木星闪电有多强？最新研究显示可能是地球最强闪电的百万倍|地球|大气层|太阳系|木星|系外行星|闪电

一场持续数月的“隐形超级风暴”，揭示了这颗巨大行星的秘密

当闪电划破天空时，地球上最强的“超级闪电”已足以让人敬畏。但在木星上，闪电的威力可能是地球上最强闪电的100倍，甚至可能达到100万倍。

一项最新研究揭示了这颗太阳系最大行星上闪电的真实威力。

在这张木星北极附近漩涡的照片中，NASA的朱诺号任务观察到一道闪电发出的光芒。

图源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

通过对NASA朱诺号探测器数据的深入分析，科学家们得以穿透木星厚密的云层，首次精确测量其闪电的强度。

木星闪电：被云层掩盖的真相

木星，这颗太阳系中的“巨人”，拥有与之匹配的巨型风暴系统，其中一些风暴甚至持续了数个世纪。几乎每一艘飞越木星的探测器都在这颗行星的夜面探测到了闪电现象。

然而，此前的研究基于只能探测到最强暗面闪光的任务，认为木星闪电与地球上最强的“超级闪电”相当。这个认知在2016年NASA朱诺号探测器进入木星轨道后被彻底颠覆，朱诺号的星敏感器相机（ star-tracking camera ）灵敏度足够高，探测到了大量与地球闪电强度相当的微弱闪光。

研究主要作者、加州大学伯克利分校的行星科学家迈克尔·黄解释说，问题在于，木星夜面成像面临一个巨大的挑战：云层会遮挡闪电的视野，这使得估算闪电的真实强度变得异常困难。

破解“隐形超级风暴”之谜

在这项新研究中，科学家们采用了全新的方法。他们没有依赖光学成像，而是分析了朱诺号核心仪器探测到的木星闪电射电辐射。这种方法不受云层遮挡的影响，能够更精确地测量闪电的真实功率。

研究人员面临的挑战是，木星常常同时经历多场风暴，这些风暴分布在环绕行星的带状区域中。这使得确定朱诺号探测到的闪电具体来自哪场风暴变得异常困难。黄将这个问题比作“在春节游行中听到一连串爆裂声，却不知道是几英尺外的爆米花在炸，还是一个街区外的鞭炮在响”。

2021年9月的哈勃太空望远镜观测显示，北赤道带（NEB）完全没有对流活动。而在其他年份，北赤道带内的小型对流风暴则数量众多（粉色三角形所示）。2020年，北纬23°处曾爆发一场真正的超级风暴（蓝色三角形所示），随后演变为多个羽流（Sánchez-Lavega等人，2023年）。北赤道带的范围约为行星图纬度7°至17°N（Fletcher等人，2016年；Rogers，1995年），这一范围基于风急流的位置（右侧黑色曲线，粉色速度刻度线表示-50至200米/秒的速度范围，Wong等人，2020年）。北赤道带在行星中心纬度坐标系（图2-7所使用的坐标系）中的范围约为6°至15.5°N。红/绿/蓝彩色合成图像分别使用了F631N、F502N和F395N滤光片的数据构建。本图改编自Simon和Wong（2024年）的研究成果。

转机出现在2021年和2022年。木星北赤道带的风暴活动出现了一段间歇期，这让科学家们得以将注意力集中在单个大型风暴上。他们结合NASA哈勃空间望远镜、朱诺号和业余天文学家的图像，精确定位了这些风暴的位置。

迈克尔·黄将这些风暴称为“隐形超级风暴”。与木星真正的超级风暴类似，它们的活动持续了数月，但与真正的超级风暴不同，它们的云塔只达到了适中的高度。

朱诺号足够接近其中四场隐形超级风暴，得以分析它们闪电产生的微波。在飞越过程中，探测器探测到的闪电平均每秒三次。通过对613次闪电脉冲的测量，科学家计算出它们的功率范围从与地球闪电相当到地球闪电的100倍以上。

科学家们谨慎表示，由于他们是在不同射电波长上比较地球和木星的闪电辐射，估算存在不确定性。木星的闪电实际威力可能是地球闪电的100万倍。

为什么木星闪电如此强大？

木星的闪电不仅本身引人注目，还能帮助解释其大气层和风暴的运行机制。与地球类似，木星也经历着对流，将热量从下方输送上来的搅动过程。

迈克尔·黄解释说，木星的对流机制与地球不同。地球大气以氮气为主，氮气比水重，因此潮湿空气比干燥空气更具浮力。相比之下，木星大气以氢气为主，潮湿空气反而更重，更难上升。

这意味着木星上的风暴需要更多能量才能上升，如果成功到达大气层顶部，就会释放出更多能量，导致高风速和强烈的闪电。

研究人员认为，木星闪电的产生机制很可能与地球相似：上升的水蒸气在更高、更冷的海拔凝结成液滴和冰晶，从而带电。然而，为什么木星闪电会更强大仍然是一个未解之谜。

迈克尔·黄在一份声明中提出疑问：“关键差异在于氢大气层与氮大气层，还是木星上的风暴更高，因此涉及的距离更大？”。木星的风暴高度超过100公里，而地球的风暴高度仅约10公里。

“还是因为木星上的湿对流能够获得更多能量，在产生风暴引发闪电之前，需要积累更多的热量？”

这些问题的答案，仍有待科学家们进一步探索。这项研究已于3月20日发表在《AGU Advances》期刊上。