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木星的「星空」,太阳的耀斑,谁是最美封面?

来源:Nature、Science

编辑:白峰、小匀

【新智元导读】因为马斯克的星际移民计划,火星变的令人着迷。但是近日发表在《自然》的一篇文章,让人们也看到了木星的美丽星空,宇宙中还有哪些令人向往的景象?太阳的耀斑也很惊艳!

《星空》般美丽的景象出现了,不过不是在地球上,而是木星

跟着美国宇航局的木星探测器「朱诺号」,我们进入了木星的高海拔雷电风暴之旅。

蘑菇「绑架」了氨水,木星上也有闪电

自从1979年NASA的「旅行者号」第一次看到了木星的闪电以来,人们一直认为木星的闪电与地球的闪电很相似。但「朱诺号」却让我们看到了一个不太寻常的闪电。

最近发表于《自然》上的一篇研究,研究人员发现了木星上一种意想不到的放电形式——「浅层闪电」。这种浅层闪电来自含有氨-水溶液的云,而地球上的闪电来自水云。

众所周知,木星是一颗气态巨行星,也就是说,它的表面由大量气体构成。研究表明,木星上可能会因为猛烈的雷暴而形成富含氨的泥状冰雹,研究人员称之为「蘑菇」风暴。他们推测,从本质上来说,「蘑菇」在高层大气中「绑架」了氨和水,并把它们带到木星大气的深处。

「朱诺号的近距离飞越让我们看到了一些令人惊讶的东西——更小、更浅的闪光,这里比之前假设的高度更高。」论文的第一作者海蒂·贝克尔说。

贝克尔和她的团队认为,木星强大的雷暴将水冰晶抛向了木星大气层的高空,距离木星水云超过16英里(25公里),在那里,它们遇到了大气中的氨蒸汽,融化了冰,形成了新的氨-水溶液。

在如此高的海拔,温度低于零下126华氏度(零下88摄氏度),这对于纯液态水的存在来说太冷了。

贝克尔说:「在这样的高度,氨就像一种防冻剂,降低了水冰的熔点,从而形成了含有氨-水液体的云。在这种新的状态下,落下来的氨-水液滴会与上升的水-冰晶碰撞,从而使云带电。这是一个惊喜的发现,因为氨水云并不存在于地球上。」

浅层闪电引发了另一个关于木星大气内部运作的谜团:“朱诺号”的微波辐射计仪器发现,氨已经耗尽——也就是说,缺失了——木星的大部分大气。更令人费解的是,氨的含量随着在木星大气中的移动而变化。

昨天发表在《地球物理研究杂志:行星》上的第二篇论文设想,2/3的水和1/3的氨气形成了木星冰雹的前身——「蘑菇」。蘑菇由水-氨融雪层和被较厚的水-冰外壳覆盖的冰组成,这种形成方式与地球上的冰雹相似——会在大气层中上下移动时变得越来越大。

「最终,蘑菇长得太大了,上升气流都阻止不了它们下降。就这样,它们会落到大气中更深处,遇到温度更高的地方,最终完全蒸发掉。」这篇论文的第一作者特里斯坦·吉洛说,「后续氨和水被拖到木星大气层的深处。这就解释了为什么在这些地方,朱诺号的微波辐射计看不到太多。」

木星上「浅闪电」和「蘑菇」的演变过程

2011年8月5日,九年前的这一天,由太阳能驱动的木星探索者号发射升空。上个月是它到达木星的四周年纪念日。

自从进入这颗气态巨星的轨道以来,「朱诺号」已经进行了27次飞行,飞行里程超过3亿英里(4.83亿公里)。仍是NASA新前沿项目的一部分。

除了木星的美丽星空,太阳耀斑也很壮观。最近,日本科学家利用新的方法预测到了太阳耀斑的爆发。

太阳耀斑竟是源于「磁重联」

太空天气就像是一个猜谜游戏,尤其像太阳爆发这种无法直接观测的活动。

太阳爆发的预测通常是基于太阳表面上观测到的活动量,而没有考虑到爆炸的具体过程。

最近《科学》杂志报道了一项新研究,基于太阳耀斑背后的物理学原理就可以预测太阳耀斑。利用历史数据,该方法成功预测了几个强大的耀斑。

太阳耀斑和相关的带电粒子(或等离子体)爆发所释放的辐射是有害的。这种空间天气可以中断无线电通信,破坏卫星,摧毁电网,危及宇航员。所以准确的太空天气预报也是很有必要的。

目前的预测方法依赖于耀斑相关的现象,比如太阳黑子。

相比之下,这种新的预测方法是基于太阳磁场循环自我重组的方式和时间,这一过程被称为磁重联,这一过程会爆发出标志着太阳耀斑的能量。

太阳的表面,磁场会变得非常粗糙不再有规律。磁场线会像意大利面条一样互相环绕交叉。当这些线路断裂并重新连接时,就会释放出一股能量,从而产生耀斑。

来自日本名古屋大学的物理学家 Kanya Kusano 和他的同事们提出,最大的耀斑是由于两条弧形的磁力线相互连接,形成了一个 m 形的环。

这种「双弧不稳定性」导致更多的磁重联,m 形的回路膨胀,释放出能量

成功预测大耀斑,不稳定性是关键

研究人员利用NASA太阳动力学天文探测器11年来的数据,确定了太阳上具有高磁场活动的区域。

他们首先检查每个区域是否具备了引发耀斑的双弧不稳定性,然后预测其能否产生最强耀斑,即 x 级耀斑。这项技术准确地预测了9个耀斑中的7个。

这些成功的预测让研究人员对耀斑发生的物理过程了解更深了。

点a和b(白色圆圈)处预计会发生大的耀斑。每个圆的半径等于触发耀斑的临界半径。

预测是衡量我们对自然的理解程度的一个很好的基准」。

虽然有不成功的例子,但这些预测同样具有启发性: 即使它失败了,至少能说明没有发现的两个耀斑与太阳表面的等离子体喷射没有关系

这种不稳定性可能不是解释其他耀斑的好方法,相反它们可能来自太阳表面高处的磁重联,而不是太阳表面附近。

研究人员预测所依据的机制真的很有趣,也很有洞察力。

这种方法无法预测耀斑到底何时会发生,也无法确定是在合适的条件首次发生后一小时还是一天发生,而且也无法确定 比X1耀斑更弱的情况,但是让人类对太阳耀斑机制的理解更深刻了。

https://www.nature.com/nature/volumes/584/issues/7819

https://science.sciencemag.org/content/369/6503/587

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