木星是太阳系里一个引人瞩目的成员。不同于我们脚下岩石材质的地球，木星是一颗身量庞大宏伟的气态星球，主要由氢和氦两种成分构成。这使得它的物理化学状态、内部物质构造乃至外部观察特征都与我们熟悉的地球环境截然不同。
虽然人类派出的宇宙飞船早已经近距离细细端详过这颗行星，但我们对它外表以下的认知却依旧雾里看花。望远镜中木星表面红白相间的条纹是什么现象？怎样才能产生和维持这些条带？木星大气和地球大气的区别是什么？在木星内部翱翔会是什么感受？本文为你深度解读木星外表和内部的奥秘。
撰文 | 孔大力（中国科学院上海天文台）
编辑 | 韩越扬
木星是太阳系里一颗体格巨大的气体行星。它运行的轨道距离太阳大约5个天文单位（1个天文单位的长度是地球与太阳之间的平均距离）。巨大的木星质量是太阳系其它所有行星质量总和的2.5倍；而直径是地球的10倍有余。这样一个庞然大物在西方被冠以“众神之王”的名字——朱比特（Jupiter）。而在古老东方的中国，不晚于春秋战国时代，精勤司天的天文官员就已经观察到这颗明亮耀眼的星宿，大约每12年在黄道附近运行一周，并据此将黄道划分为12 星次（基本对应于西方黄道12宫的划分）。每年，木星会运动到一个星次中，便由此形成了“岁星”纪年的形式。近代以来，随着数理科学和天文观测手段日臻完善，人类头顶那片曾经无比神圣的夜空渐渐褪去了它宗教式的神秘氛围。取而代之的是更加恢宏壮丽、引人入胜的科学殿堂。人类对神奇的太空了解的越多，却有更多未知问题随之浮现，这又进一步推动人们追求更细致、更准确、更高效的观察和研究。如此循环，一代代人竭尽全力用智慧去丈量浩瀚无穷的宇宙。包括木星在内的太阳系，是我们在地球之外最早放眼的园地。除了地面和太空望远镜的观测之外，迄今为止数十年间， 已经有七艘人造宇宙飞船在它们各自的旅途中近距离造访过木星，它们是先锋10号（Pioneer 10）、先锋11号（Pioneer 11）、航海家1号（Voyager 1）、航海家2号（Voyager 2）、尤利西斯号（Ulysses）、卡西尼号（Cassini）和新视野号（New Horizon）。而著名的伽利略号（Gallieo）宇宙飞船更是将其整个科学生涯贡献给了木星和它的卫星系统。这些宇宙飞船近距离的飞越或环绕，获得数据之翔实与细致是地面上各种受限的观测手段难以企及的。时隔多年，为了更加专注于探测木星内部的秘密，2011年NASA再次发射了一艘木星探测船，代号“朱诺”（Juno）。它在2017年夏天进入了环绕木星飞行的轨道。这些过去、现在乃至未来的宇宙飞船，会怎样帮助我们揭开木星神秘的面纱呢？ 
图1. 在晴朗的夜空，木星的亮度仅次于月亮和金星。即使没有专业的天文望远镜，仅凭借一个普通的长焦相机镜头就可以轻松捕捉木星的身影。本片是笔者在2017年仲夏使用500mm定焦距镜头配合普通单反相机拍摄所得，曝光时间只需0.5秒，感亮度ISO1600。照片中木星周围稍黯淡的四个光点就是著名的四颗伽利略卫星。
谁持彩练当空舞
木星最令大众印象深刻的特征之一莫过于它表面的绚丽条纹。透过图2卡西尼号宇宙飞船拍摄的相片，我们可以对木星表面大气形态一览无余。深浅相间的颜色醒目地划分出沿着纬线方向环绕木星的不同条带。这些条带本质上是沿着纬线圈吹拂的环流风。在大范围规则的条带结构中，细节处充满了丰富的涡旋和湍流等大气动力学特征。
在图3中，我们通过更精确的数字可以遐想木星上的风有多么惊人，超过每秒120米的狂风经久不息地横扫木星全球，而骇人的风暴气旋亦是遍布各处。与木星相比，我们居住的地球要祥和太多。地球大气对流层中典型的风速只有每秒10米。即使在极强热带风暴途径的地域，风速亦仅会在很短时间（数天）和较小范围（方圆数百公里）内达到每秒50米。故而木星上强风的规模无论在时间还是空间尺度上都远远超出地球上的天气系统。木星与地球在大气动力学特征上的巨大反差虽在情理之中，但原因却也十分复杂。地球上大尺度的行星风系是由太阳辐射带来的温度差异驱动的。而与地球完全不同的是，木星大气环流主要由从内向外散发的热量驱动。条带的颜色差异也就是由于不同的温度而显现出来的。亮白的条带比较冷，甲烷和氨等凝结为冰晶从而反射更多的阳光；而暗红的条带比较热，没有冰晶的存在因此缺乏反照能力。
图2. “卡西尼”号宇宙飞船拍摄的木星高分辨率照片。左图是全局照片，可以清楚得看到木星大气的条带纹理。红白色彩据信来源于不同温度的氨分子云系。而右图则是木星南半球著名的“大红斑”局部图像。“大红斑”是一个逆时钟方向旋转的反气旋：它的风速比地球上出现过的最强烈的台风还要快数倍；它的尺寸要比整个地球还要大；更加惊人的是自从人类有观察记录以来它已经稳定地存在了数百年时间。（图源：photojournal.jpl.nasa.gov）
图3. 木星的条带纹理实际上是木星大气层中十分强烈的东西方向环流。笔者在这张示意图上迭加绘制了环流风速曲线。可以看到木星赤道附近的环流风速甚至可以超过每秒120米（约每小时400公里）。（图源：photojournal.jpl.nasa.gov，风速数据参见文献[1]）
深深浅浅，难以琢磨
木星是颗典型的气体行星，它的外层大气与内部缺乏清晰的物理分界面，因此大气环流是受到内部流体运动影响的。谜团的关键就在于这种“影响”究竟是通过怎样的机制产生。这个问题的答案甚至关系到木星内部结构、重元素分布、磁场产生过程乃至内核的一些物理性质，不可谓不重大。
木星环流（风）是如何被驱动的？木星云层顶部的风是以何种方式穿透进入内部的呢，这个问题长期以来一直是木星乃至气态行星物理研究中的一个主要谜题。目前存在两种截然不同的观点: “浅层理论”认为云层的风被限制在大气顶部稀薄的区域内，并不反映它下面更深处的热对流形态；但另一个“深层理论”则认为云层顶的风完全就是木星内部的热对流的延伸，因此人们看到的木星表面环流会扎根到表层以下很深的地方。在数值模拟计算中，这两种理论都可以很不错地得到类似于木星条带状环流的观测特征。但两种观点任意一方的支持者都无法证明自己的偏好就是木星上发生的实际物理过程。因此科学家们寄希望于更多的观测来破解这个木星之谜。“朱诺”号飞船为破解这个谜题带来了曙光，它的主要科学使命之一就是通过测量引力场来“看透”木星深部的结构和流体运动。但是“朱诺”自己并不会开口向人类讲解它看到的秘密，所以通过数据还原真相的重任就落在科学家的肩上了。
读懂“朱诺”，拥抱未来
2018年3月，《自然（Nature）》杂志发表了以色列科学家Y. Kaspi领衔的团队对木星大气环流结构的建模反演成果[2]——认为木星的大气环流可以深入其表面以下3000公里左右。这一结果看似明确地回应了疑问，但细细推敲后却令人觉得并不尽然。
如果梳理一下这个“3000公里”深度的来龙去脉，不难发现Kaspi教授团队预先在“浅层理论”和“深层理论”两种可能性中选定了“深层模型”，继而通过引力场获得所谓的“环流深度”。显然，这一研究从逻辑上没有解答大家最初的疑惑，也无法解决关于木星大气环流形成原因的争议。在不预先假设木星环流形成机制的前提下，结合“朱诺”飞船提供的引力场测量数据，笔者与合作者在2018年10月发表了两类可能的木星环流形态，恰好分别可以对应木星环流的“浅层理论”和“深层理论”两种可能成因[7]：
图4. 基于“朱诺”号飞船提供的引力场测量数据，笔者和合作者提出的两类木星环流形态。左图的情况符合“浅层理论”，这时木星内部的环流和表面被观察到的环流是不同的；而右图展示了典型的“深层理论”，因为木星表面的环流会径直向内部延伸。
基于最新研究，我们知道了目前在“朱诺号”对木星引力场的测量方式和水平下，对木星的环流结构以及内部其它物理状态的推测仍然存在显著的不确定性。未来还应当观测除了引力场以外的其它信息，例如行星星震等，以增加对木星内部物理条件的约束，帮助可靠地分辨真实的物理过程。
笔者相信，我国在未来也将跻身国际深空探测的先进行列。在中国的木星探测计划中，通过巧妙的探测器轨道构型设计与高精度的测量，结合完善的内部模型反演，将非常可能显著提高人类对木星内部结构和流体运动模式的理解。
孔大力，中国科学院上海天文台研究员、博士生导师。2008年毕业于南京大学天文学系，2012年于英国埃克塞特大学地球物理与天体物理流体力学中心获得博士学位。2017年入职中国科学院上海天文台。主要研究领域是行星内部结构、流体力学和相关深空探测技术。
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参考资料
[1] Porco et al. 2003, Science, 299:1541—1547 .
[2] Kaspi et al. 2018, Nature, doi:10.1038/nature25793
[3] Kong et al. 2016, Icarus, 277: 416—423, doi: 10.1016/j.icarus.2016.05.037
[4] Zhang et al. 2015, ApJ, 806: 270—279, doi: 0.1088/0004-637X/806/2/270
[5] Kong et al. 2017, MNRAS, 469: 716—720, doi: 10.1093/mnras/stx871
[6] Zhang et al. 2017, Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 45: 419—446, doi: 10.1146/annurev-earth-063016-020305
[7] Kong et al. 2018, PNAS, doi: 10.1073/pnas.1805927115
文章头图及封面图片来源：svs.gsfc.nasa.gov
