木星的“星空”,太陽的耀斑,誰是最美封面?

新智元報道

因為馬斯克的星際移民計劃,火星變的令人著迷。但是近日發表在《自然》的一篇文章,讓人們也看到了木星的美麗星空,宇宙中還有哪些令人嚮往的景象?太陽的耀斑也很驚豔!

如《星空》般美麗的景象出現了,不過不是在地球上,而是木星。

跟著美國宇航局的木星探測器「朱諾號」,我們進入了木星的高海拔雷電風暴之旅。

蘑菇「綁架」了氨水,木星上也有閃電

自從1979年NASA的「旅行者號」第一次看到了木星的閃電以來,人們一直認為木星的閃電與地球的閃電很相似。但「朱諾號」卻讓我們看到了一個不太尋常的閃電。

最近發表於《自然》上的一篇研究,研究人員發現了木星上一種意想不到的放電形式——「淺層閃電」。這種淺層閃電來自含有氨-水溶液的雲,而地球上的閃電來自水雲。

眾所周知,木星是一顆氣態巨行星,也就是說,它的表面由大量氣體構成。研究表明,木星上可能會因為猛烈的雷暴而形成富含氨的泥狀冰雹,研究人員稱之為「蘑菇」風暴。他們推測,從本質上來說,「蘑菇」在高層大氣中「綁架」了氨和水,並把它們帶到木星大氣的深處。

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「朱諾號的近距離飛越讓我們看到了一些令人驚訝的東西——更小、更淺的閃光,這裡比之前假設的高度更高。」論文的第一作者海蒂·貝克爾說。

貝克爾和她的團隊認為,木星強大的雷暴將水冰晶拋向了木星大氣層的高空,距離木星水雲超過16英里,在那裡,它們遇到了大氣中的氨蒸汽,融化了冰,形成了新的氨-水溶液。

在如此高的海拔,溫度低於零下126華氏度,這對於純液態水的存在來說太冷了。

貝克爾說:「在這樣的高度,氨就像一種防凍劑,降低了水冰的熔點,從而形成了含有氨-水液體的雲。在這種新的狀態下,落下來的氨-水液滴會與上升的水-冰晶碰撞,從而使雲帶電。這是一個驚喜的發現,因為氨水雲並不存在於地球上。」

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淺層閃電引發了另一個關於木星大氣內部運作的謎團:“朱諾號”的微波輻射計儀器發現,氨已經耗盡——也就是說,缺失了——木星的大部分大氣。更令人費解的是,氨的含量隨著在木星大氣中的移動而變化。

昨天發表在《地球物理研究雜誌:行星》上的第二篇論文設想,2/3的水和1/3的氨氣形成了木星冰雹的前身——「蘑菇」。蘑菇由水-氨融雪層和被較厚的水-冰外殼覆蓋的冰組成,這種形成方式與地球上的冰雹相似——會在大氣層中上下移動時變得越來越大。

「最終,蘑菇長得太大了,上升氣流都阻止不了它們下降。就這樣,它們會落到大氣中更深處,遇到溫度更高的地方,最終完全蒸發掉。」這篇論文的第一作者特里斯坦·吉洛說,「後續氨和水被拖到木星大氣層的深處。這就解釋了為什麼在這些地方,朱諾號的微波輻射計看不到太多。」

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木星上「淺閃電」和「蘑菇」的演變過程

2011年8月5日,九年前的這一天,由太陽能驅動的木星探索者號發射升空。上個月是它到達木星的四週年紀念日。

自從進入這顆氣態巨星的軌道以來,「朱諾號」已經進行了27次飛行,飛行里程超過3億英里。仍是NASA新前沿專案的一部分。

除了木星的美麗星空,太陽耀斑也很壯觀。最近,日本科學家利用新的方法預測到了太陽耀斑的爆發。

太陽耀斑竟是源於「磁重聯」

太空天氣就像是一個猜謎遊戲,尤其像太陽爆發這種無法直接觀測的活動。

太陽爆發的預測通常是基於太陽表面上觀測到的活動量,而沒有考慮到爆炸的具體過程。

最近《科學》雜誌報道了一項新研究,基於太陽耀斑背後的物理學原理就可以預測太陽耀斑。利用歷史資料,該方法成功預測了幾個強大的耀斑。

太陽耀斑和相關的帶電粒子爆發所釋放的輻射是有害的。這種空間天氣可以中斷無線電通訊,破壞衛星,摧毀電網,危及宇航員。所以準確的太空天氣預報也是很有必要的。

目前的預測方法依賴於耀斑相關的現象,比如太陽黑子。

   

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相比之下,這種新的預測方法是基於太陽磁場迴圈自我重組的方式和時間,這一過程被稱為磁重聯,這一過程會爆發出標誌著太陽耀斑的能量。

太陽的表面,磁場會變得非常粗糙不再有規律。磁場線會像義大利麵條一樣互相環繞交叉。當這些線路斷裂並重新連線時,就會釋放出一股能量,從而產生耀斑。

來自日本名古屋大學的物理學家 Kanya Kusano 和他的同事們提出,最大的耀斑是由於兩條弧形的磁力線相互連線,形成了一個 m 形的環。

這種「雙弧不穩定性」導致更多的磁重聯,m 形的迴路膨脹,釋放出能量。

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成功預測大耀斑,不穩定性是關鍵

研究人員利用NASA太陽動力學天文探測器11年來的資料,確定了太陽上具有高磁場活動的區域。

他們首先檢查每個區域是否具備了引發耀斑的雙弧不穩定性,然後預測其能否產生最強耀斑,即 x 級耀斑。這項技術準確地預測了9個耀斑中的7個。

這些成功的預測讓研究人員對耀斑發生的物理過程瞭解更深了。

 

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點a和b處預計會發生大的耀斑。每個圓的半徑等於觸發耀斑的臨界半徑。

「預測是衡量我們對自然的理解程度的一個很好的基準」。

雖然有不成功的例子,但這些預測同樣具有啟發性:即使它失敗了,至少能說明沒有發現的兩個耀斑與太陽表面的等離子體噴射沒有關係。

這種不穩定性可能不是解釋其他耀斑的好方法,相反它們可能來自太陽表面高處的磁重聯,而不是太陽表面附近。

研究人員預測所依據的機制真的很有趣,也很有洞察力。

這種方法無法預測耀斑到底何時會發生,也無法確定是在合適的條件首次發生後一小時還是一天發生,而且也無法確定 比X1耀斑更弱的情況,但是讓人類對太陽耀斑機制的理解更深刻了。

參考連結:

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

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

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