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    电学现象!天文学家在木星大气发现“精灵”

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      科学家说,NASA的朱诺任务首次在木星的云层探测到了“精灵”——地表上雷暴上空的电现象,它不似地球上红色的雷电,而是蓝色的。

      电学现象!天文学家在木星大气发现“精灵”

      艺术家们对于木星空气中闪电“精灵”的概念来自于朱诺飞船所获取的信息,朱诺飞船正在绕木星运动。科学家们相信,木星上的“精灵”有可能是蓝色的。图片来源于NASA/ JPL-Caltech/ SwRI.

      在木星大气的雷暴上空,闪电“精灵”转瞬即逝的瞬间爆发出巨大的电力。科学家们将此称之为瞬变光学事件或薄层电泳,这种现象很难被捕捉到,美得近乎诡异。不久之前,科学家们还在讨论这种现象在地球大气是否存在。现如今,地球存在这种自然现象已经得到了气象学家的证实,自然摄影师们也拍摄到过。NASA在太阳系最大的行星——木星上湍流的大气中首次发现了“精灵”,云盘状的光辉极速扩张,持续时间不到千分之一秒。

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      这些经过同行评审的成果,是由科学家们利用朱诺号的木星任务发现的,并于2020年10月27日在《地球物理研究:行星》期刊上发表。在美国天文学会行星科学部年会(DPS2020)期间举行的新闻发布会上,也公布了这一结果。

      科学家们曾提出理论,认为瞬变光学事件或称“精灵”,应该存在于木星的大气层中,但这是第一个证明它们确实存在的良好证据。他们是怎么找到这些证据的呢?

      除了在普通光线下拍摄图像,朱诺还用它的紫外线光谱仪(UVS)观测木星。2019年夏天,研究人员在研究这些图像时发现了一些有趣的东西:一条窄而明亮的紫外线条纹,这似乎是科学家们希望找到的,一颗“精灵”。

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      2020年4月10日朱诺号在木星南极附近的明亮闪光(圆圈处),被认为是瞬变光学事件或薄层电泳。图片来源:美国宇航局(NASA)/喷气推进实验室-加州理工(JPL-Caltech)/西南航空研究所(SwRI)。

      罗西尼·贾尔斯,是一名在西南研究所(SwRI)研究朱诺号的科学家,同时也是这项新研究的领头人。他在一份声明中说道:

      紫外线光谱仪(UVS)是专门设计用来反映木星美丽的南北极光的。但在木星的紫外线光谱仪图上,它不仅展现了木星的极光,而且还有一束明亮的紫外线闪光出现在我们没有想到的角落处。随着研究的深入,我们愈发意识到,朱诺号很有可能在木星上发现了一个转发器(TLE)。

      贾尔斯进一步解释道:

      将所有照片放在一起的时候,我们注意到,这些惊人的、短暂的、明亮的闪光并不常见。在统计了过去四年执行任务中的所有数据后,我们发现,11束亮光有着相似的性质。

      由于现在还处在发现的初期,科学家们还不知道木星上“精灵”的出现频率。但在目前,找到第一颗“精灵”已经是一个非常令人激动的发现了。在过去的几项研究中,有科学家已经对木星的“精灵”作出过预测。但迄今为止,这个发现是首次证明它们存在的直接证据。

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      斯蒂芬·哈默尔(Stephen Hummel)在西德克萨斯州的麦克唐纳天文台工作,他在2020年7月2日捕捉到了这只稍纵即逝的“闪电精灵”(又名“红色精灵”)。麦克唐纳天文台正在其所在地区率先发起一项“黑暗天空”计划。斯蒂芬评论道:“黑暗的天空能帮助你看到像‘精灵‘这样暗淡的物体。”谢谢你,斯蒂芬!

      电学现象!天文学家在木星大气发现“精灵”

      2015年,国际空间站的宇航员在美国上空的雷暴上方,看到了“红色精灵”。图片来源:NASA/ScienceAlert。

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      地球大气中不同类型的电现象,包括瞬变光学事件或薄层电泳(两种“精灵)。图片来源:Abestorbi。

      “朱诺”号探测到的“精灵”是在一个已知也会发生闪电的地区发现的。“朱诺”团队的科学家们认定这些新的闪电不是普通的闪电,因为它们是在木星闪电发生的海拔186英里(300公里)的地方发现的,在大气中的水云层之上。与地球上其他闪电不同的是,这些闪电也主要是氢排放。

      地球上的“精灵”看上去很奇特,有点像水母,有一个中心扩散的光环和长长的触须向下延展。它们往往出现在雷暴上空60英里(97公里)的地方,而且只持续几毫秒,比眨眼的时间还快,这就解释了为什么在飞行员开始报告它们之前,很少有人看到过它们。直到1989年,实验物理学家约翰·R·温克勒(JohnR.Winckler,1916-2001)在测试一台微光电视摄像机时拍摄到了一张照片。现在,你可以找到许多它们的照片,例如在太空气象网(SpaceWeather.com.

      地球上的“精灵”通常颜色偏红,但在木星上可能是不同的颜色。贾尔斯说:

      在地球上,“精灵”由于与上层大气中的氮相互作用而呈现出发红的颜色。但在木星上,高层大气主要由氢组成,所以它们可能会呈现蓝色或粉红色。

      当雷击产生高空准静电场时,就会产生瞬变光学事件。在其他情况下,雷击向上发射电磁脉冲,产生发光的圆盘,称为薄层电泳。

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      “朱诺”号也曾在木星上看到闪电,比如2018年5月24日的闪电(插图右下角的亮点)。彩色的椭圆形是北极附近的极光。图片来源:美国宇航局(NASA)/喷气推进实验室-加州理工(JPL-Caltech)/西南航空研究所(SwRI)。

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      从地面上看,“精灵”貌似并没有那么大,但它们可能有30英里(50公里)宽。《华盛顿邮报》首都天气组的马修·卡普奇(Matthew Cappucci)去年说过:

      “想象一下从巴尔的摩直到华盛顿特区的一次放电!”

      “朱诺”号此前也观测到木星上有闪电。闪电和“精灵”的发现凸显出木星的大气层在某些方面与地球相似,至少在视觉上是如此。然而,它的深度要大得多,而且更加动荡,它的长期风暴使我们这个星球上所见过的任何风暴都相形见绌。木星风暴主要由氢和氦组成。

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      木星上的闪电袭击也更为强大,尽管不那么频繁。闪电大多数都出现在木星带和西面急流附近,在木星的两极也发现了一些,这使得木星成为除地球之外唯一一个观测到极地闪电的行星。与地球上的雷暴一样,木星的闪电与它的大风暴密切相关。

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      这项新研究的主要作者,来自西南航空研究所(SwRI)的罗西妮·吉尔斯(Rohini Giles)。图片来源:罗西妮·吉尔斯(Rohini Giles)。

      在木星上首次发现“精灵”是令人兴奋的,科学家们还将继续寻找更多的“精灵”,正如吉尔斯所说:

      “朱诺号每次执行科学任务时,我们都会继续寻找更多’精灵’的蛛丝马迹。既然我们知道要寻找什么,那么在木星和其他行星上就更容易找到它们了。将来自木星的’精灵’与地球上的’精灵’进行比较,将有助于我们更好地了解行星大气中的电活动。”

      小结:地球雷暴上空的电现象“精灵”,现已首次在木星上被发现!

      作者 Paul Scott Anderson

      FY:Astronomical volunteer team

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