按照我們(men) 的慣常理解，離太陽越近，行星溫度越高，離太陽越遠則行星溫度越低，但這放在木星身上就說不通了。木星雖然距離太陽十分遙遠，排在地球和火星的後麵，但其實木星上層大氣的溫度能夠達到400攝氏度，可以說是在持續“發燒”。

太陽係示意圖，你知道哪個(ge) 是木星嗎？（圖片來源：veer圖庫）

這個(ge) 反常現象已經困擾學者們(men) 50年，而近日的一項研究終於(yu) 找到了“幕後推手”，也為(wei) 一直撲朔迷離的“木星能源危機”提供了答案。

木星小檔案

先來認識一下以體(ti) 型巨大而著稱的木星。

木星是一個(ge) 巨大的氣態行星，質量是其他所有行星質量總和的2.5倍，主要成分是氫和氦。木星有眾(zhong) 多衛星，其中木衛一到木衛四在晴朗的夜空可以用望遠鏡看到，下圖就是筆者在荷蘭(lan) 德文格洛使用望遠鏡拍到的木星和它的三個(ge) 衛星。

（圖片來源：作者提供）

木星擁有太陽係最強的行星磁場，磁矩是地球磁場的大約18000倍。相比地球，木星距離太陽非常遙遠，木星的軌道半長軸是5.204 AU，大約是日地距離的五倍。

“木星能源危機”，困擾人們(men) 五十年

直觀來看，距離太陽更遠的木星本應該比地球更冷，根據接受到太陽輻射的量來計算，木星上層大氣的平均溫度應該是大約負73攝氏度，然而實際的測量值卻高於(yu) 400攝氏度，這種不明原因的反常高溫，被稱作是木星的“能源危機”。當前地球麵臨(lin) 的能源危機是可用能源接近枯竭，而與(yu) 地球的能源危機不同的是，木星的能源危機是 “有能量（熱能）卻找不到來源”。

木星反常的高溫已經困擾了人類五十年，在這期間，飽受困擾的學者們(men) 對這個(ge) 過熱的氣態星球提出了諸多加熱機製猜想，有學者認為(wei) 是由於(yu) 木星的超級風暴——木星大紅斑導致的，因為(wei) 根據測量，大紅斑確實比周圍都熱。

學者們(men) 猜想，超級風暴在低層大氣中會(hui) 產(chan) 生大量擾動，這些擾動以重力波和聲波的形式向上傳(chuan) 播，並在高層大氣中耗散成為(wei) 熱能，加熱高層大氣。但是，這些猜測都無法給出木星全球加熱的完整機製描述。

大紅斑加熱想象圖（圖片來源：NASA）

譜輻射強度，表明大紅斑為(wei) 高溫區域（圖片來源：Nature 536,190–192 (2016)）

被極光炙烤的木星大氣

最近，萊斯特大學的J. O’Donoghue帶領團隊對木星進行了多儀(yi) 器的聯合觀測，這次觀測的主要結果來自於(yu) 木星大氣溫度的高空間分辨率測量，團隊使用了三台儀(yi) 器：夏威夷Keck天文台——通過近紅外譜望遠鏡觀測三氫陽離子的發射譜，從(cong) 而來測量溫度；NASA的Juno航天器和日本JAXA的Hisaki衛星用於(yu) 輔助觀測磁場和木星的衛星“Io”（木衛一）。

下圖是溫度分布的觀測結果，木星南北的極光區內(nei) 出現高溫分布，而從(cong) 兩(liang) 極到赤道逐漸過度為(wei) 相對低溫，這表明了木星的極區是其高層大氣內(nei) 的主要熱源，而且極區的熱可以跨越全球傳(chuan) 導到赤道區，加熱整個(ge) 木星高層大氣。

木星溫度分布（圖片來源：Nature 596, 54–57 (2021)）

這也就是說，研究團隊確認了木星異常高溫的高層大氣是被南北極的極光區加熱的（劃重點），解答了已困擾我們(men) 50年的木星高層大氣異常高溫之謎，目前這一成果已發表於(yu) Nature科學雜誌。

木星極光背後的“火山月亮”

為(wei) 什麽(me) 木星的極光這麽(me) 強？這就要問問木衛一了。

木星本身的結構特殊，作為(wei) 一個(ge) 巨大的氣態行星，它擁有太陽係內(nei) 最強的行星磁場，而且磁場內(nei) 有一個(ge) 非常活躍的衛星——木衛一（Io）。木衛一的軌道是偏心軌道，在不同軌道相位下的潮汐作用拉伸不同，使內(nei) 部結構發生摩擦，引發活躍的地質活動，導致木衛一上形成幾百個(ge) 火山。

木衛一上的火山噴發物會(hui) 在周圍形成中性氣體(ti) 外逸層，氣體(ti) 原子和木星磁層中的電子質子等相互作用發生電離形成帶電粒子，這些帶電粒子在木星磁場中被加速成為(wei) 高能帶電粒子，部分高能帶電粒子被約束在木星磁場中，幫助木星構建出比地球強千萬(wan) 倍的輻射帶。下圖描述了Io在木星磁場中產(chan) 生高能帶電粒子的過程。

木衛一Io，等離子體(ti) 環，以及木星磁場（圖片來源：Wikipedia : Io (moon)）

這些帶電粒子沿著強磁場來到木星極區，進入木星大氣，沉降後產(chan) 生太陽係內(nei) 最強極光，並釋放大量能量，而這些能量就是木星表麵異常高溫的“能源”來源。

木星極光（圖片來源：NASA）

同樣有極光，地球的兩(liang) 級為(wei) 什麽(me) 這麽(me) 冷

看到這裏，你可能有疑問了——同樣是行星極光，為(wei) 什麽(me) 地球的極光就沒這麽(me) 強大的能量呢？

本質區別就在於(yu) 高能帶電粒子的供給量不同，Io的火山和木星本身的超強磁場給木星磁層提供了穩定而且大量的高能帶電粒子供給，而地球極光則來自於(yu) 太陽風（編者注：指從(cong) 太陽上層大氣射出的超聲速等離子體(ti) 帶電粒子流）中的高能帶電粒子注入，同時地球磁場也相對較弱，對於(yu) 高能帶電粒子向兩(liang) 極的輸運能力不強，沒有大量粒子被輸運到兩(liang) 極。

所以地球極光強度遠小於(yu) 木星極光，無法顯著地加熱大氣，對地球氣候也沒有顯著影響，地球仍然是兩(liang) 極冷赤道熱。

而地球磁場如果變強10倍，此時內(nei) 稟磁場（編者注：行星內(nei) 部自發發生、保持和改變的磁場）可以完全覆蓋月球軌道，同時月球開始火山爆發，在地球輻射帶注入大量帶電粒子，那麽(me) 地球的兩(liang) 極將出現巨亮的極光，加熱效應就會(hui) 導致兩(liang) 極比赤道更熱。

國際空間站ISS上拍攝的地球極光（圖片來源：NASA）

模型+觀測，認識行星不為(wei) 人知的一麵

我們(men) 對於(yu) 除了地球之外的行星知之甚少，主要原因就是距離太遠，隻能通過“觀測+建模”的方式嚐試描述遙遠行星上發生的物理過程。

本文所描述的研究過程就是很好的一個(ge) 例子，其實在之前的觀測中，研究人員已經發現了木星的極光區是一個(ge) 高溫區，但當時的模型認為(wei) 木星大氣上的緯向環流使得熱量被隔離在極區無法向赤道區傳(chuan) 播，相比之下，大紅斑反而更靠近赤道。而本文所述的聯合觀測，使用前所未有的分辨率（2度/像素），發現了熱量沒有被封閉在極區，而是從(cong) 兩(liang) 極高溫逐漸過渡到赤道低溫。這一觀測結果中發現了先前模型無法描述的現象，其實也就是對模型提出了改進方向。

一邊是儀(yi) 器隨著技術發展能達到越來越高的分辨率，探測器可以飛得更遠，甚至可以在一些行星上落地做原位探測。一邊是通過收集並同化觀測數據使模型更加完善，可以預測並描述儀(yi) 器無法觀測的角落。模型和觀測可以說是我們(men) 深空探測，認識更多行星的兩(liang) 隻眼睛，模型指導觀測，觀測完善模型。

“木星能源危機”有了答案，未來還有更多星星在等待著我們(men) 去不懈探索它不為(wei) 人知的一麵，你有什麽(me) 困擾已久的宇宙之謎？歡迎在留言區表達你的好奇心！

參考文獻：

[1] O’Donoghue J, Moore L, Bhakyapaibul T, et al. Global upper-atmospheric heating on Jupiter by the polar aurorae[J]. Nature, 2021, 596(7870): 54-57.

[2] O’Donoghue J, Moore L, Stallard T S, et al. Heating of Jupiter’s upper atmosphere above the Great Red Spot[J]. Nature, 2016, 536(7615): 190-192.

[3] Lam H A, Achilleos N, Miller S, et al. A baseline spectroscopic study of the infrared auroras of Jupiter[J]. Icarus, 1997, 127(2): 379-393.

[4] Jupiter’s Great Red Spot Likely a Massive Heat Source ：NASA

[5]木星磁層https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere_of_Jupiter

作者：張沛錦

單位：中國科學技術大學

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