木星高层大气为何那么热?新研究首证实极光加热机制

多年来,科学家们一直试图弄清木星明明离太阳那么远、为何高层大气温度却能一反预期的达到1,000K高温。根据NASA与JAXA合作的最新研究,原因可能与木星极光加热整个木星有关。

木星的大气层大致可分为四层:对流层、平流层、增温层、散逸层,由于木星不像地球一样拥有固体表面,因此科学界一般将大气压力10bar处视为对流层最低处,将大气压力1bar处视为木星表面,但实际上木星大气与行星流体内部之间没有明确的界线。

不过木星大气层的垂直温度变化与地球大气层相似:对流层的温度随高度降低,于对流层顶(木星表面上方50公里处)达到最低温度约零下163℃;接着平流层温度上升至约零下70℃;到了增温层后温度开始飙升,木星表面上方约1,000公里处增加至约726℃。

想想木星与太阳的距离7.78亿公里,根据抵达木星的阳光辐射量,推测木星应该是一个相当寒冷的世界,至少高层大气温度不应超过73℃。但实际上,科学家看着这半世纪来每次太空与地面对木星大气观测的结果一直很困扰。

为何木星赤道上方高层大气温度这么高?这些热量从哪里来?赤道附近有什么未知热源吗?现在,天文学家利用凯克天文台望远镜数据搭建了木星高层大气详尽图,首次揭开木星大气背后加热机制来自强大的极光。

当带电粒子沿着磁场线被引跳转至行星两极附近、并与高层大气中的原子和分子碰撞时,就会产生极光。当地球上,这些碰撞产生了北极光与南极光,但在木星上,由于木卫一埃欧火山活动贡献了不少物质,导致木星极光更加强烈。

天文学家过去虽然考虑过木星极光是加热大气的一种选择,但早期模型指出因木星快速自转产生的高速风影响,极地地区热量并不会抵达低纬度地区。

现在新模型表明,木星就像一个巨大的冰箱,虽然热能从赤道推向极地并沉积在极地低层大气,但快速变动的极光会推动能量波对抗这种流动,从而将热能重新推回赤道,解释了驱动热传递过程的证据。

整体而言,木星极光只占该星球面积不到10%,但似乎正在加热整个木星。研究人员还在一个离极光很远的区域发现局部加热现象,目前还不确定这个特征是什么,但研究人员认为那是极光往赤道方向推动的滚滚热浪。

新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(首图来源:NASA Goddard视频截屏)

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