木星高層大氣為何那麼熱?新研究首證實極光加熱機制

作者 | 發布日期 2021 年 08 月 09 日 15:28 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


多年來,科學家們一直試圖弄清木星明明離太陽那麼遠、為何高層大氣溫度卻能一反預期的達到 1,000K 高溫。根據 NASA 與 JAXA 合作的最新研究,原因可能與木星極光加熱整個木星有關。

木星的大氣層大致可分為四層:對流層、平流層、增溫層、散逸層,由於木星不像地球一樣擁有固體表面,因此科學界一般將大氣壓力 10bar 處視為對流層最低處,將大氣壓力 1bar 處視為木星表面,但實際上木星大氣與行星流體內部之間沒有明確的界線。

不過木星大氣層的垂直溫度變化與地球大氣層相似:對流層的溫度隨高度降低,於對流層頂(木星表面上方 50 公里處)達到最低溫度約零下 163 ℃;接著平流層溫度上升至約零下 70℃;到了增溫層後溫度開始飆升,木星表面上方約 1,000 公里處增加至約 726℃。

想想木星與太陽的距離 7.78 億公里,根據抵達木星的陽光輻射量,推測木星應該是一個相當寒冷的世界,至少高層大氣溫度不應超過 73℃。但實際上,科學家看著這半世紀來每次太空與地面對木星大氣觀測的結果一直很困擾。

為何木星赤道上方高層大氣溫度這麼高?這些熱量從哪裡來?赤道附近有什麼未知熱源嗎?現在,天文學家利用凱克天文台望遠鏡數據繪製了木星高層大氣詳盡圖,首次揭開木星大氣背後加熱機制來自強大的極光。

當帶電粒子沿著磁場線被引導至行星兩極附近、並與高層大氣中的原子和分子碰撞時,就會產生極光。在地球上,這些碰撞產生了北極光與南極光,但在木星上,由於木衛一埃歐火山活動貢獻了不少物質,導致木星極光更加強烈。

天文學家過去雖然考慮過木星極光是加熱大氣的一種選擇,但早期模型指出因木星快速自轉產生的高速風影響,極地地區熱量並不會抵達低緯度地區。

現在新模型表明,木星就像一個巨大的冰箱,雖然熱能從赤道推向極地並沉積在極地低層大氣,但快速變動的極光會推動能量波對抗這種流動,從而將熱能重新推回赤道,解釋了驅動熱傳遞過程的證據。

整體而言,木星極光只佔該星球面積不到 10%,但似乎正在加熱整個木星。研究人員還在一個離極光很遠的區域發現局部加熱現象,目前還不確定這個特徵是什麼,但研究人員認為那是極光往赤道方向推動的滾滾熱浪。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:NASA Goddard 影片截圖)

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