一場(chǎng)持續(xù)數(shù)月的“隱形超級(jí)風(fēng)暴”，揭示了這顆巨大行星的秘密

當(dāng)閃電劃破天空時(shí)，地球上最強(qiáng)的“超級(jí)閃電”已足以讓人敬畏。但在木星上，閃電的威力可能是地球上最強(qiáng)閃電的100倍，甚至可能達(dá)到100萬倍。

一項(xiàng)最新研究揭示了這顆太陽系最大行星上閃電的真實(shí)威力。

在這張木星北極附近漩渦的照片中，NASA的朱諾號(hào)任務(wù)觀察到一道閃電發(fā)出的光芒。

圖源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

通過對(duì)NASA朱諾號(hào)探測(cè)器數(shù)據(jù)的深入分析，科學(xué)家們得以穿透木星厚密的云層，首次精確測(cè)量其閃電的強(qiáng)度。

木星閃電：被云層掩蓋的真相

木星，這顆太陽系中的“巨人”，擁有與之匹配的巨型風(fēng)暴系統(tǒng)，其中一些風(fēng)暴甚至持續(xù)了數(shù)個(gè)世紀(jì)。幾乎每一艘飛越木星的探測(cè)器都在這顆行星的夜面探測(cè)到了閃電現(xiàn)象。

然而，此前的研究基于只能探測(cè)到最強(qiáng)暗面閃光的任務(wù)，認(rèn)為木星閃電與地球上最強(qiáng)的“超級(jí)閃電”相當(dāng)。這個(gè)認(rèn)知在2016年NASA朱諾號(hào)探測(cè)器進(jìn)入木星軌道后被徹底顛覆，朱諾號(hào)的星敏感器相機(jī)（ star-tracking camera ）靈敏度足夠高，探測(cè)到了大量與地球閃電強(qiáng)度相當(dāng)?shù)奈⑷蹰W光。

研究主要作者、加州大學(xué)伯克利分校的行星科學(xué)家邁克爾·黃解釋說，問題在于，木星夜面成像面臨一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：云層會(huì)遮擋閃電的視野，這使得估算閃電的真實(shí)強(qiáng)度變得異常困難。

破解“隱形超級(jí)風(fēng)暴”之謎

在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們采用了全新的方法。他們沒有依賴光學(xué)成像，而是分析了朱諾號(hào)核心儀器探測(cè)到的木星閃電射電輻射。這種方法不受云層遮擋的影響，能夠更精確地測(cè)量閃電的真實(shí)功率。

研究人員面臨的挑戰(zhàn)是，木星常常同時(shí)經(jīng)歷多場(chǎng)風(fēng)暴，這些風(fēng)暴分布在環(huán)繞行星的帶狀區(qū)域中。這使得確定朱諾號(hào)探測(cè)到的閃電具體來自哪場(chǎng)風(fēng)暴變得異常困難。黃將這個(gè)問題比作“在春節(jié)游行中聽到一連串爆裂聲，卻不知道是幾英尺外的爆米花在炸，還是一個(gè)街區(qū)外的鞭炮在響”。

2021年9月的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)顯示，北赤道帶（NEB）完全沒有對(duì)流活動(dòng)。而在其他年份，北赤道帶內(nèi)的小型對(duì)流風(fēng)暴則數(shù)量眾多（粉色三角形所示）。2020年，北緯23°處曾爆發(fā)一場(chǎng)真正的超級(jí)風(fēng)暴（藍(lán)色三角形所示），隨后演變?yōu)槎鄠€(gè)羽流（Sánchez-Lavega等人，2023年）。北赤道帶的范圍約為行星圖緯度7°至17°N（Fletcher等人，2016年；Rogers，1995年），這一范圍基于風(fēng)急流的位置（右側(cè)黑色曲線，粉色速度刻度線表示-50至200米/秒的速度范圍，Wong等人，2020年）。北赤道帶在行星中心緯度坐標(biāo)系（圖2-7所使用的坐標(biāo)系）中的范圍約為6°至15.5°N。紅/綠/藍(lán)彩色合成圖像分別使用了F631N、F502N和F395N濾光片的數(shù)據(jù)構(gòu)建。本圖改編自Simon和Wong（2024年）的研究成果。

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2021年和2022年。木星北赤道帶的風(fēng)暴活動(dòng)出現(xiàn)了一段間歇期，這讓科學(xué)家們得以將注意力集中在單個(gè)大型風(fēng)暴上。他們結(jié)合NASA哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、朱諾號(hào)和業(yè)余天文學(xué)家的圖像，精確定位了這些風(fēng)暴的位置。

邁克爾·黃將這些風(fēng)暴稱為“隱形超級(jí)風(fēng)暴”。與木星真正的超級(jí)風(fēng)暴類似，它們的活動(dòng)持續(xù)了數(shù)月，但與真正的超級(jí)風(fēng)暴不同，它們的云塔只達(dá)到了適中的高度。

朱諾號(hào)足夠接近其中四場(chǎng)隱形超級(jí)風(fēng)暴，得以分析它們閃電產(chǎn)生的微波。在飛越過程中，探測(cè)器探測(cè)到的閃電平均每秒三次。通過對(duì)613次閃電脈沖的測(cè)量，科學(xué)家計(jì)算出它們的功率范圍從與地球閃電相當(dāng)?shù)降厍蜷W電的100倍以上。

科學(xué)家們謹(jǐn)慎表示，由于他們是在不同射電波長(zhǎng)上比較地球和木星的閃電輻射，估算存在不確定性。木星的閃電實(shí)際威力可能是地球閃電的100萬倍。

為什么木星閃電如此強(qiáng)大？

木星的閃電不僅本身引人注目，還能幫助解釋其大氣層和風(fēng)暴的運(yùn)行機(jī)制。與地球類似，木星也經(jīng)歷著對(duì)流，將熱量從下方輸送上來的攪動(dòng)過程。

邁克爾·黃解釋說，木星的對(duì)流機(jī)制與地球不同。地球大氣以氮?dú)鉃橹?，氮?dú)獗人?，因此潮濕空氣比干燥空氣更具浮力。相比之下，木星大氣以氫氣為主，潮濕空氣反而更重，更難上升。

這意味著木星上的風(fēng)暴需要更多能量才能上升，如果成功到達(dá)大氣層頂部，就會(huì)釋放出更多能量，導(dǎo)致高風(fēng)速和強(qiáng)烈的閃電。

研究人員認(rèn)為，木星閃電的產(chǎn)生機(jī)制很可能與地球相似：上升的水蒸氣在更高、更冷的海拔凝結(jié)成液滴和冰晶，從而帶電。然而，為什么木星閃電會(huì)更強(qiáng)大仍然是一個(gè)未解之謎。

邁克爾·黃在一份聲明中提出疑問：“關(guān)鍵差異在于氫大氣層與氮大氣層，還是木星上的風(fēng)暴更高，因此涉及的距離更大？”。木星的風(fēng)暴高度超過100公里，而地球的風(fēng)暴高度僅約10公里。

“還是因?yàn)槟拘巧系臐駥?duì)流能夠獲得更多能量，在產(chǎn)生風(fēng)暴引發(fā)閃電之前，需要積累更多的熱量？”

這些問題的答案，仍有待科學(xué)家們進(jìn)一步探索。這項(xiàng)研究已于3月20日發(fā)表在《AGU Advances》期刊上。

參考

[1]https://www.space.com/astronomy/jupiter/lightning-on-jupiter-could-be-up-to-1-million-times-stronger-than-on-earth

[2]https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025AV002083