美国国家航空航天局的朱诺号：科学成果首次提供木星大气层的三维视图

木星的带状外观是由云层形成的“天气层”造成的。这张合成图像显示了双子座北望远镜和美国国家航空航天局哈勃太空望远镜分别在红外和可见光中（从左到右）拍摄的木星视图。

这幅插图结合了美国国家航空航天局“朱诺”号宇宙飞船上的JunoCam仪器拍摄的木星图像和地球的合成图像，描绘了木星大红斑的大小和深度。

美国国家航空航天局绕木星运行的朱诺号探测器的新发现更全面地展示了这颗行星独特多彩的大气特征如何为其云层下看不见的过程提供线索。研究结果突出了环绕木星的云层带和区域的内部运作，以及它的极地气旋，甚至大红斑。

研究人员今天在《科学》杂志和《地球物理研究杂志：行星》上发表了几篇关于朱诺号大气发现的论文。其他论文发表在最近两期的《地球物理研究快报》上。

位于华盛顿的美国国家航空航天局行星科学部主任Lori Glaze说：“朱诺号的这些新观测为木星神秘的可观测特征打开了一个新信息宝库。”“每一篇论文都揭示了地球大气过程的不同方面——这是我们的国际多元化科学团队如何加强对太阳系了解的一个极好的例子。”

朱诺号于2016年进入木星轨道。迄今为止，在航天器37次掠过地球的过程中，每一次都有一套专门的仪器在其湍流的云层下窥视。

圣安东尼奥西南研究所朱诺号的首席研究员、《科学》杂志关于木星旋涡深度的论文的主要作者斯科特•博尔顿说：“以前，朱诺号暗示木星大气层中的现象比预期的要深，这让我们感到惊讶。”“现在，我们开始把所有这些单独的部分放在一起，并首次真正了解木星美丽而剧烈的大气层是如何工作的——在3D中。”

朱诺号的微波辐射计（MWR）使任务科学家能够窥视木星云顶下，并探测其众多涡旋风暴的结构。这些风暴中最著名的是被称为大红斑的标志性反气旋。这个比地球还宽的深红色漩涡自从近两个世纪前被发现以来就引起了科学家的兴趣。

新的结果表明，气旋顶部较暖，大气密度较低，而底部较冷，密度较高。反气旋以相反的方向旋转，顶部较冷，底部较暖。

研究结果还表明，这些风暴的高度远高于预期，其中一些风暴在云顶以下延伸60英里（100公里），其他风暴，包括大红斑，延伸超过200英里（350公里）。这一令人惊讶的发现表明，漩涡覆盖了水凝结和云层形成的区域之外，阳光温暖大气层的深度之下。

大红斑的高度和大小意味着研究木星引力场的仪器可能会检测到风暴内大气质量的浓度。朱诺号在木星最著名的地点上空的两次近距离飞越为寻找风暴的引力特征提供了机会，并补充了MWR对其深度的结果。

随着朱诺号以约130000英里/小时（209000公里/小时）的速度在木星云层上空低空飞行，朱诺号的科学家们能够使用美国国家航空航天局的深空网络跟踪天线，从超过4亿英里（6.5亿公里）的距离测量到每秒0.01毫米的速度变化。这使得研究小组能够将大红斑的深度限制在云顶以下约300英里（500公里）。

“在2019年7月的飞越中，获得大红斑引力所需的精度令人震惊，”美国航空航天局南加州喷气推进实验室的朱诺号科学家Marzia Parisi说，她是《科学》杂志上一篇关于大红斑引力飞越的论文的主要作者。“能够补充MWR在深度上的发现，让我们非常有信心，未来在木星进行的引力实验将产生同样有趣的结果。”

皮带和区域

除了气旋和反气旋，木星还以其独特的带和区域而闻名——环绕着木星的白色和红色云带。强烈的东西风向相反的方向移动，将这些带分开。朱诺号之前发现，这些风或急流的深度约为2000英里（约3200公里）。研究人员仍在努力解开喷流如何形成的谜团。朱诺的MWR在多次飞行中收集的数据揭示了一条可能的线索：大气中的氨气与观测到的喷流显著一致地上下移动。

以色列魏茨曼科学研究所的研究生、《科学》杂志关于木星类费雷尔细胞的论文的主要作者Keren Duer说：“通过追踪氨，我们在北半球和南半球都发现了与‘费雷尔细胞’性质相似的循环细胞，它们控制着地球上的大部分气候。”“虽然地球每半球有一个费雷尔细胞，但木星有八个——每个细胞至少大30倍。”

朱诺号的MWR数据还显示，这些带和区域在木星水云下方约40英里（65公里）处发生了转变。在较浅的深度，木星带在微波光中比邻近区域更亮。但在更深的层次，在水云之下，情况恰恰相反——这揭示了我们与海洋的相似之处。

Leigh Fletcher说：“我们称这一层为‘Jovicline’，类似于地球海洋中的一个过渡层，即温跃层——海水从相对温暖急剧转变为相对寒冷。”，来自英国莱斯特大学的朱诺号参与科学家，也是《地球物理研究杂志：突出朱诺号对木星温带和带的微波观测的行星》论文的主要作者。

极地旋风

朱诺号之前在木星两极发现了巨型气旋风暴的多边形排列——八个在北方排列成八边形，五个在南方排列成五角形。现在，五年后，任务科学家利用航天器的木星红外极光测绘仪（JIRAM）的观测结果，确定这些大气现象具有极强的弹性，并保持在同一位置。

罗马国家天体物理研究所的朱诺号联合研究员Alessandro Mura说：“木星的气旋会影响彼此的运动，导致它们在平衡位置附近振荡。”他最近在《地球物理研究快报》上发表了一篇关于木星极地气旋振荡和稳定性的论文。“这些缓慢振荡的行为表明它们有着深刻的根源。”

JIRAM的数据还表明，与地球上的飓风一样，这些气旋希望向极地移动，但位于每个极地中心的气旋会将它们推回。这种平衡解释了气旋的位置以及每个极点的不同数量。

更多关于使命

JPL是加州理工学院位于加利福尼亚州帕萨迪纳的一个部门，负责管理Juno任务。Juno是美国国家航空航天局新前沿计划的一部分，该计划由位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国航空航天局马歇尔太空飞行中心为该机构位于华盛顿的科学任务理事会管理。位于丹佛的洛克希德•马丁航天公司建造并运营了该航天器。