木星天气系统的动力学分析

2017-06-26 18:56阅读：

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木星——太阳系自内而外第五颗行星，巨大的气态行星，直径大约14万公里（地球1万2左右），有着平行于赤道的棕红色和白色条纹，红色或白色的斑点，这些条纹是木星上的盛行风带，由木星自转产生，斑点是巨大的气旋（即风暴），条纹交界处还有大量湍流和扰动，揭示了木星有复杂而激烈的天气系统。（图1）

木星天气系统的动力学分析

图1

我一直好奇，木星上的红棕色和白色云带、红棕色和白色斑点分别是什么物质怎样形成的，木星云层下面是什么样子的，结合NASA的朱诺木星探测器传回的高清照片揭示的惊人细节和以前旅行者号传回的化学成分等信息，我们终于可以分析出比较靠谱的答案了。

分析木星天气系统之前，首先需对木星主要化学成分和物理特征进行一些说明。木星主要由氢和氦组成，其液态氢海洋的上面（海洋只是比喻说法，木星并没有陆地）是厚达数千公里的大气，大气主要成分是82%的氢气、17%的氦气（体积比），和其他加起来占1%左右的氨、硫化物、磷化物、甲烷等，水蒸气的含量微乎其微。科学家发现，木星自身放射出能量比其从太阳处获得能量高2.5到3倍，意味着木星有自己的能源。由于木星体积和质量并没有大到足以启动中心核聚变反应，据推测，木星自产的能量来自于行星收缩（开尔文-赫尔姆霍兹原理，大质量天

体在自身重力下收缩，势能转变成热能。就像我们用打气筒压缩气体时会发热那样）。正因为木星有自身的热源，才使其大气中有比地球上剧烈得多的气旋活动。我们知道，地球上的热带风暴、台风，都是以海洋吸收的太阳热量为能源的，因此登陆以后会迅速减弱。（水的比热容远比岩石大，是良好的储热材料）而在木星上，木星自身发热，因此木星上的气旋风暴能够获得更加充分和持久的能量，其烈度也更大得多。

有了这些基础知识以后，终于可以分析木星天气系统——它那迷人的条纹和斑点是怎样形成的了。（大图细节非常明显，用电脑观看比手机效果更佳）

木星天气系统的动力学分析

图2

图2是朱诺探测器拍摄的照片，从图中可以看出，红棕色的云层位于木星大气最顶层（左图和右图的a）。而比红棕色云层略低（实际也要低几百公里）的是白色云层（左图b和右图的b1、b2）。其中，左图左上角的白斑正是顶层红棕色云层的一个“破洞”处露出的中层白色云层。（该“破洞”应该是一个下沉的气旋，因为含红磷和磷化物的顶层云层在此处如同水槽的泄水口那样打着转剧烈下沉，于是其下方的白色云层就露了出来）深蓝色的底层只有在顶层和中层云层没有覆盖到的缝隙处才能见到，应该是木星的液态表面，即液态氢组成的“海洋”。

根据探测器对木星大红斑的探测，其红棕色似乎来自于红磷和磷化物，因此我们有理由推测，木星顶层云层之所以呈现红色是因为含有红磷和磷化物的结果。木星中层云层应主要为液态或固态氨的结晶组成，我们姑且称其为氨云好了。从图2的b2部分可以看出，该部分像冰面一样反射率很高，也符合含有大量固态氨结晶的推测。剧探测器的实测数据，木星表面温度约-142摄氏度左右，木星云顶大气压略大于一个标准大气压，中层白色云层所在的地方气压应更大，这个温度和压力下氢和氦都是气体，但熔点为-77度的氨却是固体。最后，云层缝隙中露出的深蓝色，推测为木星的液态氢海洋表面。我们看下面的图3就会更加明了。

木星天气系统的动力学分析

图3

图3是朱诺号探测器从木星南极上空拍摄的照片，可以看出在木星高速的自转下，棕红色的顶层云和白色的中层云都被甩到了南极圈外，整个南极都暴露出了下层的深蓝色，像极了地球的海面。我们可以推测这就是木星数千公里大气层底部，在巨大的气压和低温下形成的液态氢“海洋”，它覆盖整个木星，深至数万公里，它再下面就是液态金属氢层（木星幔）和推测为岩石和铁等组成的木星核心。这个液态氢洋面只有在木星两极处大片露出，而在其他地方，由于木星大气中云层太过浓密，只有在云层的缝隙中才能窥见。

关于木星云层为什么会被甩出极区，可以看下面的示意图。

木星天气系统的动力学分析

图4

图4中，水平椭圆表示随着木星自转而旋转的一圈大气，红色箭头表示旋转方向。蓝色虚线表示木星引力，绿色为引力的两个分力，水平分力提供向心力，使大气不被甩出去，垂直分力使大气向赤道方向运动。木星是8大行星中自转速度最快的，9个多小时就转一圈，加之巨大的半径，使其向心力不足，于是云层被从极区甩出去向赤道方向靠拢。

那么为什么含有红磷和磷化物的红棕色云层会出现在木星大气最顶层，而氨云出现在较低的高度呢？按理说，红磷和磷化物的分子量最大，氨分子量仅为17，如果木星大气完全静止的话，应该是红磷和磷化物在最下层才对。然而，不要忘记木星因为有自身的热源加热且木星自传飞快，因此木星大气实际存在激烈的垂直和水平方向的对流。此外，白色云层的色彩和反射来自于氨的固态结晶小颗粒而非单个的氨气分子，其重量与结晶颗粒大小有关。这些氨气的“冰晶”漂浮在木星大气中，就形成了中层的白色云层。而棕红色云层根据探测器数据推测为红磷粉末被剧烈的上升气流带到木星上层大气的结果。因为这些红磷粉末颗粒远比氨“冰晶”小，因此能被上升气流带到更高的高度，形成木星棕红色的云顶。
最后，来分析一下木星大气的垂直对流，以及云层中氨“冰晶”和红磷粉末的来源及其循环过程。
木星自身发热，来自于氢、氦、内核的岩石等物质在自身巨大重力下向中心挤压收缩的放热，这股热量在液态金属氢木星幔深处和木星核处产生，沿着导热良好的液态金属氢以传到或对流（或二者皆有）的方式向木星液态氢“海洋”的“海底”传播，液态氢受热上升到“洋面”，形成外观如沸腾的热水一样的液态氢“热液喷泉”。如图5

木星天气系统的动力学分析

图5
图5是木星南极照片，如上所述，这里可以直接看到木星的液态氢“洋面”，图中红圈标出了一些液态氢热液喷泉，我们可以把它们想象成热水沸腾向上凸起的沸腾点。（只不过这些沸腾的是液态氢，温度其实很低）这些沸腾点从朱诺探测器传回的照片来看，可能动辄有数十、几百公里直径。从这些沸腾点处蒸发出大量“较热”的氢气（只是与周围相比较热），形成强大的上升气流，带着氨气、红磷粉尘上升，氨气在上升到中层大气时预冷凝结成大量固体结晶，即白色的中层氨云，而红磷粉末由于更加轻，一直被上升气流带到高层大气。氨“冰晶”碰撞凝结，较大的像地球的雪籽、冰雹一样掉落到液态氢“海洋”中，待到它们随着“洋流”流动到热液喷泉处，重新气化，再次被上升气流带上中层大气凝结，完成循环。高层大气冷却后下沉，在一些地区形成巨大的下沉涡旋，带着红磷粉末回到下层大气或“洋面”，并露出中层白色大气，形成白斑（如图2左图的左上角）。随下沉气流落下的红磷同样会在遇到热液喷泉时再次被带上高层大气。而木星上的红斑则是强大的上升气旋的顶部，它正下方的“洋面”应该存在一个热液喷泉口为其提供上升动力。持续了300多年的木星大红斑下方的液态氢“洋面”上应该存在一个规模巨大的热液喷泉口。当然，并不是所有热液喷泉口都这么长寿，它们会扩大、缩小，甚至会消失，别处也会形成新的热液喷泉口。事实上，根据探测器和地面测量，木星大红斑在过去数百年间似乎已经在缩小了。
至于木星中红磷的来历，数据较少，只能推测来自于木星内核的磷酸盐。木星中心有一个十倍于地球质量的岩石和金属的核心，其中的岩石很可能还有磷酸盐。地球上难以模拟在如此巨大压力的液态金属氢的浸泡和高温下磷酸盐会发生什么变化，但剧科学家计算，氧化镁在这种环境下会被溶解到液态金属氢中，也就是说木星的岩石核可能在不停被溶解。在高温高压中溶解在液态金属氢中的磷酸盐可能变化为红磷，并随着液态金属氢的热对流被带到液态氢“海洋”底部，再被液态氢海洋的热对流带到“洋面”的热液喷泉口，最后被上升气流带到高层大气。

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