「朱諾號」進入木星軌道，解開行星隱藏的秘密

木星大氣層是太陽系內最大的行星大氣層。根據美國國家航空航天局（NASA）無人太空船朱諾號（Juno）觀測，木星劇烈擾動、充滿氣體的大氣層厚達3000公里（1,865英里），占這顆行星總質量的1/100，比科學家先前所想的更加厚實。

據報道，2011年8月，美國宇航局（NASA）發射了朱諾號木星探測器。去年夏天，朱諾號終於進入環繞木星的軌道。朱諾，是羅馬神話中天神朱庇特的妻子。朱庇特施展法力用雲霧遮住自己，但是朱諾卻能看透這些雲霧，了解朱庇特的真面目。探測器取名朱諾號，也是想借用其寓意，解開木星這顆雲遮霧繞的氣態巨行星隱藏的秘密。

不過，最近一篇發表於美國《國家科學院院刊》的論文批評了今年3月發表在《自然》雜誌上的一篇論文。後者認為木星大氣層有3000公里，而前者認為這還不能成為定論。想看透木星，似乎沒那麼容易。

為解決歷史爭議朱諾號出發了

透過望遠鏡看過木星的人，都會對木星表面美麗的條紋結構感到驚嘆。其實，這份美麗來得十分猛烈。橫掃木星的大氣環流持久而強勁，風速比地球上可將大樹連根拔起的十級風還要猛烈5倍。

她的美麗為何這麼猛烈？美麗的外表下又掩藏著什麼？探索雲霧下的面孔，是人類的好奇，也是朱諾號的使命。

早在朱諾號誕生之前，天文學家關於木星的內部結構便爭論不休。一些人認為木星的大氣層非常厚，另一些則認為木星的大氣層像地球一樣只有薄薄的一層。為了給這一爭議畫上句號，朱諾號出發了。

木星表面的風暴受到底層大氣環流的影響。要了解表面風暴的形成原因，就要了解深部的大氣環流情況。

可是，木星內部和深部的情況，是無法通過對木星表面的遙感探測看到的。聰明的科學家想到了用探測器的飛行軌道數據，獲得木星的引力場數據，從而尋找木星大氣環流的影響因素。

『朱諾號』在木星上空飛行的時候，會受到木星引力的牽引。如果內部的密度高、引力大，航天器的軌道就會降低一點；如果內部的密度低、引力小，航天器軌道就會抬升一點。鄭永春說。

有了這些數據，科學家直接把數據放入已經預先研究好的反演方程里，就萬事大吉了，可是……

數據有了但問題並沒有解決

如今，朱諾號環繞木星飛了近一年，數據也傳回來不少。可是，關於新的研究成果，科學家們又起了爭議。

今年3月，《自然》雜誌發表了朱諾號飛船科學組成員、以色列魏茨曼科學研究所研究員Yohai Kaspi等人對木星大氣環流結構的建模反演成果。他們認為，木星的大氣環流可以深入其表面以下3000公里左右，約佔木星質量的百分之一。

相比之下，地球的大氣層還不到地球總質量的百萬分之一。木星有如此巨大的區域在不同的東西波段旋轉，這是一個驚喜。Kaspi曾表示。

如果無誤，這一結果確實是一個巨大的驚喜，因為它表明木星的氣象層比之前猜測的要深得多。而這也直接表明朱諾號解決了歷史上關於木星結構的爭議。

可是，這個結果引來了新的爭議。

這項研究提出的環流模型缺乏數學物理意義，採用的反演途徑不符合流體力學原理，所得結論的可靠性和科學性存在顯著的缺陷。中科院上海天文台行星物理與磁流體力學課題組研究員孔大力說。

孔大力和英國埃克塞特大學教授張可可等科學家擔心，關於3000公里的研究定論很可能會直接誤導人們對木星的認識，並影響此後以該結論為依據的科研工作。

於是，最近他們在美國《國家科學院院刊》上發表論文，指出了Kaspi等人的觀點與方法存在的問題，並強調朱諾號並沒有解決關於木星環流結構的謎題。

誰的方程更合理

這個結果並不新，也不令人驚訝。看到美國《國家科學院院刊》上的論文後，Kaspi在接受《中國科學報》記者採訪時說，他的團隊和新論文團隊之間的爭議，已經持續了3年。

這3年來，雙方爭議的焦點之一是一個名為熱成風方程（TWE）的反演模型。

這個方程表示的是流體的運動和密度變化之間的聯繫。與岩石行星地球不同，木星是氣態行星，引力與流體的運動和密度之間存在聯繫。正因如此，熱成風方程成為從木星引力場數據反演木星內部結構的一把鑰匙。

『熱成風方程』原本是用於研究地球大氣運動的一個流體力學模型。由於地球大氣只有薄薄的一層，方程中忽略了大氣本身的自引力，而木星是氣態行星，大氣本身的引力不能忽略，所以不能把熱成風方程直接用在木星上。孔大力說。

2015年，張可可、孔大力等人就曾在《天體物理學雜誌》上發表論文，提出了熱量—引力成風方程（TGWE），並認為必須使用這個方程估算大型氣態行星中大氣環流的密度擾動。

然而，Kaspi告訴記者：並沒有所謂的『熱量—引力成風方程』，這只是張可可等人發明出以示與我們不同的東西。

他表示，他們之所以不使用熱量—引力成風方程，是因為完整的熱成風方程需要在現用方程的基礎上增加5個術語，而熱量—引力成風方程只在熱成風方程基礎上增加了5個術語中的一個，所以並不準確。

各說各理接下來該怎麼辦

對於這項爭議，鄭永春在接受《中國科學報》採訪時表示，一方認為自己提出的模型可以解釋木星的引力場和環流運動，另一方覺得模型還不夠好，需要完善，這一情況在科研領域其實並不偶然。

在科學發展的過程中，對觀測到的事實，科學家會先提出一個理論模型來解釋。但隨著觀測越來越全面深入，這個理論模型會受到很多條件的約束，需要不斷完善理論模型，或是推翻。理論模型是否可靠，取決於我們可以得到什麼樣的證據來支持、完善或推翻這個模型。鄭永春說。

他表示，目前的爭議與朱諾號探測精度仍然不夠高有關。將來可以用一種新型的探測技術，得到更精細的木星引力場。引力場的數據越準確，關於木星內部環流的理論模型就越可能接近真實情況，對木星風暴的形成原因的理解就越準確。

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