高聳的雲層以戲劇性的圖案在木星表面蕩漾。就像地球上的雲一樣，它們也含有水，但在木星上，它們的密度更大、更深。這些層非常厚，以至於沒有航天器能夠直接觀察下面的東西。
現在，科學家們朝著解開這個謎團邁出了一步。由芝加哥大學和噴氣推進實驗室的研究人員領導的一項新研究產生了有史以來最詳細的木星大氣層模型。這項工作可以讓我們更深入地了解地球的內部，而無需深入到其深處。
這項研究的一項重要發現有助於解決有關木星構成的長期爭論。研究人員估計，這顆氣態巨行星的氧氣含量大約是太陽的一倍半。這些結果加深了科學家對木星和其他太陽系如何存在的理解。它是如何形成的？
“這是行星研究中長期存在的爭論，”該研究的主要作者、芝加哥大學博士後研究員 Jeehyun Yang 說。 “這證明了最新的計算模型如何改變我們對其他行星的理解。”
該研究於 1 月 8 日發表。 行星科學雜誌。
風暴、雲和化學線索
幾個世紀以來，天文學家一直在觀察木星的湍流大氣層。 360 多年前，早期的望遠鏡觀測揭示了地球表面巨大而持久的特徵。
大紅斑是一場大約是地球大小兩倍的巨大風暴，已經肆虐了數百年。它只是整個行星範圍內的強風和濃密雲層系統的一部分，該系統籠罩著木星，幾乎持續不斷地運動。
雖然這些風暴從很遠的地方就可見，但這些風暴的背後卻隱藏著很多東西。木星的雲層非常密集，以至於美國宇航局的伽利略號航天器在 2003 年墜入地球大氣層時與地球失去了聯繫。如今，美國宇航局的朱諾號任務從軌道上研究木星。通過從安全距離收集信息。
科學家可以從軌道上確定高層大氣中的化學物質。包括氨、甲烷、硫氫化銨、水和一氧化碳。研究人員將這些測量結果與已知的化學反應相結合，以推斷雲層深處可能發生的情況。
儘管如此，過去的研究得出了相互矛盾的結論。尤其是在估算木星的水和氧氣量時，楊意識到新的建模技術可以幫助解決這些衝突。
模擬木星大氣層的新方法
木星的大氣層是一個化學迷宮。分子在地球深處的灼熱溫度和上方較冷的區域之間移動。在狀態之間移動並通過一千種反應重新排列此外，雲和水滴也會形成、溶解並與周圍環境相互作用。
為了捕捉所有這些複雜性，楊和同事將大氣化學和流體動力學結合在一個模型中。這種方法允許模擬同時跟踪化學反應以及氣體、雲和液滴的運動。
“兩者都需要，”楊說。 “化學很重要，但水滴或云的行為並不重要。單獨的流體動力學過於簡化了化學。因此，將它們結合在一起很重要。”
這種混合方法以前從未在如此詳細的級別上執行過。並得出了一些重要的見解。
氧氣、水和行星的誕生
該模型提供了對木星氧含量的新估計。再次指向大約太陽的一倍半的值。這與最近的一項著名研究不同。這表明木星可能只含有大約三分之一的氧氣。
確定這個數字很重要，因為氧氣在行星形成中起著關鍵作用。構成行星和生命的元素源自太陽。但它們的比例可能因世界而異。這些差異為行星如何形成以及它們來自哪裡提供了線索。
一個懸而未決的問題是木星是否在其當前軌道上形成。或者它會隨著時間而移動嗎？世界上大部分氧氣都被鎖在水中。根據遠離太陽的溫度，其行為有很大不同。水會凍結並變成冰。在不斷增長的星球上，它比水蒸氣更容易收集
了解這些條件不僅可以解釋木星的過去。它還可以幫助科學家預測其他恆星周圍可能形成什麼類型的行星。什麼樣的星球可能支持生命存在？
氣氛更加緩慢，更加神秘。
模型還表明，木星大氣層的流動速度比科學家之前認為的要慢得多。與標准假設相比，氣體的垂直運動似乎大大減少。
楊說：“我們的模型表明，傳播速度肯定比標准假設慢 35 到 40 倍。”而傳播卻在幾個小時內穿過大氣層。單個分子可能需要數週的時間。
“這確實表明，即使在我們自己的太陽系中，我們仍然有很多關於行星的知識，”楊說。
資助：美國宇航局、加州理工學院噴氣推進實驗室
