木星对流层风暴：深度剖析巨型风暴对木星大气的影响

《SCIENCE ADVANCES》：Tempests in the troposphere: Mapping the impact of giant storms on Jupiter’s deep atmosphere

为了解木星对流层物质和能量的重新分配及其对全球大气动力学的影响，研究人员利用朱诺微波辐射计（Juno MWR）和哈勃太空望远镜（HST）观测数据，研究了 2017 年一场大规模风暴对木星大气的影响。结果表明风暴会影响氨和温度分布，且水和氨循环相互耦合。该研究有助于解释木星和土星对流层中氨的消耗现象。

　　在浩瀚的太阳系中，木星一直是天文学家们重点关注的对象。它那神秘的大气层，蕴含着无数的奥秘等待着人们去探索。木星的大气主要由氢气主导，然而，我们对其对流层中物质和能量的重新分配过程，以及这一过程对木星全球大气动力学的影响，了解还十分有限。比如，太阳辐射和内部热通量对木星大气能量平衡都有贡献，但它们如何在大气中相互作用，仍是未解之谜。此外，木星对流层存在一个两层系统，其中微量气体的行为并不符合热化学平衡模型的预测，尤其是氨在 30 bar 深度的全球消耗现象，用现有的化学和大气动力学知识难以解释 。为了揭开这些谜团，研究人员开展了关于木星风暴对其大气影响的研究。

研究人员利用朱诺微波辐射计（Juno MWR）和哈勃太空望远镜（HST）的观测数据，对 2017 年木星上一场大规模风暴进行了深入研究。他们发现，风暴对木星大气的氨丰度和温度结构产生了显著影响。风暴不仅使上层大气的氨含量减少并加热了上层大气，还将物质沉积到风暴触发层以下的深度。通过模拟实验，研究人员还发现水和氨的循环是相互耦合的，这种耦合效应在解释木星和土星对流层中氨的消耗现象中起着关键作用。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为我们理解木星大气的奥秘提供了重要线索。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下几种关键技术：一是通过 Juno MWR 在不同频率下对木星大气进行观测，获取大气的亮度温度等数据；二是利用 HST 在多个波段进行观测，提供风暴区域的详细图像；三是运用反卷积算法处理观测数据，提高数据分辨率；四是采用非 hydrostatic 模拟，构建木星大气模型，研究风暴与大气之间的相互作用。

在研究结果方面，首先，研究人员利用 Juno MWR 和 HST 的观测数据，对风暴系统的垂直范围进行了约束。发现风暴信号主要集中在上层四个通道，且在风暴位置亮度温度增加，这表明上层大气可能存在氨的干燥或物理温度的升高。其次，通过反卷积亮度温度图，研究人员详细分析了风暴系统内的精细结构，发现较高频率探测区域的冷亮度温度与阴霾和云的形态相关，而较低频率探测区域的亮度温度异常变为负值。然后，研究人员选取了三个区域来研究风暴对大气中氨丰度的影响。结果显示，风暴对氨分布的影响呈现出两个不同的区域，上层大气有明显异常，而在水云以下则存在较小但相反的异常。此外，研究人员还探讨了风暴对大气温度的影响，发现温度异常与氨异常呈反比关系，风暴可能通过释放潜热加热上层大气，在水云以下则可能存在冷却现象。最后，通过模拟实验，研究人员进一步验证了上述结果，并发现超级绝热层的存在会影响氨异常的拟合结果。

在结论和讨论部分，研究表明木星上源于水凝结压力处的风暴对其大气有重大影响。风暴在大气中重新分配能量和微量气体，这一过程中氨和水的循环相互耦合。这些风暴通常持续数月，不断扰乱木星大气，对大气中的热量传输起着关键作用，也有助于解释木星和土星对流层中氨的全球消耗现象。不过，研究也存在一些未解决的问题，例如上层大气的下沉是否会引发次级小规模风暴，以及观测结果与现有模型的差异等。但总体而言，这项研究为我们深入了解木星大气的奥秘迈出了重要一步，为后续研究提供了宝贵的参考 。