大风号

木星超强风暴释放远超地球的闪电现象

天文online

05-02 22:28 来自北京

木星风暴可释放远超地球强度的闪电

分析美国国家航空航天局朱诺号探测器数据的科学家们发现了证据，表明木星上的闪电比地球上的要强大得多，这为了解该行星的极端风暴提供了新线索（艺术家概念图）。来源：SciTechDaily

对木星闪电的新观测揭示了出乎意料的复杂且强烈的风暴。

木星是太阳系中最大的行星，拥有大量长期存在的风暴，有些持续了几个世纪。加州大学伯克利分校的科学家们的一项研究报告称，这些风暴能产生极强的闪电。有些闪电的强度可能是地球上闪电的100倍——甚至可能更强烈。

这些发现基于美国国家航空航天局（NASA）朱诺号探测器的数据，该探测器自2016年以来一直在环绕木星运行。朱诺号使用微波辐射计研究木星的大气层，该辐射计能探测闪电产生的无线电信号，这与地球上闪电造成的干扰类似。微波位于无线电频谱的高频端。

为什么研究地球之外的闪电？

研究其他行星上的风暴有助于研究人员更好地理解地球上的天气，而地球天气仍有许多未知之处。该研究的主要作者迈克尔王（MichaelWong）是加州大学伯克利分校空间科学实验室的行星科学家，他强调了这一点。他的研究发表在《AGU进展》期刊上。

我们对地球上的闪电还有很多不了解的地方，他说，并指出科学家近年来已经发现了几种与雷暴相关的新型瞬态发光事件。这些TLE——即大风暴上方对流层中持续数毫秒的电现象——包括精灵闪电、喷流闪电、晕状闪电以及一种被称为ELVEs的现象。

在木星上，闪电为对流现象提供了线索，对流是热量在大气中传递的过程。王表示，地球和木星上的对流运作方式略有不同，因为木星的大气以氢为主，所以潮湿空气更重，更难向上移动。

地球的空气主要是氮气，氮气比水重。这使得潮湿空气更具浮力，更容易被抬升。在木星上，潮湿空气比周围大气更重，因此风暴需要更多能量才能上升。当它们到达更高海拔时，会更猛烈地释放能量，产生强风和强烈的云间闪电。

NASA的朱诺号航天器某次南北向（黄色轨迹）飞越木星大气层时，探测到一簇来自闪电的无线电脉冲（青色符号标记每个脉冲的仪器指向）。哈勃太空望远镜的背景图确定闪电源为一个孤立的隐形超级风暴。来源：Wong等人（AGUAdvances；HST与朱诺号MWR）。

几乎每艘飞掠木星的航天器都观测到过闪电，这主要是因为闪光在该行星的暗面显得格外清晰。早期任务只能探测到最亮的闪光，这导致人们认为木星的闪电比地球的要强大得多。

当朱诺号高度灵敏的恒星跟踪相机识别出许多与地球类似的较弱闪光时，这种观点发生了改变。然而，王解释道，夜间的观测可能具有误导性，因为厚云层可能会遮挡部分光线，使闪光看起来比实际更弱。

朱诺号的微波辐射计能提供更可靠的测量结果，因为它的信号可以穿透云层。虽然该仪器并非专门为闪电研究设计，但它能探测到附近风暴的微波辐射。

主要挑战在于木星广阔的大气带中经常同时出现多个风暴。这使得将闪电信号与特定风暴相匹配变得困难。若不知道确切来源，科学家就无法准确计算每次闪光的强度。黄将此比作在春节游行中听到爆裂声，却不知道它们来自附近的爆米花还是远处的鞭炮。

隐形超级风暴

幸运的是，一段时间内，木星北赤道带的风暴活动暂时有所减少。这使得王和他的团队能够利用哈勃太空望远镜、朱诺号相机以及业余天文学家的数据，分离出单个风暴并更精确地追踪它们。他将这些事件称为隐形超级风暴。

这些风暴持续了数月，重塑了周围的云系模式，与更大的超级风暴很相似。不过，它们的云顶高度没有那么高。

因为我们有精确的位置，所以我们就可以说：好的，我们知道它在哪里。我们正在直接测量功率，他说。

观测期间，朱诺号对孤立风暴进行了12次飞越，其中有4次距离足够近，能够探测到闪电产生的微波信号。该航天器记录到平均每秒3次闪电。在一次飞越中，它探测到206个独立脉冲。在总共613个脉冲中，王估计闪电强度范围从与地球闪电相似到超过地球闪电的100倍。

他注意到这些比较存在一些不确定性，因为测量是在不同的无线电波长下进行的。有一项研究表明，木星上的闪电威力可能是地球上闪电的一百万倍。

理解闪电能量

将微波信号转换为总闪电能量是复杂的，该研究的合著者、捷克布拉格查理大学的空间物理学家、捷克科学院成员伊万娜科尔马绍娃表示。闪电以多种形式产生能量，包括无线电、光、热、声音和化学反应。

地球上，一道闪电释放的能量约为1吉焦（10亿焦耳），足以供200户普通家庭使用一小时。王估计，木星上的一道闪电释放的能量可能是地球闪电的500倍到10000倍之多。

NASA的朱诺号探测器一次从北到南飞越木星时，探测到一系列由闪电产生的无线电脉冲。利用哈勃太空望远镜的背景图，科学家们将这些信号追踪到木星大气中一个孤立的隐形超级风暴。插图显示了朱诺相机数据中此前一次观测到的隐形超级风暴羽流（放大3倍）。来源：NASAJPLCaltechSwRIMSSSBjörnJónsson（朱诺相机），Wong等人（AGUAdvances；HST和朱诺MWR）。

木星闪电背后的过程可能与地球的类似。上升的水蒸气凝结成液滴和冰晶，这些液滴和冰晶会带电，从而产生巨大的电压差。在地球上，这通常会形成冰雹。在木星上，冰粒子既包含水也包含氨。有一种观点认为，它们结合形成泥球，像泥泞的冰雹一样下落。

持续未解的谜团

尽管有这些发现，许多问题仍然存在。更强的闪电意味着更高的电压，但木星上的确切过程仍不清楚。

他说：这就是细节开始变得令人兴奋的地方，你可以问：‘关键差异是氢大气与氮大气的不同，还是木星上的风暴更高，因此涉及的距离更大？’木星的风暴高度超过100公里，而地球的风暴高度为10公里。

或者会不会是因为木星上的湿对流，在产生能制造闪电的风暴之前需要积累更多的热量，所以有更多的能量可用呢？他补充道。这是一个活跃的研究领域。

参考文献10。10292025AV002083

这项研究得到了美国国家航空航天局（NASA）的支持（项目编号：80NSSC19K1265、80NSSC25K0362）。