木星大氣層

木星的大氣層是太陽系內最大的行星大氣層，主要由和太陽的比例大致相同的氫分子和氦構成，其他的化學成分，包括甲烷、氨、硫化氫和水只有很少的數量。水被認為存在於大氣層的深處，所以被觀測到的數值偏低。氧、氮、硫和惰性氣體的豐度大約是太陽的三倍。木星的大氣層沒有明確的邊界，並且逐漸轉變成為行星內部的流體。從最低處到最高處，大氣的層次為對流層、平流層、增溫層和散逸層，各層有各自的溫度梯度特徵。最底層的對流層有複雜的雲霧組成的系統，並且呈現朦朧狀，包括數層的氨、硫化氫氨和水。上層的氨雲是可見的木星表面，組織成12道平行於赤道的帶狀雲，並且被稱為噴射氣流的強大帶狀氣流。區的溫度比帶低，是上升的氣流，而帶是下降的氣體。較淺顏色的區被認為是由氨冰形成的，但形成顏色較深的帶的物質則尚未確知。這些帶狀結構和噴流的起源也還未被瞭解，不過已存在兩種解釋的模型。淺灘模型。他依據任何快速自轉的正壓理想流體，流程被組織與加入參與一系列與旋轉軸平行的圓柱，理論的條件大概和木星內部契合。所以木星的分子氫地函也許被劃分成一定數量的圓柱筒，每個圓柱的環流都獨立於其他的圓柱，那些高度，圓柱的外面和內部的邊界相交於行星可見表面對應於噴射氣流，而圓柱本身就是觀測所見的區或帶。深層模型很容易解釋在木星赤道觀察到的強大且與天體做同方向執行的噴射氣流；它產生的噴射氣流是穩定的，並且不違背二維穩定的準則。但是他有主要的困難，它會廣泛的產生許多小的噴射氣流，並且迄2008年尚無法做三維流程的摹擬，意味著用簡化的模型辯解深層的環流也許無法掌握住木星內部的流體力學重要部分。在2004年發表的一個模型成功的再生了木星帶的噴射氣流結構，它假設分子氫的地函比其他的模型稀薄，在木星的外面只佔了半徑的10%，其他標準模型的氫地函都在外層佔有半徑的20%至30%。對深層環流的驅動是另一個問題，事實上，深層的流動可以來自淺層的力內部的熱傳送廣泛對流這兩者，但還不清楚何者的機制是比較重要的。內熱.從1966年就已經知道，木星輻射出來的能量比接收自太陽的更多，估計從這顆行星輻射出來的能量與從太陽吸收的能量比率是1.67 ± 0.09。來自木星內部的熱通量是5.44 ± 0.43 W/m2，輻射的總能量是335 ± 26 petawatts，後者的數值相當於太陽輻射總能量的十億分之一。這多餘的熱量主要來自於木星形成初期殘餘的原始熱量，但可能有部分來自於猛然落入核心的氦雨。內熱對木星大氣層的大氣動力學可能是很重要的。木星的自轉軸有大約3°的小傾斜，並且極區接受到的太陽輻射遠低於赤道地區，而對流層在赤道和極區的溫度沒有可察覺的改變。一種解釋是，木星的對流使內部像一個恆溫器，在極區釋放出的熱量比赤道多，導致對流層中的溫度是均勻的，而熱從赤道輸送到極區，在地球主要是經過大氣層，但在木星是深層的對流平衡熱。在木星內部的對流被認為主要是由內熱驅動的。個別的特徵.旋渦.木星大氣層是數百個旋渦的家—轉動的圓結構，如同在地球的大氣層，可以分成兩類：氣旋和反氣旋，前者的轉動方向與行星轉動的方向一致未曾觀測到旋渦，因為在那兒的氣旋是不穩定的，在任何快速自轉的行星上，木星上的反氣旋是高壓中心，而氣旋是低氣壓。在木星大氣層的反氣旋永遠都被限制在區內，而風的速度從赤道向極區逐漸增加，它們通常都是明亮和外觀是白色的長圓形。它們會在經度上移動，但是緯度幾乎保持穩定不變，因此它們無法從被限制的區中逃脫。在它們周圍的風速大約在100m/s，在同一區內不同的反氣旋當相互接近時有合併的傾向。然而，木星有兩個與眾不同的反氣旋，它們是大紅斑。然而大的長圓形可能肇因於噴射氣流的不穩定，後者在1938–1940年曾經被觀測到，當時由於南溫帶區的不穩定，結果有幾個白長圓形產生，它們最後合併形成長圓形BA。與反氣旋對比，木星的氣旋傾向於小、暗和不規則的結構，有些已知的比較黑暗和比較規則的特徵都是棕色的長圓形。這些氣旋都位在帶內，當它們相互接近時也有合併的傾向，這與反氣旋非常相似。旋渦深處的結構還未完全瞭解，它們被認為是相對的稀薄的，當厚度超過500公里就會導致不穩定。大的反氣旋被確認只在可見的雲層上方數十公里高度上擴充套件，而早期的假說認為旋渦會深入對流束，自2008年以來，主流的行星科學家不再認同此一假說。大紅斑.大紅斑是一個在南赤道帶邊緣存在了很久的反氣旋旋渦，它看起來是一個非常穩定的特徵，並且幾乎所有的同意他已經被持續觀測了350年。大紅斑是逆時針旋轉的，週期大約是6地球日，或14個木星日。它的直徑是東西長24–40,000公里，和南北寬12–14,000公里，大到足以放進2-3個地球。在2004年初，大紅斑在經度的方向上只有一個世紀前的一半大小，而之前它的直徑是40,000公里，若以目前的速率繼續縮減，它在2040年將變成圓形，但是由於鄰近噴射氣流的畸變作用，這是不太可能發生的事。我們不知道大紅斑會持續存在多久，或者是否是波動變化的正常結果。紅外線的長期資料顯示大紅斑在這顆行星上比其它雲彩更大且更冷，內部的流動似乎是停滯的，只有少許的流入或流出。斑點的自轉速度隨著時間在減緩，或許是他的大小穩定減少的直接結果。在觀測上，大紅斑的緯度是非常穩定的，典型的變化只在1度的範圍內變動。但是，它的經度卻是恆定的在變化著，因為木星在不同緯度上的轉速是不同的，天文學家為不同的緯度定義了三個系統。系統II用在緯度超過10°之處，是依據大紅斑的平均轉速9小時55分42秒為基準定義的。儘管如此，在19世紀初期，大紅斑至少有10次"領先"系統II，它的飄移速率多年來有著顯著的變化，並且曾與明亮的南赤道帶連結在一起，在南熱帶的幹擾下出現或消失。還不是很確實的知道大紅斑呈現紅色的原因，實驗室的實驗支援的理論假設顏色是由複雜的有機分子，像是紅磷或其它的硫化物造成的。大紅斑的顏色也有巨大的變化，從紅磚的紅色到蒼白鮭魚紅，甚至是白色。斑點偶爾會"消失"，但都出現在陷入南赤道帶時，顯然是因為紅斑的凹陷造成。紅斑與南赤道帶結合時會明顯可見，當赤道帶是明亮的白色時，斑點氫向於暗色；而黑暗時，斑點通常是明亮的。斑點黑暗或明亮的變化並沒有規則的週期性，例如在1997年之前的50年當中，在1961–66, 1968–75, 1989–90, and 1992–93，大紅斑都是黑暗的。大紅斑不可以和卡西尼-惠更斯號太空船在2000年經過時在木星的北極觀察到的大黑斑混淆。並且要注意在海王星也有一個稱為大黑斑的特徵，後者是航海家2號在1989年發現的影像，並且比較像是大氣層的一個大氣孔而不是風暴，而且在1994年以後就不存在了。長圓形BA.長圓形BA是對木星南半球與大紅斑相似，但小於大紅斑的一個紅色風暴的官方正式名稱，相對的，它常被稱為"紅斑Jr,"、"紅Jr."或"小紅斑"。這個特徵存在於南溫帶，長圓形BA在2000年的3個白色小風暴碰撞之後，首度被看見，並且從那時起開始增強.。經過合併而形成長圓形BA的3個小風暴可以追溯至1939年，當時南溫帶黑暗的特徵有效的分裂成三個狹長部分，木星觀測者Elmer J. Reese將它們標誌為AB、CD和EF三個黑暗區域。裂口擴張、收縮，將STZ的剩餘部份形成白色長圓形FA、BC和DE。長圓形BC和DE在1998年合併形成長圓形BE，然後在2000年3月，BE和FA合併在一起，成為長圓形BA。從2005年8月，長圓形BA緩慢的開始轉變成紅色，在2006年2月24日，菲律賓的業餘天文學家克里斯托弗發現了顏色的變化，注意到它有如大紅斑一樣的陰暗。結果，NASA的作家，託尼菲利浦建議稱它為"紅斑Jr."或"紅Jr."。在2006年4月，有一組天文學家經由哈伯太空望遠鏡的觀測，相信長圓形AB會在當年內與大紅斑合併。這兩個風暴大約每二年會相互透過一次，但是在2002年和2004年都沒有導致任何的激發。戈達德太空飛行中心的艾咪西蒙-米勒博士預測在2006年7月4日是兩者最接近的時刻。在7月20日，雙子星天文臺拍攝到這兩個風暴已經互動而過，沒有發生合併。長圓形BA轉變成紅色的原因仍未被瞭解。依據巴斯克地區大學的聖地牙哥Pérez-Hoyos在2008年的研究，最可能的機制也許是"高能的太陽光子與長圓形BA上層的的一種有色化合物或塗層的作用，向上和向內擴散的結果"。根據哈伯太空望遠鏡在2007年的觀測，顯示長圓形BA比過去更為強大，風速達到618公里/小時;，與大紅斑內部的相同，並且比它起源的任何一個風暴強勁。在2008年7月，它的大小與地球相似—大約是大紅斑的一半大。長圓形BA不可以和木星上另一個在2008年5月變紅的主要風暴，小紅斑，混淆。它在2008年的6月底至7月初與大紅斑遭遇，先被切割成碎片，然後成為大紅斑的一份子。在這遭遇的時刻，長圓形BA也在附近，但在小紅斑被破壞時，他並未扮演任何明顯的角色。風暴和閃電.在木星上的風暴與地球的雷暴相似，它們經常是出現在區與帶之間的風暴，特別是在強大的退行，將潮濕的空氣從深層的內部帶到對流層的上層，並在那兒凝聚成雲。木星上典型的風暴垂直深度約為100公里，它們從大氣壓力約為5–7帕處延伸而來，那兒被假設是水氣形成雲彩的基地，升高至0.2–0.5帕。木星上的風暴經常與閃電結合在一起，伽利略和卡西尼-惠更斯號太空船在木星夜晚的一側觀測到規則出現的閃電，特別是在緯度51°N、56°S和23°N，更高緯度的閃電集中在西向的噴射氣流附近。木星上雷擊的威力平均上比地球強大，但是它們的頻率不如地球，閃電釋放的能量也如同地球上集中在一些特定的區域。少數的閃電被偵測出現在極區，使木星成為除地球之外，第二顆在極區展現出閃電的行星。每15–17年，木星會發生令人興奮、特別強而有力的風暴。它們出現在23°N的緯度上，該處有最強的東向噴射氣流。最近一次發生此種風暴的時間是2007年的3–6月。兩個風暴出現在緯度55°的北溫帶，它們對北溫帶造成了重大的幹擾。黑暗的物質被風暴帶入並且和雲層混合，使帶的顏色都被改變了。風暴移動的速度高達170米/秒，比噴射氣流的速度略微快了一些，暗示存在的強風是深入大氣層內的。擾動.帶和區的正常模式經常會在一段時期受到擾動，一個特殊的狀況是南熱帶長期的變暗，通常指的是"南熱帶擾動"。長期的南熱帶擾動歷史紀錄始於1901年，持續到1939年，第一次的紀錄是Percy B. Molesworth在1901年2月28日完成的，它通常使明亮的南熱帶變暗做為結束。之後，在南熱帶幾個相似型別的擾動也被記錄了下來。觀測的歷史.早期的天文學家，使用小望遠鏡並以自己的眼睛當成偵測器，記錄所見到的木星大氣層變化。他們描述的名詞－ 區等－ 仍然被使用者。其他的名詞，像是渦度、垂直運動、雲高等，也在20世紀被後繼的使用者加入。第一個提供比地基望遠鏡更高解析度觀測木星大氣層的是先鋒計劃的先鋒10號和先鋒11號太空船；第一個提供木星大氣層詳細影象的是航海家。這兩艘太空船的影像在不同的光譜上可以看清楚解析度低達5公里的大小，也能創造大氣層運動的"approach movies"；伽利略號太空船的探測器更深入木星大氣層，但還需要更好的平均解析度和更寬廣的光譜頻寬。今天，天文學家藉助像哈伯太空望遠鏡這樣的儀器，得以連續觀察和記錄木星大氣層的活動。這不僅顯示出大氣層偶爾會被巨大的擾動破壞，而且，整體而言它是非常穩定的。木星大氣層的垂直運動主要由地基望遠鏡觀測到的示蹤氣體來證明，在舒梅克－李維九號彗星碰撞之後使用分光鏡的研究，讓天文學家得以一窺木星雲層頂層底下的成分，出現了雙原子的硫，但是與氧關聯的分子，像是二氧化硫則未被檢測出來，令天文學家頗為驚訝。伽利略的大氣探測器，在被扔入木星之後，測量了深入至22帕的風、溫度、組成、雲和輻射，但是望遠鏡和太空船不能偵測到在1帕之下的大氣。對大紅斑的研究.第一位看見大紅斑的人一般相信是羅伯特·虎克，他在1664年描述木星上的這個斑點；然而，虎克所描述的斑點是在不同的區帶上。較令人信服的是喬瓦尼·卡西尼在次年描述的一個永久的斑點，卡西尼的斑點從1665年至1713年，在可見光的波段下斷斷續續的被觀測著。現在展示在梵蒂岡的一片大約是1700年的Donato Creti帆布上，有著涉及木星上班點的小奧秘。它是一系列描繪不同被放大的星空部份版畫的一部份，是義大利人在各種各樣場合作為背景的場景；所有的這些都是在天文學家Eustachio Manfredi監督下創造的，具有一定的正確性。Creti的繪畫是最早知道對大紅斑是紅色的描述。在1800年後期之前，不再有對木星大紅斑的正式描述。當前對大紅斑的第一筆記錄始自1830年代之後，並且在1879年之後才有較顯著的影像，從17世紀被發現之後，到1830年有長達118年的空白沒有被觀測的紀錄。原來的斑點是否消散並改變重組了，是否退了色，或者只是簡單的觀測上的貧乏，都無從得知。古老的斑點只有短暫的觀測史，只是現在斑點的慢動作，要確認它們的身分是不太可能的。在1979年2月25日，當航海家1號太空船以920萬公里的距離掠過木星時，首度將大紅斑清晰的影像傳送回地球，可以看清楚160公里大小的橫斷面。西邊有著五顏六色、波浪般的雲彩模式，是大紅斑活躍的區域，那裡被觀察到非常複雜和多變的雲彩運動。白長圓形.演變成長圓形BA的白長圓形是在1939年形成的，在它們形成之後的短時間內，在經度上幾乎涵蓋了90度的範圍，但是在第一個十年內就迅速的縮減；在1965年之後穩定在10度或更小的範圍。雖然它們起源於STZ的一個段落，但發展到最後卻完全埋置於南溫帶內，顯示它們向北移動並且在適當的位置"挖掘"進入南溫帶。實際上，非常像大紅斑，它們的迴圈由兩股相對的噴射氣流限制住了它們的南邊和北邊的界限，一個東向的氣流在它們的北邊，和一個逆向的西向氣流在它們的南邊。長圓形的縱向運動似乎受到兩個因素影響：木星在軌道上的位置—在近日點的速度變快；當接近大紅斑至50度以內時，會加速的接近大紅斑。白長圓形整體的漂移速度趨向是減速的，在1940年至1990年之間，速度已經減退了一半。當航海家飛越時，這個長圓形由東向西延伸的長度大約是9000公里，從南至北大約5000公里，每5天自轉一圈。