木星的雲層隱藏著一些大東西

現在，科學家們為解開這個謎團邁出了一大步。由芝加哥大學和噴氣推進實驗室的研究人員領導的一項新研究產生了有史以來最準確的木星大氣層模型。這項工作提供了對地球內部的更深入的了解，而無需實際下降到其令人窒息的深處。

該研究的一項重要發現有助於解決有關木星構成的長期爭論。研究人員認為，這顆氣態巨行星的氧氣含量是太陽的一倍半。這一結果加深了科學家對木星和太陽係其他部分如何形成的理解。

“這是行星研究中長期存在的爭論，”該研究的主要作者、芝加哥大學博士後研究員 Jeehyun Yang 說。 “這證明了最新一代的計算模型可以如何改變我們對其他行星的理解。”

該研究發表於 1 月 8 日 行星科學雜誌。

風暴、雲和化學痕跡

幾個世紀以來，天文學家一直在觀察木星的湍流大氣層。 360 多年前，早期的望遠鏡觀測揭示了地球表面存在一個巨大且持久的特徵。

這一特徵現在被稱為大紅斑，這是一場數百年來規模為地球兩倍的巨大風暴。木星只是整個行星範圍內的強風和厚雲系統的一部分，這些強風和厚厚的雲層籠罩著木星，幾乎持續不斷地運動。

儘管這些風暴可以從遠處看到，但它們下面的情況仍然未知。木星的雲層非常密集，以至於美國宇航局的伽利略號航天器在 2003 年墜入木星大氣層時與地球失去了聯繫。如今，美國宇航局的朱諾號任務從軌道上勘測木星，從安全距離收集數據。

在軌道上，科學家可以識別高層大氣中的化學物質，包括氨、甲烷、硫氫化銨、水和一氧化碳。研究人員將這些測量結果與已知的化學反應相結合，以推斷雲層下方可能發生的情況。

然而，過去的研究產生了相互矛盾的結果，特別是在估計木星有多少水和氧氣時。楊承認，新的建模技術可以幫助解決這些差異。

模擬木星大氣層的新方法

木星的大氣層是一個化學迷宮。分子在地球深處的高溫和上方的涼爽區域之間移動，在不同的狀態之間移動，並通過數千個反應重新排列自身。此外，雲和水滴會形成、溶解並與環境相互作用。

為了捕捉所有這些複雜性，楊和同事將大氣化學和流體動力學結合到一個模型中。這種方法允許模擬跟踪化學反應以及氣體、雲和液滴的運動。

“兩者都需要，”楊說。 “化學很重要，但它不包括水滴或云的行為。單獨的流體動力學過度簡化了化學。所以將它們結合在一起很重要。”

這種組合方法以前從未如此詳細地完成過，它帶來了一些重要的見解。

氧氣、水和地球的起源

該模型對木星的氧含量進行了新的估計，再次表明該值約為太陽的一倍半。這與一項備受矚目的研究形成鮮明對比，該研究表明木星只有三分之一富含氧氣。

確定這個數字很重要，因為氧氣在行星形成中起著重要作用。構成行星和生物的元素是在太陽中創造的，但它們的比例因世界而異。這些差異為了解行星如何形成以及它們來自何處提供了線索。

一個懸而未決的問題是木星是否在今天的軌道上形成，或者是否隨著時間的推移而遷移。地球上的大部分氧氣被鎖在水中，並且根據溫度的不同，它的表現也有很大不同。離太陽越遠，水就會變成冰，對於生長中的行星來說，冰比水蒸氣更容易聚集。

了解這些條件不僅可以解釋木星的過去。它還可以幫助科學家預測其他恆星周圍可能形成什麼類型​​的行星以及哪些行星可能孕育生命。

更緩慢、更神秘的氣氛

根據該模型，木星大氣層的循環速度比科學家想像的要慢。與標准假設相比，氣體的垂直運動似乎顯著減少。

“我們的模型表明擴散速度應該比標准假設慢 35 到 40 倍，”Yang 說。單個分子可能需要幾週的時間才能穿過大氣層，而不是幾個小時。

楊說：“這確實表明我們需要了解多少行星，即使是在我們自己的太陽系中。”

資助：美國宇航局、加州理工學院噴氣推進實驗室。