木星大气层深处是什么样的？人类怎样才能探测到？

美国国家航空航天局的哈勃空间望远镜以及夏威夷双子座地面望远镜联合朱诺太空飞行器一起探测太阳系最猛烈的风暴，这些风暴发生在5亿多英里外的巨大行星木星上。

由迈克尔· 王带领的加利福尼亚大学伯克利分校研究团队包括了来自马里兰州绿带城美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的艾米·西蒙和同样来自伯克利的伊姆克·德帕特。他们将哈勃和双子座在多重波长下的观察发现与朱诺飞行器轨道上的木星近景图结合起来，以深入了解这颗遥远星球上波云诡谲的天气。

王说：“我们想要了解木星的大气层是如何运作的。”而这正是朱诺、哈勃和双子座的联合协作发挥作用的地方。

无线“灯光秀”相比于地球的风暴，木星的连续风暴更为庞大，其伴随着从地面到天空40英里高的雷暴（地球常规雷暴的5倍）和拥有地球最大“超级闪电”三倍多能量的强大闪电。

正如地球上的闪电,木星的闪电束也像无线发射器一样，在划破天空的同时发送出无线电波以及可见光。

每53天，朱诺飞行器就会在在风暴团上方低飞，和它赛跑，来侦察被称做“天电”和“吹哨人”的无线信号。被捕捉到的无线信号甚至可以接着被用于在木星白天的一面和闪电无法被看到的深云团上绘制闪电。

每在同一路线时，哈勃和双子座两两远望，拍摄作为解释朱诺飞行器近距离观察发现关键的木星高分辨率全球视图。西蒙解释道：“朱诺飞行器的微波辐射仪器通过侦测可以穿透深厚云层的高频无线电波来深入探索木星的大气层。而哈勃和双子座的数据可以告诉我们那些云层有多厚以及我们有多深入观察那些云层。”

通过将朱诺飞行器探测到的闪电映射到由哈勃拍摄的木星光学图像和双子座同时拍到的红外热成像图上，研究团队已经能够证明闪电的爆发和云团结构的三种组合有关：由水构成的深云团，湿润气流上升引起的大型对流云塔（本质上是木星雷暴云），以及可能是由对流云塔外干燥气流的下沉而形成的晴朗云区。

哈勃望远镜的数据显示了对流云塔中密集云团的高度以及深水云团的深度。双子座望远镜的数据则清晰展现了高云层中的空白区，而深水云团很有可能在那里被看到。

王认为在一种被称作褶皱纤维状云区的湍流区中，闪电是很常见的，这表明湿对流正在其中发生。他说道：“这些气旋性涡旋可能是内部能量烟囱，来从对流中帮助释放内在能量。这样的情况并不普遍，但是这样的气旋似乎是在促成对流的形成。”

将闪电和深水云关联起来的能力也为研究人员提供了另一个估算木星大气层含水量的方法，这对于理解木星以及其他气体巨星和冰巨星是如何形成的，还有太阳系作为一个整体是如何因此形成的十分重要。

虽然之前的太空任务已经收集了一些关于木星的资料，但很多细节仍然成谜，包括深层大气层含有多少水，热气到底是如何从内部流出的，以及是什么导致了云层的某些颜色和图案。 这些问题的整合答案能够帮助人们深入了解大气动力学和大气层的三维空间结构。

“鬼火”大红斑

随着哈勃和双子座在朱诺任务中对木星进行更为频繁的观察，科学家们也因此能够研究一些像大红斑的短期变化和出现短暂图案等的现象。

此次朱诺飞行器拍摄的以及之前木星任务中的揭示了大红斑中深色图案的出现，消失以及变化。单看一组并不能明确知道这些现象是否是由高云层中的一些神秘黑色物质导致的，又或者它们其实是高层云团中的一些洞，就像是通往下面更深、更暗云团的窗户。

而现在，通过对比哈勃和双子座在数小时之内拍摄到的可见光学图像和红外热成像图，再来回答这些问题是可能的。可见光下的深色区域在红外线下非常亮眼，这表明他们实际上就是云层中的洞。在无云区域，木星内部以红外光线的形式释放的热量得以自由遁入太空(不然就会被高层云团挡住)，从而在双子座的中显得明亮。

“就像是一簇鬼火，”王说到：“你在没有云的地方看它是明亮的红外光线，但当云密布时，它在红外线下又是深色的。”

图源：美国国家航空航天局，欧洲航天局，迈克尔·王及其团队

上图关于木星大红斑的是由哈勃太空望远镜和双子座望远镜在2018年4月1日收集的数据制作的。通过将两个不同的望远镜在几乎同一时间拍摄的图像整合起来，天文学家们得以确认大红斑上的黑色图案是云层中的洞，而不是一堆暗物质。

左上（广角）和左下（特写）：哈勃拍摄到在木星大气层的云层中反射的阳光（可见光波长）显示了大红斑中的深色图案。

右上：由双子座在同一区域拍摄的红外热成像图显示了热量是以红外能量的形式释放的。堆叠的冷云层在上显示为深色部分，但云团中的空隙使得明亮的红外射线得以从暖流层中释放。

下中：哈勃拍摄的紫外线图显示了从大红斑上雾霾层散射回来的阳光。大红斑能够在可见光下被看到是因为这些霾吸收了蓝色光波。哈勃的数据显示即使在较短的紫外光波下，这些霾仍在持续吸收。

下右: 在哈勃和双子座数据合成的多重波长图中，可见光是蓝色的，热红外线是红色的。将这些发现结合起来可以看出在红外线下明亮的区域是云层中的空隙，或是有较少阻挡内部热量云团的地方。

哈勃和双子座的发现是为了给朱诺飞行器的第12次飞掠（近木点 12）提供宽广的视角。

木星气象追踪者：哈勃望远镜和双子座望远镜

哈勃和双子座在支持朱诺任务中进行的木星定期拍摄证明了它在很多其他天气现象研究中的价值，如风的模式变化，大气波的特征以及大气中各种气流的流通。

哈勃和双子座能够将木星作为一个整体来进行监测，并实时为朱诺的测量任务提供多种波长地图参考，正如地球的气候观测卫星为美国国家海洋和大气管理局的飓风追踪器提供信息那样。

“因为我们现在定期有来自不同观测器和波长下的高分辨率图像，我们更够学到比木星天气更多的东西，”西蒙解释道：“这就相当于是一个气象卫星，我们也终于可以观察气象周期了。”

由于哈勃和双子座望远镜的观测对于解读朱诺获得的数据至关重要，王和他的同事西蒙、德帕特正努力让其他研究团队能够更轻松地通过位于马里兰，巴尔的摩太空望远镜科学研究所的米库尔斯基太空望远镜档案馆来获取所有处理过的数据。

“重要的是我们成功收集了支持朱诺任务的庞大数据集。数据集的应用方法有太多了，以至于有一些我们甚至都不知道的。因此，我们要让别人也能够做这项研究，并且不用费劲心思地去想如何处理数据。”

美国宇航局的哈勃太空望远镜和位于夏威夷的双子座地面天文台已经与朱诺宇宙飞船合作，对太阳系中最强大的风暴进行探测，这场风暴发生在超过5亿英里之外的木星上。

由加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)的迈克尔·黄(Michael Wong)领导、包括美国宇航局(NASA)位于马里兰州格林皮带的戈达德太空飞行中心(Goddard Space Air Center)的艾米·西蒙(Amy Simon)和加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的Imke de Pater等人组成的研究团队，正在将哈勃和双子座的多波长观测与朱诺围绕这颗怪物行星的轨道近景结合

“我们想知道木星的大气层是如何工作的，”王说。这就是朱诺、哈勃和双子座的团队合作发挥作用的地方。

收音机‘灯光秀’

木星的持续风暴与地球上的雷暴相比是巨大的，雷锋从底部到顶部达到40英里--比地球上典型的雷锋高五倍--强大的闪电比地球上最大的“超级闪电”更有三倍的能量。

就像地球上的闪电一样，木星的闪电就像无线电发射器一样，在天空中闪烁时发出无线电波和可见光。

每隔53天，朱诺就会跑到风暴系统上空，探测被称为“闪电”和“哨声”的无线电信号，这些信号甚至可以用来绘制闪电的地图，即使是在地球的白天，也可以从看不到闪光的深云上。

哈勃望远镜和双子座从远处观察地球，捕捉到高分辨率的全球视野，这是解释朱诺近距离观测的关键。西蒙解释说：“朱诺的微波辐射计通过探测能穿透厚厚的云层的高频无线电波深入地球大气层。哈勃和双子座的数据可以告诉我们云层有多厚，我们看到的云层有多深。”

通过将朱诺探测到的闪电映射到哈勃(Hubble)拍摄的地球光学图像和双子座同时拍摄的热红外图像上，该研究小组已经能够证明，闪电爆发与三种云结构的组合有关：由水组成的深云、由潮湿空气(基本上是木星雷头)上升流引起的大型对流塔--以及可能是由对流塔外的干燥空气下涌造成的清晰区域。

哈勃的数据显示了对流塔中厚云的高度，以及深水云层的深度。双子座的数据清楚地揭示了高层云层中的空隙，在那里可以窥见深水云。

王认为闪电在一种叫做折叠丝状区域的湍流区很常见，这意味着它们中正在发生潮湿的对流。“这些气旋涡旋可能是内部能量烟囱，有助于通过对流释放内部能量，”他说。“这并不是到处都会发生的，但这些气旋的某些东西似乎会促进对流。”

将闪电和深水云联系起来的能力也为研究人员提供了另一种工具来估算木星大气中的水量，这对于了解木星和其他气体和冰巨星是如何形成的，以及太阳系作为一个整体是如何形成的非常重要。

虽然从以前的太空任务中收集到了很多关于木星的信息，但许多细节--包括大气深处有多少水，热量是如何从内部流动，以及云层中的某些颜色和图案是什么--仍然是一个谜。综合结果提供了对大气动力学和三维结构的洞察。

看到“杰克-O-灯笼”红斑

随着哈勃和双子座在朱诺任务期间更频繁地观测木星，科学家们也能够研究像“大红斑”那样的短期变化和短期特征。

来自朱诺的照片以及之前对木星的任务揭示了大红斑内部的黑暗特征，这些特征会随着时间的推移而出现、消失和改变形状。从个别图像中还不清楚这些是由高云层中的一些神秘的深色物质造成的，还是它们是在高云中的洞--窗户进入了更深、更暗的层。

现在，通过将哈勃的可见光图像与双子座在几小时内拍摄的热红外图像进行比较，有可能回答这个问题。可见光暗的区域在红外下是非常明亮的，这表明它们实际上是云层中的洞。在无云区域，木星内部以红外光的形式发射出来的热量--或者被高层云团阻挡--可以自由地逃往太空，因此在双子座图像中显得明亮。

“这有点像一盏千斤顶的灯笼，”黄说。“你可以看到明亮的红外光来自无云区域，但在有云的地方，红外线中的光线确实很暗。”

哈勃和双子座作为木星天气追踪器

哈勃和双子座定期对木星进行成像以支持朱诺号任务，这在研究许多其他天气现象，包括风型的变化、大气波动特征和大气中各种气体的循环方面也是有价值的。

哈勃和双子座可以作为一个整体监测地球，为朱诺的测量提供多波长的实时基准图，就像地球观测气象卫星为NOAA的高速飞行的飓风猎人提供背景一样。

西蒙解释说：“因为我们现在经常从几个不同的观测站和波长上看到这些高分辨率的景象，所以我们对木星的天气有了更多的了解。”“这相当于一颗气象卫星。我们终于可以开始观察天气周期了。”

由于哈勃和双子座的观测对于解释朱诺数据非常重要，王和他的同事西蒙和德佩特正在让其他研究人员通过马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的Mikulski太空望远镜档案馆方便地获取所有处理过的数据。

“重要的是，我们已经收集了支持朱诺号任务的庞大数据集。数据集的应用如此之多，我们甚至可能都没有预料到。因此，我们将让其他人能够进行科学研究，而无需自己想出如何处理这些数据。

美国国家航空航天局的哈勃空间望远镜以及夏威夷双子座地面望远镜联合朱诺太空飞行器一起探测太阳系最猛烈的风暴，这些风暴发生在5亿多英里外的巨大行星木星上。

由迈克尔· 王带领的加利福尼亚大学伯克利分校研究团队包括了来自马里兰州绿带城美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的艾米·西蒙和同样来自伯克利的伊姆克·德帕特。他们将哈勃和双子座在多重波长下的观察发现与朱诺飞行器轨道上的木星近景图结合起来，以深入了解这颗遥远星球上波云诡谲的天气。

无线“灯光秀”

相比于地球的风暴，木星的连续风暴更为庞大，其伴随着从地面到天空40英里高的雷暴（地球常规雷暴的5倍）和拥有地球最大“超级闪电”三倍多能量的强大闪电。

正如地球上的闪电,木星的闪电束也像无线发射器一样，在划破天空的同时发送出无线电波以及可见光。

朱诺飞行器就会在在风暴团上方低飞，和它赛跑，来侦察被称做“天电”和“吹哨人”的无线信号。被捕捉到的无线信号甚至可以接着被用于在木星白天的一面和闪电无法被看到的深云团上绘制闪电。

每在同一路线时，哈勃和双子座两两远望，拍摄作为解释朱诺飞行器近距离观察发现关键的木星高分辨率全球视图。西蒙解释道：“朱诺飞行器的微波辐射仪器通过侦测可以穿透深厚云层的高频无线电波来深入探索木星的大气层。而哈勃和双子座的数据可以告诉我们那些云层有多厚以及我们有多深入观察那些云层。”

通过将朱诺飞行器探测到的闪电映射到由哈勃拍摄的木星光学图像和双子座同时拍到的红外热成像图上，研究团队已经能够证明闪电的爆发和云团结构的三种组合有关：由水构成的深云团，湿润气流上升引起的大型对流云塔（本质上是木星雷暴云），以及可能是由对流云塔外干燥气流的下沉而形成的晴朗云区。

哈勃望远镜的数据显示了对流云塔中密集云团的高度以及深水云团的深度。双子座望远镜的数据则清晰展现了高云层中的空白区，而深水云团很有可能在那里被看到。

在一种被称作褶皱纤维状云区的湍流区中，闪电是很常见的，这表明湿对流正在其中发生。他说道：“这些气旋性涡旋可能是内部能量烟囱，来从对流中帮助释放内在能量。这样的情况并不普遍，但是这样的气旋似乎是在促成对流的形成。”

将闪电和深水云关联起来的能力也为研究人员提供了另一个估算木星大气层含水量的方法，这对于理解木星以及其他气体巨星和冰巨星是如何形成的，还有太阳系作为一个整体是如何因此形成的十分重要。

虽然之前的太空任务已经收集了一些关于木星的资料，但很多细节仍然成谜，包括深层大气层含有多少水，热气到底是如何从内部流出的，以及是什么导致了云层的某些颜色和图案。 这些问题的整合答案能够帮助人们深入了解大气动力学和大气层的三维空间结构。

“鬼火”大红斑

随着哈勃和双子座在朱诺任务中对木星进行更为频繁的观察，科学家们也因此能够研究一些像大红斑的短期变化和出现短暂图案等的现象。

此次朱诺飞行器拍摄的以及之前木星任务中的揭示了大红斑中深色图案的出现，消失以及变化。单看一组并不能明确知道这些现象是否是由高云层中的一些神秘黑色物质导致的，又或者它们其实是高层云团中的一些洞，就像是通往下面更深、更暗云团的窗户。

而现在，通过对比哈勃和双子座在数小时之内拍摄到的可见光学图像和红外热成像图，再来回答这些问题是可能的。可见光下的深色区域在红外线下非常亮眼，这表明他们实际上就是云层中的洞。在无云区域，木星内部以红外光线的形式释放的热量得以自由遁入太空(不然就会被高层云团挡住)，从而在双子座的中显得明亮。

“就像是一簇鬼火，”王说到：“你在没有云的地方看它是明亮的红外光线，但当云密布时，它在红外线下又是深色的。”

图源：美国国家航空航天局，欧洲航天局，迈克尔·王及其团队

上图关于木星大红斑的是由哈勃太空望远镜和双子座望远镜在2018年4月1日收集的数据制作的。通过将两个不同的望远镜在几乎同一时间拍摄的图像整合起来，天文学家们得以确认大红斑上的黑色图案是云层中的洞，而不是一堆暗物质。

左上（广角）和左下（特写）：哈勃拍摄到在木星大气层的云层中反射的阳光（可见光波长）显示了大红斑中的深色图案。

右上：由双子座在同一区域拍摄的红外热成像图显示了热量是以红外能量的形式释放的。堆叠的冷云层在上显示为深色部分，但云团中的空隙使得明亮的红外射线得以从暖流层中释放。

下中：哈勃拍摄的紫外线图显示了从大红斑上雾霾层散射回来的阳光。大红斑能够在可见光下被看到是因为这些霾吸收了蓝色光波。哈勃的数据显示即使在较短的紫外光波下，这些霾仍在持续吸收。

下右: 在哈勃和双子座数据合成的多重波长图中，可见光是蓝色的，热红外线是红色的。将这些发现结合起来可以看出在红外线下明亮的区域是云层中的空隙，或是有较少阻挡内部热量云团的地方。

哈勃和双子座的发现是为了给朱诺飞行器的第12次飞掠（近木点 12）提供宽广的视角。

木星气象追踪者：哈勃望远镜和双子座望远镜

哈勃和双子座在支持朱诺任务中进行的木星定期拍摄证明了它在很多其他天气现象研究中的价值，如风的模式变化，大气波的特征以及大气中各种气流的流通。

哈勃和双子座能够将木星作为一个整体来进行监测，并实时为朱诺的测量任务提供多种波长地图参考，正如地球的气候观测卫星为美国国家海洋和大气管理局的飓风追踪器提供信息那样。

“因为我们现在定期有来自不同观测器和波长下的高分辨率图像，我们更够学到比木星天气更多的东西，”西蒙解释道：“这就相当于是一个气象卫星，我们也终于可以观察气象周期了。”

由于哈勃和双子座望远镜的观测对于解读朱诺获得的数据至关重要，王和他的同事西蒙、德帕特正努力让其他研究团队能够更轻松地通过位于马里兰，巴尔的摩太空望远镜科学研究所的米库尔斯基太空望远镜档案馆来获取所有处理过的数据。