本文参加百家号#科学了不起#天文航天系列征文赛。
几个世纪以来，天文学家们一直都在观察木星的涡流表面，他们对其外观充满敬畏又感到神秘。当年伽利略号太空船抵达木星，开始深入研究它的大气时，这种神秘感变得更加深厚。从那时起天文学家们开始对它的彩色环系感觉到困惑，并且想要知道它们到底是表面的现象还是有其更深刻原因。
多亏了从年七月开始环绕土星飞行的朱诺号太空船，让科学家们对这个问题的答案更加接近了。基于朱诺号探测数据的三篇研究发表了出来，它们介绍了有关木星磁场、内部旋转以及它的环带到底延伸至多深的问题。这些发现修正了科学家们对木星的大气和内层的想法。
图解：木星大气层的垂直构造。注意压力随高度下降而增加。公里是伽利略的大气探测器最深入木星大气层内的深度。
这这些研究的题目分别是“木星非对称重力场的研究”、“木星大气层可以延伸至数千米的喷流”和“木星深内部较差自转的抑制”，所有的这些都被发表在年3月7日的《自然》杂志上。这三项研究分别由由罗马萨皮恩扎大学的卢西亚诺·艾斯（LucianoIess）教授领导，维兹曼科学研究所的尤海·卡斯皮（YohaiKaspi）教授和埃利·加兰蒂（EliGalanti）博士，以及里维埃拉天文台的特里斯坦·古洛特（TristanGuillot）教授主持。
图解:木星的南极，朱诺号拍摄于年第16次探测过程中拍摄。图片来源：美国宇航局/喷气推进实验室/美国西南研究院/静态载人航天模拟器/大卫.马里奥特
该研究工作由卡斯皮(Kaspi)教授和加兰蒂(Galanti)博士领导，他们除了是第二项研究的主要作者之外，还是其他两项研究的共同作者。两人甚至在年朱诺号（Juno）发射升空之前就一直在为这一分析做准备，在此期间，他们建立了数学工具来分析引力场数据，并更好地掌握了木星的大气及其动力学。
这三项研究都是基于朱诺号收集的数据，他每隔53天就会从木星两极的一端，这种运动被称作“近木点”。每次通过时，探测器都会使用其先进的仪器套件观察大气层以下。此外，它还测量了探测器发射的无线电波，以确定它们如何随每个轨道的地球引力场改变的。
正如天文学家们很早就已经了解的那样，木星环系中的的射流是自西向东再自东向西的。在这过程中，射流扰乱了行星上面质量的平均分布。通过测量行星的引力场变化（并且因此它的质量失衡），卡斯皮教授和加兰蒂教授的分析工具可以计算暴风再星球表面下方的延伸的深度和它内部的动力学原理究竟是怎样的。
综上，卡斯皮教授团队希望找到一些异常现象，木星的形状偏离标准球体——这是由于非常快速的旋转速度对其造成轻微挤压造成的。并且他们也期待找到其他的异常现象，它可以被解释为：由于在气体环境中强风的存在导致的形状改变。
这个图片是朱诺号上面的朱诺相机拍摄的可见光谱成像的南极。至于为什么木星具有如此相似的南北极，但是他们确有着不同数量的旋风。
图片来源：美国宇航局/喷气推进实验室/美国西南研究院/贝齐阿舍大厅/格瓦西奥·罗伯斯
在第一项研究中艾斯教授和他的同事们使用朱诺号飞船上的精确多普勒追踪技术对木星的引力谐波（包括奇次谐波和偶次谐波）进行了测量。他们确定木星的磁场具有南北极不对称的现象，这表明了了大气内部是流动的。
在第二项研究中，对这种不对称进行了分析。卡斯皮博士和他的同事们利用引力场的变化去计算木星的东西喷射流的深度。通过测量这些射流是如何导致木星引力场不平衡，甚至破坏行星的质量，他们推断出那些射流延伸至公里（英里）深度。
图解：理想化的木星云带图解；并且被标示上正式的缩写，较亮的区标示在右侧，较暗的带标示在左侧。大红斑和BA长圆形分别显示在南热带区和南温带带。
通过以上的这些，古洛特博士和他的同事们进行了第三项研究，他们利用了之前的那些关于木星的引力场和喷射流并且比较了木星内部模型的模拟结果。据此他们确定木星内部几乎是像刚体一样旋转的，并且这种差速旋转向下减弱。
除此之外他们发现大气层的流动区域大约在公里（英里）到公里（英里）的深度内，这与奇次引力谐波中的约束相符。这个深度也和电导率会变得很大以至于磁阻抑制差速旋转这一现象相一致。
图解：在年6月，短暂遭遇的长圆形BA（底部）、大红斑（顶端）和红斑宝宝（中间）。
基于他们的这些发现，研究团队有计算出木星的大气占其总质量的1%。作为对比，地球的大气只占不到其质量的百万分之一。但是正如维兹曼研究所的卡斯皮教授在报道中解释的那样，这还是相当令人惊讶的。
“这超出了所有人的想象并且超出了我们对太阳系中其他行星的原有认识。这是一个质量为地球三倍的行星，但是却以每秒数十米的速度运行着。”
图解：伽利略号在年拍摄到在木星夜晚一侧的闪电。
总而言之，这些研究为人们提供了研究关木星大气动力学和内部结构的新思路。目前木星的内核究竟有什么这一问题尚未解决。但是研究者们希望更进一步的分析朱诺号的测量结果，以此来探究木星是否具有固态的核心，如果事实果然如此的话可以进一步的确定其质量。反过来，这也将会帮助天文学家们更多的了解太阳系的例时和形成。
除此之外，卡斯皮教授和加兰蒂教授希望用与表征木星射流相同方法去解决木星最有标志的特征——木星大红斑。除此之外也可以确定他的风暴到底延伸至多深，他们也希望知道为什么这个风暴持续了这么多世纪，并且为什么它在最近的这几年内有着如此显著的缩小。
相关知识
木星大气层是太阳系内最大的行星大气层，主要由和太阳的比例大致相同的氢分子和氦构成，其他的化学成分，包括甲烷、氨、硫化氢和水只有很少的数量。水被认为存在于大气层的深处，所以被观测到的数值偏低。氧、氮、硫和惰性气体的丰度大约是太阳的三倍。
图解：年航海家1号所见到的广域木星和大红斑。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3.universetoday-飘漂者
如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除
转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处