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40年研究发现木星温度的神秘模式

2016年,欧洲南方天文台的超大望远镜获得了这些添加了颜色的木星红外图像,并为这项新研究做出了贡献。颜色代表温度和云量:较暗的区域是寒冷多云的,较亮的区域是温暖无云的。

这项工作部分基于美国国家航空航天局几代任务的数据,包括美国国家航空宇航局的旅行者号和卡西尼号,可以帮助科学家确定如何预测木星上的天气。

科学家们完成了有史以来最长的追踪木星对流层上层温度的研究,这是这颗巨大行星天气发生的大气层,也是其标志性的彩色条纹云形成的地方。这项工作通过将美国国家航空航天局航天器和地面望远镜观测的数据拼接在一起,进行了40多年,发现了木星带和区域温度随时间变化的意外模式。这项研究是朝着更好地了解太阳系最大行星的天气驱动因素并最终能够预测天气迈出的重要一步。

木星的对流层与地球有很多共同点:它是云层形成和风暴翻腾的地方。为了了解这种天气活动,科学家需要研究某些特性,包括风、压力、湿度和温度。自20世纪70年代美国国家航空航天局的先锋10号和11号任务以来,他们就知道,通常情况下,较冷的温度与木星较亮和较白的带(称为带)有关,而较暗的棕红色带(也称为带)是温度较高的地方。

但没有足够的数据集来了解温度在长期内是如何变化的。这项新研究于12月19日发表在《自然天文学》杂志上,通过研究从大气层较温暖区域升起的明亮红外光(人眼看不见)的图像,直接测量木星在彩云上方的温度,开创了这项研究的先河。科学家们在木星绕太阳的三个轨道上定期收集这些图像,每个轨道持续12个地球年。

在这个过程中,他们发现木星的温度在特定的周期内上升和下降,而这些周期与科学家所知道的季节或任何其他周期无关。由于木星的季节性较弱——与地球轻快的23.5度相比,木星的轴线只倾斜了3度——科学家们没想到木星上的温度会以如此规律的周期变化。

这项研究还揭示了相距数千英里的地区的温度变化之间的神秘联系:当北半球特定纬度的温度上升时,南半球相同纬度的温度下降——就像赤道上的镜像一样。

“这是最令人惊讶的,”美国国家航空航天局喷气推进实验室的高级研究科学家、该研究的主要作者格伦•奥顿说。“我们发现了遥远纬度地区的温度变化之间的联系。这类似于我们在地球上看到的一种现象,一个地区的天气和气候模式可能会对其他地方的天气产生显著影响,而变化模式似乎在大气层中的远距离‘遥相关’。”

下一个挑战是找出这些周期性和看似同步的变化的原因。

英国莱斯特大学的合著者Leigh Fletcher说:“我们现在已经解开了谜题的一部分,那就是大气层显示出这些自然循环。”。“为了了解是什么驱动了这些模式,以及为什么它们会在这些特定的时间尺度上发生,我们需要探索云层的上方和下方。”

一种可能的解释在赤道变得显而易见:研究作者发现,平流层更高的温度变化似乎以与对流层温度行为相反的模式上升和下降,这表明平流层的变化影响对流层的变化,反之亦然。

数十年的观测

奥尔顿和他的同事于1978年开始了这项研究。在研究期间,他们每年都会写几次提案,以争取世界各地三台大型望远镜的观测时间:智利的超大望远镜、美国国家航空航天局的红外望远镜设施和夏威夷毛纳卡天文台的斯巴鲁望远镜。

在这项研究的头二十年里,奥尔顿和他的队友们轮流前往这些天文台,收集有关温度的信息,最终使他们能够将这些点联系起来。(到21世纪初,望远镜的一些工作可以远程完成。)

然后是困难的部分——结合几台望远镜和科学仪器多年的观测结果来寻找模式。与这些资深科学家一起进行长期研究的还有几名本科生实习生,他们在研究开始时都没有出生。他们是加州帕萨迪纳加州理工学院的学生;加州波莫纳的加州保利波莫纳;俄亥俄州哥伦布市的俄亥俄州立大学;以及马萨诸塞州韦尔斯利的韦尔斯利学院。

科学家们希望这项研究将有助于他们最终预测木星上的天气,因为他们对木星有了更详细的了解。这项研究可能有助于气候建模,通过计算机模拟温度循环及其对天气的影响——不仅对木星,对太阳系内外的所有巨型行星都是如此。

弗莱彻说:“如果我们能将木星大气层中的因果关系联系起来,那么测量这些温度随时间的变化和周期是最终获得完整的木星天气预报的一步。”。“更大的问题是,我们是否有一天能将其推广到其他巨型行星,看看是否会出现类似的模式。”


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