近日，水星探測器“貝皮·科倫(lun) 布”號吸引了人們(men) 的關(guan) 注。這是人類發射的第二個(ge) 專(zhuan) 用水星探測器。實際上人類向太陽係行星派出了諸多探測器，進行深入觀測。比如木星，1973年美國國家航空航天局（NASA）發射了“先鋒10號”探測器，45年來人們(men) 共進行了7次飛越觀測和2次專(zhuan) 門探測任務。其中，木星表麵條紋結構的成因一直是探測重點。

今年，以色列科學家根據“朱諾”號的數據得出結論，木星的條紋源自其內(nei) 部的流體(ti) 運動。但中科院上海天文台研究員孔大力等學者的研究發現，答案並非如此簡單。相關(guan) 研究成果發表在最新出版的《美國國家科學院院報》上。

謎題：木星為(wei) 何獨具“風彩”

為(wei) 何將木星稱為(wei) 太陽係中的“大塊頭”？因為(wei) 木星是太陽係行星中最大的一顆。研究數據顯示，木星的直徑約為(wei) 地球的11.25倍,體(ti) 積約為(wei) 地球的1316倍,而質量約為(wei) 地球的318倍，是太陽係中其它7顆行星質量之和的2.5倍。木星比地球“勤快”很多，它不到10小時便自轉一周。實際上，木星的與(yu) 眾(zhong) 不同之處不僅(jin) 在於(yu) “大塊頭”，更在於(yu) “高顏值”。通過望遠鏡觀測木星表麵，人們(men) 可以看到與(yu) 赤道平行、明暗交替的條紋，呈現出紅、褐、白等多種顏色。

“木星表麵的條紋實際上是沿著緯線方向橫掃全球的大氣環流，風力強勁持久，可高達120米/秒。在一定的溫度和大氣條件下，木星大氣中氨、甲烷、水等分子成分顯現出不同的顏色，從(cong) 而呈現出明暗交替的條紋狀結構。”孔大力在接受科技日報記者采訪時表示，以氨分子為(wei) 例，木星表麵亮條紋處的溫度較低，恰好使得氨氣會(hui) 凝結成冰晶，反照率高，看起來亮白一些。暗條紋處溫度較高，氨氣不會(hui) 結冰，反射陽光能力減弱，顏色較暗淡。

為(wei) 什麽(me) 其他行星沒有呈現出類似的彩色條紋？“實際上，其他的氣態行星，如土星、天王星、海王星，大氣動力學狀態與(yu) 木星無本質差別，也普遍存在強烈的環流和相應的條紋結構，隻是沒有顯現出不同的顏色。”孔大力進一步解釋，其他氣態行星與(yu) 太陽的距離較木星遠，整體(ti) 大氣溫度比木星低，氨分子總是以冰晶的形式存在，無明顯的狀態變化，因此反照率趨於(yu) 一致，人們(men) 也就無法觀測到條紋相間的帶狀結構。

作答：這些條紋可不“膚淺”

既然條紋結構的實質是木星的大氣環流，那麽(me) 大氣環流又是如何形成的？

天文學界目前主要有兩(liang) 種理論解釋其成因。一種理論認為(wei) 木星與(yu) 地球上大氣環流的形成原因類似，認為(wei) 氣態行星的大氣環流完全是由薄層大氣中不同緯度上溫度的差異驅動的。該理論認為(wei) 條紋結構僅(jin) 僅(jin) 存在於(yu) 木星大氣外層，就像在勻色木球表麵畫上去的彩帶。

“然而，作為(wei) 氣態行星，木星並不像地球擁有大氣層和地麵的清晰分界線，因此大氣的運動或許與(yu) 地球並不類似。”孔大力表示，部分天文學家從(cong) 這個(ge) 角度出發，認為(wei) 大氣環流並非淺表現象，而是受深部對流控製，提出深度雲(yun) 層風模型。這就需要從(cong) 木星的物理結構說起。經過多年觀測，天文學界普遍認為(wei) ，木星球體(ti) 中心處為(wei) 高密度岩石內(nei) 核，外部包裹著厚厚的金屬氫，再向外延伸便是主要成分為(wei) 氫的大氣。木星從(cong) 裏到外是連續的整體(ti) ，大氣運動也不可能獨立於(yu) 內(nei) 部而單獨存在。由於(yu) 這位“大塊頭”質量巨大，其體(ti) 積在重力作用下不斷收縮，勢能轉變為(wei) 熱能，導致木星內(nei) 部釋放出顯著的熱量，從(cong) 而驅動和維持大氣環流。因此，深度雲(yun) 層風模型認為(wei) 木星的大氣環流運動一直延伸到大氣內(nei) 部，並在大氣表層呈現出不同急流帶的輪廓。

上述兩(liang) 種理論基於(yu) 不同的出發點，各有其科研數據支撐。從(cong) 20世紀70年代提出至今，二者已然博弈了40餘(yu) 年。2017年，NASA發射的“朱諾”號探測器進入環繞木星的軌道。學界十分希望通過“朱諾”號的引力場數據分析出木星環流的真正成因。2018年，以色列科學家約海·卡斯皮及其科研團隊在“朱諾”號數據基礎之上建立了相關(guan) 數學模型，認為(wei) 木星大氣的條紋環流是內(nei) 部流體(ti) 運動模式在外表的延續和體(ti) 現。這項支持深度雲(yun) 層風模型的研究成果發表在《自然》期刊上。

一直困擾天文學家的木星大氣環流成因問題就這樣一錘定音了嗎？

質疑：謎底仍未揭開

在質疑中尋求真理，這恰恰是科學的魅力。孔大力科研團隊發現約海·卡斯皮團隊在相關(guan) 數學模型建立中存在問題。“約海·卡斯皮等人不加修改地采用研究地球大氣層中環流擾動的數學模型去研究木星，這就出現了一個(ge) 本質的錯誤。”孔大力表示，木星與(yu) 地球結構存在很大差異。地球大氣層隻是球體(ti) 外部的薄層，其產(chan) 生的引力與(yu) 整個(ge) 岩石地麵相比微乎其微，可以忽略不計。因此研究地球大氣環流時，往往忽略大氣自身引力的影響。但是，木星內(nei) 核、金屬氫層以及大氣層均無明顯界限，大氣自身引力是維持大氣狀態相對穩定的一個(ge) 重要原因。“研究木星大氣環流時怎麽(me) 能忽略掉大氣自身的引力呢？”

隨後孔大力團隊與(yu) 英國埃克塞特大學、澳門科技大學相關(guan) 學者進行合作，提出了符合木星物理條件的數學模型，建立起大氣運動和引力場擾動之間的聯係。“木星大氣運動會(hui) 造成物質分布的變化，從(cong) 而產(chan) 生對引力場的擾動信號。通過‘朱諾’號捕獲這種擾動信號就可以反推物質的運動情況。”孔大力表示，其合作團隊共同發展了邏輯上自洽、物理上正確、數學上嚴(yan) 謹的木星環流模型和反演方法，提出了兩(liang) 類可能的木星環流形態，分別針對上述兩(liang) 種傳(chuan) 統的環流成因找到了各自對應的環流模式，從(cong) 而證明上述兩(liang) 種成因都可能解釋“朱諾”號引力場的測量結果。

“我們(men) 利用正確的模型對‘朱諾’號的引力場探測數據進行了反推解讀，得到了與(yu) 約海·卡斯皮團隊不同的結果。這就意味著，約海·卡斯皮等人的結論是站不住腳的，可能會(hui) 誤導科學界。”孔大力表示。

“木星大氣中條紋環流的成因是氣態行星物理研究中的一個(ge) 重大問題，而且不是一個(ge) 孤立的課題。”孔大力強調，環流的結構和驅動方式與(yu) 行星內(nei) 部更深處的結構和物理條件息息相關(guan) 。以現有的技術水平，人們(men) 難以觀察到行星內(nei) 部，所以條紋狀的大氣環流是間接研究行星深部物理結構特征的重要途徑。因此，木星大氣環流成因的結論將深刻地影響人們(men) 對氣態行星內(nei) 部物理狀態的認識。