台收集的数据绘制的。朱诺探测闪电放电产生的无线电信号。由于无线电波可以穿过木星的所有云层，朱诺号能够探测到云层深处的闪电以及木星日面的闪电。哈勃能探测到木星大气层中云层反射的阳光。不同波长的阳光可以穿透云层的不同深度，从而使研究人员能够确定云顶的相对高度。双子座号绘制了冷云的厚度图，这些冷云阻挡了来自云层下方较暖大气层的热红外光。厚厚的云层在红外地图上看起来很暗，而晴朗的云层则看起来很亮。综合观测结果可绘制三维云层结构图，并推断大气环流的细节。在潮湿空气上升（上升流和活跃对流）的地方会形成厚厚的高耸云层。较干燥的空气下沉（下沉）时，就会形成晴空。图中的云层比地球相对较浅大气层中的类似对流塔高五倍。图示区域的水平跨度是美国大陆的三分之一。资料来源：NASA、ESA、M.H. Wong（加州大学伯克利分校）、A. James 和 M.W. Carruthers（STScI）

新发现的喷流时速约为 320 英里（515 公里），是地球上 5 级飓风持续风速的两倍。它位于木星下平流层云层上方约 25 英里（40 公里）处（见上图）。

通过比较韦伯观测到的高空风和哈勃观测到的深层风，研究小组可以测量出风随高度变化的速度和产生风切变的速度。

虽然韦伯望远镜精湛的分辨率和波长覆盖范围使其能够探测到用于跟踪喷流的小型云层特征，但在韦伯望远镜观测一天后，哈勃望远镜进行的补充观测对于确定木星赤道大气层的基本状态以及观测木星赤道上与喷流无关的对流风暴的发展情况也至关重要。

加州大学伯克利分校的迈克尔-王（Michael Wong）补充说："我们知道韦伯和哈勃的不同波长将揭示风暴云的三维结构，但我们也能够利用数据的时间性来观察风暴发展的速度，"他领导了相关的哈勃观测。

未来的观测和影响

研究人员期待用韦伯望远镜对木星进行更多的观测，以确定喷流的速度和高度是否会随着时间的推移而发生变化。

研究小组成员、英国莱斯特大学的利-弗莱彻（Leigh Fletcher）解释说："木星赤道平流层的风和温度模式复杂，但可重复。如果这种新喷流的强度与平流层的振荡模式有关，我们可能会预计喷流在未来 2 到 4 年内会有很大变化--在未来几年检验这一理论将非常令人兴奋。"

弗莱彻继续说："让我感到惊奇的是，在众多天文台对木星的云层和风进行了多年跟踪之后，我们仍然有更多关于木星的知识需要了解，而像这种喷流这样的特征在 2022 年拍摄这些新的 NIRCam 图像之前一直都是隐藏的。"

研究人员的研究成果最近发表在《自然-天文学》上。

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