40年的研究发现木星温度的神秘模式

这些添加了颜色的木星红外图像是由欧洲南方天文台的甚大望远镜在2016年获得的，并为这项新研究做出了贡献。颜色代表温度和云量：蓝色区域是寒冷和多云，橙色区域是温暖和无云的区域。学分：ESO / L.N. 弗莱彻

部分基于美国宇航局几代任务的数据，包括美国宇航局的旅行者号和卡西尼号，这项工作可以帮助科学家确定如何预测木星上的天气。

科学家们已经完成了有史以来最长的研究，追踪木星上对流层的温度，这是这颗巨行星天气发生的大气层，也是其标志性的彩色条纹云形成的地方。

这项工作通过拼接来自美国宇航局航天器和地面望远镜观测的数据进行了四十多年，发现了木星带和区域温度随时间变化的意想不到的模式。这项研究是朝着更好地了解是什么驱动我们太阳系最大行星的天气并最终能够预测它迈出的重要一步。

木星的对流层与地球有很多共同之处：它是云层形成和风暴翻腾的地方。为了了解这种天气活动，科学家需要研究某些特性，包括风、压力、湿度和温度。自1970年代美国宇航局的先驱者10号和11号任务以来，他们就知道，一般来说，较冷的温度与木星较浅和较白的带（称为区域）有关，而较深的棕红色带（称为带）是温度较高的位置。

但是没有足够的数据集来了解温度在长期内是如何变化的。这项新研究于12月19日发表在《自然天文学》上，通过研究从大气中较温暖区域升起的明亮红外光（人眼看不见）的图像，直接测量木星在五颜六色的云层上方的温度，从而取得了突破性进展。科学家们在木星围绕太阳的三个轨道上定期收集这些图像，每个轨道持续12个地球年。

在这个过程中，他们发现木星的温度在特定的时期上升和下降，而这些时期与季节或科学家知道的任何其他周期无关。由于木星的季节较弱——与地球的23.5度相比，木星的轴线仅倾斜3度——科学家们没想到木星的温度会在如此规律的周期中变化。

该研究还揭示了相距数千英里的地区的温度变化之间的神秘联系：随着北半球特定纬度的温度上升，它们在南半球的相同纬度下降 - 就像赤道上的镜像一样。

“这是最令人惊讶的，”美国宇航局喷气推进实验室高级研究科学家，该研究的主要作者格伦奥顿说。“我们发现温度在非常遥远的纬度上如何变化之间存在联系。这类似于我们在地球上看到的一种现象，一个地区的天气和气候模式会对其他地方的天气产生明显影响，而变化模式似乎在大气层中跨越很远的距离'远程连接'。

下一个挑战是找出导致这些周期性且看似同步的变化的原因。

“我们现在解决了难题的一部分，那就是大气显示出这些自然循环，”英国莱斯特大学的共同作者Leigh Fletcher说。“为了了解是什么驱动了这些模式以及为什么它们发生在这些特定的时间尺度上，我们需要探索云层的上方和下方。

一种可能的解释在赤道变得明显：研究作者发现，平流层较高的温度变化似乎以与对流层温度行为相反的模式上升和下降，这表明平流层的变化会影响对流层的变化，反之亦然。

数十年的观察

奥顿和他的同事于1978年开始了这项研究。在研究期间，他们每年会写几次提案，以赢得世界各地三台大型望远镜的观测时间：智利的甚大望远镜以及美国宇航局的红外望远镜设施和夏威夷Maunakea天文台的斯巴鲁望远镜。

在研究的前二十年里，奥顿和他的队友轮流前往这些天文台，收集温度信息，最终使他们能够将这些点连接起来。（到2000年代初，一些望远镜工作可以远程完成。

然后是困难的部分 - 结合来自几个望远镜和科学仪器的多年观测来寻找模式。与这些资深科学家一起进行长期研究的是几名本科实习生，他们在研究开始时都没有出生。他们是加利福尼亚州帕萨迪纳加州理工学院的学生;加利福尼亚州波莫纳的加州理工波莫纳;俄亥俄州哥伦布市的俄亥俄州立大学;和马萨诸塞州韦尔斯利的韦尔斯利学院。

科学家们希望这项研究能帮助他们最终能够预测木星上的天气，现在他们对木星有了更详细的了解。这项研究可能有助于气候建模，通过计算机模拟温度周期以及它们如何影响天气 - 不仅对木星，而且对我们太阳系内外的所有巨型行星。

“测量这些温度变化和周期随时间的变化是朝着最终获得全面的木星天气预报迈出的一步，如果我们能够将木星大气中的因果关系联系起来，”弗莱彻说。“更大的问题是，我们是否有朝一日可以将其扩展到其他巨型行星，看看是否会出现类似的模式。

原标题：《40年的研究发现木星温度的神秘模式》

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