按照我们的惯常理解，离太阳越近，行星温度越高，离太阳越远则行星温度越低，但这放在木星身上就说不通了。木星虽然距离太阳十分遥远，排在地球和火星的后面，但其实木星上层大气的温度能够达到400摄氏度，可以说是在持续“发烧”。

太阳系示意图，你知道哪个是木星吗？（图片来源：veer图库）

这个反常现象已经困扰学者们50年，而近日的一项研究终于找到了“幕后推手”，也为一直扑朔迷离的“木星能源危机”提供了答案。

木星小档案

先来认识一下以体型巨大而著称的木星。

木星是一个巨大的气态行星，质量是其他所有行星质量总和的2.5倍，主要成分是氢和氦。木星有众多卫星，其中木卫一到木卫四在晴朗的夜空可以用望远镜看到，下图就是笔者在荷兰德文格洛使用望远镜拍到的木星和它的三个卫星。

（图片来源：作者提供）

木星拥有太阳系最强的行星磁场，磁矩是地球磁场的大约18000倍。相比地球，木星距离太阳非常遥远，木星的轨道半长轴是5.204 AU，大约是日地距离的五倍。

“木星能源危机”，困扰人们五十年

直观来看，距离太阳更远的木星本应该比地球更冷，根据接受到太阳辐射的量来计算，木星上层大气的平均温度应该是大约负73摄氏度，然而实际的测量值却高于400摄氏度，这种不明原因的反常高温，被称作是木星的“能源危机”。当前地球面临的能源危机是可用能源接近枯竭，而与地球的能源危机不同的是，木星的能源危机是 “有能量（热能）却找不到来源”。

木星反常的高温已经困扰了人类五十年，在这期间，饱受困扰的学者们对这个过热的气态星球提出了诸多加热机制猜想，有学者认为是由于木星的超级风暴——木星大红斑导致的，因为根据测量，大红斑确实比周围都热。

学者们猜想，超级风暴在低层大气中会产生大量扰动，这些扰动以重力波和声波的形式向上传播，并在高层大气中耗散成为热能，加热高层大气。但是，这些猜测都无法给出木星全球加热的完整机制描述。

大红斑加热想象图（图片来源：NASA）

谱辐射强度，表明大红斑为高温区域（图片来源：Nature 536,190–192 (2016)）

被极光炙烤的木星大气

最近，莱斯特大学的J. O’Donoghue带领团队对木星进行了多仪器的联合观测，这次观测的主要结果来自于木星大气温度的高空间分辨率测量，团队使用了三台仪器：夏威夷Keck天文台——通过近红外谱望远镜观测三氢阳离子的发射谱，从而来测量温度；NASA的Juno航天器和日本JAXA的Hisaki卫星用于辅助观测磁场和木星的卫星“Io”（木卫一）。

下图是温度分布的观测结果，木星南北的极光区内出现高温分布，而从两极到赤道逐渐过度为相对低温，这表明了木星的极区是其高层大气内的主要热源，而且极区的热可以跨越全球传导到赤道区，加热整个木星高层大气。

木星温度分布（图片来源：Nature 596, 54–57 (2021)）

这也就是说，研究团队确认了木星异常高温的高层大气是被南北极的极光区加热的（划重点），解答了已困扰我们50年的木星高层大气异常高温之谜，目前这一成果已发表于Nature科学杂志。

木星极光背后的“火山月亮”

为什么木星的极光这么强？这就要问问木卫一了。

木星本身的结构特殊，作为一个巨大的气态行星，它拥有太阳系内最强的行星磁场，而且磁场内有一个非常活跃的卫星——木卫一（Io）。木卫一的轨道是偏心轨道，在不同轨道相位下的潮汐作用拉伸不同，使内部结构发生摩擦，引发活跃的地质活动，导致木卫一上形成几百个火山。

木卫一上的火山喷发物会在周围形成中性气体外逸层，气体原子和木星磁层中的电子质子等相互作用发生电离形成带电粒子，这些带电粒子在木星磁场中被加速成为高能带电粒子，部分高能带电粒子被约束在木星磁场中，帮助木星构建出比地球强千万倍的辐射带。下图描述了Io在木星磁场中产生高能带电粒子的过程。

木卫一Io，等离子体环，以及木星磁场（图片来源：Wikipedia : Io (moon)）

这些带电粒子沿着强磁场来到木星极区，进入木星大气，沉降后产生太阳系内最强极光，并释放大量能量，而这些能量就是木星表面异常高温的“能源”来源。

木星极光（图片来源：NASA）

同样有极光，地球的两级为什么这么冷

看到这里，你可能有疑问了——同样是行星极光，为什么地球的极光就没这么强大的能量呢？

本质区别就在于高能带电粒子的供给量不同，Io的火山和木星本身的超强磁场给木星磁层提供了稳定而且大量的高能带电粒子供给，而地球极光则来自于太阳风（编者注：指从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流）中的高能带电粒子注入，同时地球磁场也相对较弱，对于高能带电粒子向两极的输运能力不强，没有大量粒子被输运到两极。

所以地球极光强度远小于木星极光，无法显著地加热大气，对地球气候也没有显著影响，地球仍然是两极冷赤道热。

而地球磁场如果变强10倍，此时内禀磁场（编者注：行星内部自发发生、保持和改变的磁场）可以完全覆盖月球轨道，同时月球开始火山爆发，在地球辐射带注入大量带电粒子，那么地球的两极将出现巨亮的极光，加热效应就会导致两极比赤道更热。

国际空间站ISS上拍摄的地球极光（图片来源：NASA）

模型+观测，认识行星不为人知的一面

我们对于除了地球之外的行星知之甚少，主要原因就是距离太远，只能通过“观测+建模”的方式尝试描述遥远行星上发生的物理过程。

本文所描述的研究过程就是很好的一个例子，其实在之前的观测中，研究人员已经发现了木星的极光区是一个高温区，但当时的模型认为木星大气上的纬向环流使得热量被隔离在极区无法向赤道区传播，相比之下，大红斑反而更靠近赤道。而本文所述的联合观测，使用前所未有的分辨率（2度/像素），发现了热量没有被封闭在极区，而是从两极高温逐渐过渡到赤道低温。这一观测结果中发现了先前模型无法描述的现象，其实也就是对模型提出了改进方向。

一边是仪器随着技术发展能达到越来越高的分辨率，探测器可以飞得更远，甚至可以在一些行星上落地做原位探测。一边是通过收集并同化观测数据使模型更加完善，可以预测并描述仪器无法观测的角落。模型和观测可以说是我们深空探测，认识更多行星的两只眼睛，模型指导观测，观测完善模型。

“木星能源危机”有了答案，未来还有更多星星在等待着我们去不懈探索它不为人知的一面，你有什么困扰已久的宇宙之谜？欢迎在留言区表达你的好奇心！

参考文献：

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

作者：张沛锦

单位：中国科学技术大学

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