木星大气层

         

木星大气层

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木星大气层是太阳系内最大的行星大气层 ，主要由和太阳的比例大致相同的氢分子和氦构成，其他的化学成分，包括甲烷、氨、硫化氢和水只有很少的数量。水被认为存在于大气层的深处，所以被观测到的数值偏低。氧、氮、硫和惰性气体的丰度大约是太阳的三倍。

目录

气层简介

木星的大气层缺乏一个很明显的低层界限，并且逐渐转变成为行星内部的流体。从最低处到最高处，大气的层次为对流层、平流层、增温层和散逸层，各层有各自的温度梯度特征。最底层的对流层有复杂的云雾组成的系统，并且呈现朦胧状，包括数层的氨、硫化氢氨和水。上层的氨云是可见的木星表面，组织成12道平行于赤道的带状云，并且被称为喷射气流的强大带状气流（风）分隔着。这些交替的云气有着不同颜色：暗的云气称为带（belt），而亮的云气称为区（zone）。区的温度比带低，是上升的气流，而带是下降的气体。较浅颜色的区被认为是由氨冰形成的，但形成颜色较深的带的物质则尚未确知。这些带状结构和喷流的起源也还未被了解，不过已存在两种解释的模型。浅滩模型（shallow model） 认为它们是覆盖在稳定的内部结构上的表面现象。深层模型（deep model）认为带和喷流是被组织成一定数量的圆柱体，是深入至深层木星地函的氢分子循环显示在木星的表面 。 木星的大气层显示广泛的活动现象，包括不稳定的带状物、旋涡（气旋和反气旋）、风暴和闪电。旋涡自身会呈现巨大的红色、白色或棕色的斑点（长圆形），最大的两个斑点是大红斑（GRS）和也是红色的BA椭圆。这两个和许多其他的大斑点都是反气旋，较小的反气旋倾向于白色，旋涡被认为深度不会超过数百公里，相对来说是较浅的结构。位于南半球的大红斑，是太阳系中已知最大的旋涡，它可以容下数个地球，并且已经至少存在了300年。BA椭圆在大红斑的南边，大小是大红斑的三分之一，是在2000年由3个白色的椭圆合并形成的红斑。

木星有威力强大、经常伴着闪电的风暴。风暴是潮湿的大气对流造成水的蒸发和结露造成的结果。他们是强大上升气流的启动源，形成明亮和浓厚的云层。风暴主要形成在带的区域。木星上有少数的闪电远比地球的更具威力，但是平均的活动水平只是可以和地球上的不相上下

垂直构造

参考了地球大气层的结构，随着高度的增加，木星的大气层被分为四个层次：对流层、平流层、增温层和散逸层。不同于地球的大气层，木星欠缺中气层。木星没有固体的表面，大气最底层的对流层，平稳的转换进入行星的流体内部。这是温度和压力在氢和氦的临界点之上造成的结果，意味着气体和液体的相位之间没有明确的界限存在。

由于大气层的底层界限无法确定，一般将压力为10巴之处，视为对流层的最低处，约位于压力为1巴之下约90公里处，温度大约是340K。在科学文献中，将大气压力为1巴之处做为高度为0的木星"表面" [2]。如同地球一样，大气层的最高处，外逸层的顶端，也没有明确的界限。密度梯度逐渐降低，直到平稳的转入星际物质之中，这大约是在"表面"上5000公里的高度。

木星大气层的垂直温度变化与地球大气层相似，对流层的温度随着高度降低，直到抵达对流层顶温度也到达最低值，对流层顶是对流层和平流层的交界处。在木星，对流层顶大约在可见的云层（或1大气压之处）之上50公里，该处的气压是0.1巴，温度110K。在平流层，当转折至增温层时温度已上升至约200K，高度大约是320公里，压力为1微巴。在增温层，温度继续上升，大约在1,000公里高处温度高达1000K，该处的压力大约为1纳巴。

木星的对流层有一个复杂的云系结构。可见的云层，位于气压在0.7–1.0巴，是氨冰构成的，在氨冰云之下，是硫化氢氨或硫化氨构成的云（压力介于1.5–3巴），还有水（3–7巴）也可能存在。因为温度太高，该处没有甲烷构成的云，水汽构成的云是最密集的，并且对大气动力学有最强的影响。这是水相对于氨和氢化硫，比较之下有较高的凝结热和水的高丰度结果（氧气是比氮和硫更为丰富的化学元素）。雾层主要位于对流层（0.2巴）和平流层（10毫巴）之间的主云层之上，后者被认为是由浓缩的重多环芳香烃或联氨组成的，并是甲烷受到太阳紫外线辐射（UV）影响出现在同温层的上层。甲烷的丰度相对于氢分子大约是10，同时其它的碳氢化合物的丰度，像乙烷和以炔，相对于氢分子大约是10.。

木星的热成层位于压力低于1微巴之处，能展现气辉现象、极区的极光和X射线的辐射。在它的内部还有数层电子和离子数量增高的电离层。热成层内盛行的高温（800–1000K）迄今还未能完全解释；而现有模型预测的温度不会超过400K。它们也许是吸收了高能的太阳辐射（UV或X射线）造成的，通过陷入木星磁层的带电粒子加热，或是消耗引力波孳生的散逸。爱因斯坦卫星在1983年观测到热成层和外逸层在极区和低纬度辐射出X射线[24]。来自磁层的高能粒子创造出环绕着极轴的明亮椭圆形极光。不同于地球的极光只出现在发生磁暴的时期，木星大气层中的极光是永久的点。热成层是在地球之外最早被发现有三氢正离子（H3）的地方。这种离子在强烈的中红外线(波长在3和5μm之间)辐射下生成，并且是热成层致冷的主要机制。

化学成分

木星大气层的成分整体上与行星相似，因为伽利略号的大气探针在1995年12月7日曾深入木星的大气层内，因此是气体巨星中被了解得最多的。其他关于木星大气成份的资料来源还有红外线太空天文台（ISO）、伽利略和卡西尼轨道船，以及地基的天文台。

木星的大气中最主要的两种成分是氢分子（H2）和氦。氦气的丰度相对于氢分子的摩尔数是 0.157 ± 0.0036，而在质量上的分率是0.234 ± 0.005，略低于太阳系原始的比值。丰度较低的原因还没有完全的了解，但氢的比率稍高，可能是有些氦凝聚进入了木星的核心。大气层中也包含了几种简单的化合物，像是水、甲烷 （CH4）、硫化氢（H2S）、氨（NH3）和磷化氢（PH3）， 它们在对流层深处（低于10巴）的丰度暗示在木星的大气有丰富的碳、氮、硫还可能有氧。与太阳的数值相比，比率为2–4倍；惰性气体氩、氪和氙的丰度看上去比太阳丰富（参见表），氖是缺乏的，其它的化合物，像是砷（AsH3）和甲锗烷（GeH4）的量仅是可以被检测出来。木星大气层的上部包含少量简单的碳氢化合物，例如乙烷、乙炔和联乙炔（丁二炔），这些都是甲烷受到来自太阳的紫外线照射和木星磁层的带电粒子影响产生的。当前存在于大气层上部的二氧化碳、一氧化碳和水则被认为是彗星撞击所带来的，像是SL-9。水不可能来自对流层，因为对流层顶的寒冷像一个冷凝管，有效的防止了水从对流层上升至平流层（参考上段的垂直构造）。

研究进展

风力机器人勘测

美国宇航局工程师正在研制“风力机器人”，这些机器人能够飘浮在木星大气层，从风力中获得能量，驱动机器人完成勘测任务。工程师们正在设计“风力机器人”，它们能够长时间停留在木星大气层。美国宇航局希望一款新类型机器人勘测分析木星和土星大气层，这种气态巨行星没有固体表面，飞行器无法实现着陆。未来风力机器人将在激流大气层中穿梭飞行，从风力中获得能量穿过木星大气层。美国宇航局喷气推进实验室项目负责人艾德里安·斯托伊卡博士负责研制风力机器人，他说：“它如同一颗蒲公英种子，能够飘浮在空中，风力机器人下降时能够旋转，从而形成一种浮力，允许它在空中飞行很长时间。”斯托伊卡指出，木星激流大气层将为风力机器人提供动力，就像运动手表一样。目前，研究小组计划建造一个机器人模型，测试它在木星大气层环境中的承受能力。他们认为，风力机器人可用于研究地球的恶劣气候现象

人工模拟

作为太阳系内最大的行星，木星很可能是首颗环绕太阳的气体灰尘行星，关于它过去历史的重要信息将是揭晓包括地球在内其它系内行星早期历史和结构形成的关键线索。但是木星却紧紧保守着大气层的秘密，木星辐射带阻挡了提供低大气层详细状况的低频射电波，此次朱诺航天器将绕道避开辐射带克服观测上的障碍。当朱诺航天器抵达木星，它的微波探测仪(MWR)将深度研究行星大气层，其6个波段微波将穿透木星大气层(5000公里以上的厚度)。

这将使航天器探测返回关于不同高度大气层的详细信息。但是没有对比参照，即使朱诺航天器勘测到大气层的信息，也无法进行破译解释。目前，科学家对木星大气层进行了模拟，模拟实验主要使用的是一个加压炉，炉内气体处于特定的温度和压力下，科学家能够测量朱诺航天器预计记录木星的不同状况信息。美国乔治亚理工学院的保罗·斯特费斯(PaulSteffes)说：“在这个模拟器中，我们可以混合不同‘处方’成份来模拟木星大气层。”斯特费斯和同事模拟了5000多种不同气体，通过改变温度和压力使其更接近于木星大气层中可能发现的气体。每一种潜在信息将备案记录下来，当朱诺航天器开始传送木星大气云层的详细资料时，科学家将把模拟状况信息与航天器观测数据进行匹配，从而鉴别木星不同区域的大气组成成份。这项模拟实验已帮助科学家鉴别出其它行星的大气层。斯特费斯说：“我们的研究结果已用于解释卡西尼探测器对土星的射电观测信息，甚至包括更早期航天器仪器的观测数据，比如：对天王星和海王星进行观测的‘旅行者号’星际探测器