11.3: 巨型行星的大气层

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 讨论巨型行星的大气成分
• 描述天然气巨头的云层形成和大气结构
• 描述巨型行星的风和天气模式
• 了解巨型行星上风暴的规模和寿命

木星行星的大气层是我们可以直接观测或测量的部分。 由于这些行星没有固体表面，因此它们的大气层比陆地行星更能代表它们的一般成分。 这些大气层还为我们提供了太阳系中天气模式的一些最引人注目的例子。 正如我们将看到的，这些行星上的风暴可能比整个地球的风暴还要大。

大气成分

当阳光从巨型行星的大气层反射出来时，大气中的气体会在光谱中留下 “指纹”。 木星行星的光谱观测始于十九世纪，但很长一段时间以来，天文学家无法解释他们观测到的光谱。 直到 20 世纪 30 年代，这些光谱中拍摄的最突出的特征仍未确定。 然后，更好的光谱显示木星和土星的大气层中存在甲烷（CH ₄）和氨（NH ₃）分子。

起初，天文学家认为甲烷和氨可能是这些大气的主要成分，但现在我们知道氢气和氦气实际上是主要气体。 之所以出现混乱，是因为氢气和氦气都不具有可见光谱中容易检测到的光谱特征。 直到旅行者号航天器测量了木星和土星的远红外光谱后，才找到了难以捉摸的氦气的可靠丰度。

这两个大气层的组成通常相似，唯一的不同是土星上氦气的沉淀是土星内部能量来源的氦气沉淀导致的氦气减少了。 1995年，伽利略入境探测器在木星上对成分进行了最精确的测量；因此，我们对木星大气中某些元素丰度的了解甚至比我们对太阳中某些元素的了解还要多。

詹姆斯·范艾伦：他手下有几颗行星

物理学家詹姆斯·范·艾伦的职业生涯跨越了太空时代的诞生和成长，他在太空时代的发展中发挥了重要作用。 范艾伦于 1914 年出生于爱荷华州，获得爱荷华大学博士学位。 然后，他在多家研究机构工作，并在第二次世界大战期间在海军服役。

战后，范艾伦（图\(\PageIndex{1}\)）被任命为爱荷华大学物理学教授。 他和他的合作者开始使用火箭探索地球外层大气中的宇宙辐射。 为了达到极高的高度，范艾伦设计了一种技术，即气球升起然后发射一枚小型火箭（火箭被昵称为 “岩石”）。

图：\(\PageIndex{1}\)詹姆斯·范·艾伦（1914—2006 年）。 在这张 20 世纪 50 年代的照片中，范·艾伦拿着 “rockoon”。

在1950年的一个晚上，范艾伦和几位同事在晚餐时提出了国际地球物理年（IGY）的想法，这是世界各地科学家协调他们对地球物理学的研究，尤其是在高海拔地区进行的研究的机会。 1955年，美国和苏联各自承诺在IGY期间发射一颗绕地球轨道运行的卫星，这场竞赛开始了后来被称为太空竞赛。 IGY（延长 18 个月）发生在 1957 年 7 月至 1958 年 12 月之间。

1957 年 10 月，苏联发射了 Sputnik 1，赢得了比赛的第一圈。 美国政府激励其科学家和工程师做出更大的努力，将某些东西送入太空，以维持国家的声望。 但是，美国的主要卫星计划Vanguard遇到了困难：其早期发射的每一次都坠毁或爆炸。 同时，由火箭工程师和科学家组成的第二组正在悄悄地研发一种名为Jupiter-C的军用运载火箭。 范艾伦率先设计了这辆飞行器将携带的小型卫星上的仪器。 1958 年 1 月 31 日，范艾伦的 Explorer 1 号成为美国第一颗进入太空的卫星。

与Sputnik不同，Explorer 1配备了对大气层上方高能带电粒子进行科学测量的设备。 范艾伦和他的团队在地球周围发现了一条高电荷粒子带，这些带现在以他的名字命名。 太空计划的首次科学发现使范艾伦的名字在世界范围内广为人知。

范艾伦和他的同事继续使用日益复杂的航天器测量行星周围的磁和粒子环境，包括先锋10号和11号，它们对木星和土星的环境进行了探索性调查。 一些科学家将这些行星周围的带电粒子区也称为范艾伦带。 （有一次，当范艾伦在亚利桑那大学讲课时，行星科学的研究生问他是否愿意把腰带留在学校。 现在，它被自豪地展示为大学的 “范艾伦腰带”。）

范艾伦是太空科学的坚定支持者，也是美国科学界雄辩的高级发言人，他警告美国宇航局不要将所有精力都投入到载人航天上，还要使用机器人航天器作为太空探索的生产工具。

云和大气结构

木星的云彩（图\(\PageIndex{2}\)）是太阳系中最壮观的景点之一，深受科幻电影制作人的喜爱。 它们的颜色从白色到橙色再到红色再到棕色不等，在不断变化的图案万花筒中旋转和扭曲。 土星显示出相似但更为柔和的云层活动；它的云层不是鲜艳的色彩，而是几乎均匀的奶油糖色调（图\(\PageIndex{3}\)），

想象一下\(\PageIndex{3}\)木星的彩色云彩。木星上云层的鲜艳色彩给天文学家带来了一个难题：考虑到凉爽的温度和近 90% 的氢气成分，大气层应该是无色的。 一种假设表明，五颜六色的氢化合物可能从温暖的地区升起。 实际颜色稍微柔一些，如图所示\(11.1.1\)。

不同的气体在不同的温度下冻结。 在木星和土星高层大气的温度和压力下，甲烷仍然是一种气体，但氨可以凝结并冻结。 （同样，水蒸气在地球大气层的高处凝结，产生冰晶云。） 我们在这些行星周围看到的主要云层，无论是来自航天器还是通过望远镜，都是由冷冻的氨晶体组成的。 氨云标志着行星对流层的上缘；上面是平流层，这是大气中最冷的部分。 （这些层最初在地球上被定义为行星。）

图五年的\(\PageIndex{4}\)土星。 这些美丽的土星图像是哈勃太空望远镜在1996年至2000年间记录的。 由于土星倾斜27°，我们可以看到土星环绕赤道的方向随着行星沿其轨道移动而变化。 注意大气中的水平带。

图中的图表\(\PageIndex{5}\)显示了所有四颗木星行星的大气层结构和云层。 在木星和土星上，云顶附近的温度约为140 K（仅比火星的极帽低一点）。 在木星上，这种云层的压力约为0.1巴（地球表面大气压力的十分之一），但在土星上，它出现在大气层的较低位置，约为1巴。 因为氨云在土星上要深得多，所以更难看见，而且行星的整体外观比木星的外观要空白得多。

图木星行星\(\PageIndex{5}\)的大气结构。 在每张图中，黄线显示温度（参见底部的刻度）如何随海拔变化而变化（参见左边的刻度）。 还显示了每个行星上主层的位置。

在这些行星的对流层中，温度和压力都会随着深度的增加而增加。 通过氨云的突破，我们可以看到在大气层这些更深的区域中可能形成的其他云层的诱人景象，这些区域是由落入地球的伽利略探测器直接为木星采样的。

当它下降到5巴的压力时，探测器应该进入冰冻的水云区域，然后在该区域之下进入液态水滴云，可能与陆地对流层的普通云相似。 至少这是科学家所期望的。 但是探测器没有看到水云，它测得的大气中水蒸气的丰度低得惊人。 伽利略科学家很快意识到，该探测器恰好降落在大气中一个异常干燥、无云的区域，一个巨大的凉爽干燥气体向下气流。 伽利略团队成员加州理工学院的安德鲁·英格索尔称这个入口地点为木星的 “沙漠”。 遗憾的是，探测器没有进入更具代表性的区域，但这是宇宙抽奖的运气。 该探测器继续在22巴的压力下进行测量，但在仪器停止工作之前没有发现其他云层。 它还探测到了雷暴，但只能在很远的距离内探测到，这进一步表明探测器本身位于天气晴朗的区域。

在木星大气层中可见的氨云上方，我们发现了清澈的平流层，其最低温度接近120 K。在更高的海拔地区，温度会再次升高，就像在地球高层大气中一样，因为这里的分子会吸收来自太阳的紫外线。 云彩是由杂质引起的，杂质是大气气体之间在我们称之为光化学的过程中发生化学反应的产物。 在木星的高层大气中，光化学反应会产生各种相当复杂的氢气和碳化合物，这些化合物在远高于可见云层的地方形成一层薄薄的烟雾。 我们在图中将这种烟雾显示为模糊的橙色区域\(\PageIndex{5}\)；但是，这个薄层并不能阻挡我们对它下方云层的视线。

土星的可见大气层由大约 75% 的氢气和 25% 的氦气组成，还有微量的甲烷、乙烷、丙烷和其他碳氢化合物。 整体结构与木星相似。 但是，由于土星的地表重力较低，温度稍微冷一些，大气层的延伸程度更高。 因此，这些图层被拉伸了更长的距离，如图所示\(\PageIndex{5}\)。 但是，总体而言，土星上应该存在我们在木星上看到的相同的大气区域、凝结云和光化学反应（图\(\PageIndex{6}\)）。

图：土星上的\(\PageIndex{6}\)云结构。 在这张卡西尼号图像中，色彩得到了增强，因此我们可以看到大气中的波段、区域和风暴。 暗带是地球上环的阴影。 （来源：NASA/JPL-Caltech/太空科学研究所）

土星有一种异常的云结构令科学家们感到困惑：围绕北极的六角波浪图案，如图所示\(\PageIndex{7}\)。 六边形的六边各长于地球的直径。 土星的风速也非常高，在赤道附近测得的速度高达每小时 1800 千米。

图土星北极上的六\(\PageIndex{7}\)角形图案。 在这张来自卡西尼号飞行任务的红外夜间图像中，当地球的北极从冬天的黑暗中浮现出来时，土星六角喷气流的路径显而易见。

在这段简短的美国宇航局视频中，观看色彩夸张的土星六边形的图像。

与木星和土星不同，从紫外线到红外线的波长范围内，天王星几乎完全没有特征（参见照片章节中相当无聊的图像）。 计算表明，天王星的基本大气结构应与木星和土星相似，尽管其上层云层（在1巴压力水平下）是由甲烷而不是氨组成的。 但是，没有内部热源会抑制上下移动，从而形成一个非常稳定的大气层，几乎没有可见的结构。

海王星在外观上与天王星不同，尽管它们的基本大气温度相似。 上层云层由甲烷组成，甲烷在对流层顶部附近形成薄薄的云层，温度为70 K，压力为1.5巴。 该水平以上的大多数大气层都是清澈透明的，雾霾比天王星上的雾霾少。 气体分子散射阳光使海王星呈现出与地球大气相似的淡蓝色（图\(\PageIndex{8}\)）。 另一个可能由硫化氢冰粒组成的云层存在于甲烷云下方，压力为3巴。

图：\(\PageIndex{8}\)海王星。 这里可以看到海王星行星，正如 Voyager 在 1989 年拍摄的那样。 计算机处理夸张的蓝色是由太阳光在地球高层大气中的散射引起的。

与天王星不同，海王星的大气层中，对流电流（气体的垂直气流）从内部发出，由地球的内部热源提供动力。 这些海流将温气带到1.5巴的云层以上，在海拔约75千米处形成额外的云层。 这些高海拔的云层与下面的蓝色星球形成明亮的白色图案。 旅行者在甲烷云顶上拍摄了明显的阴影，从而可以计算出高云的高度。 人物\(\PageIndex{9}\)是海王星外层的非凡特写镜头，是不可能从地球上获得的。

图海王星大气中的\(\PageIndex{9}\)高云。 这些明亮而狭窄的卷云是由甲烷冰晶组成的。 从它们投射在下面较厚的云层上的阴影中，我们可以测出它们比主云高约75千米。

风和天气

木星行星的大气层有许多高压（空气较多）和低压（空气较少的地方）的区域。 就像在地球上一样，空气在这些区域之间流动，形成风向，然后被行星的旋转所扭曲。 通过观察木星上不断变化的云层模式，我们可以测量风速并跟踪其大气的环流情况。

我们在这些行星上看到的大气运动与地球行星上的运动有根本的不同。 巨人旋转得更快，它们的快速旋转往往会从环流中涂抹成平行于赤道的水平（东西向）图案。 此外，大气层之下没有固体表面可以使环流模式摩擦和失去能量（这就是地球上的热带风暴在陆地上空时最终消失的方式）。

正如我们所看到的，在除天王星以外的所有巨人身上，来自内部的热量为大气提供的能量与来自外部的阳光差不多。 这意味着上升的热空气和下降的冷空气的深对流电流沿垂直方向在行星的大气层中循环。

木星可见云的主要特征（例如\(\PageIndex{3}\)，参见图\(11.1.1\)和图）是在与赤道平行的地球上交替延伸的暗带和浅色波段。 这些乐队是半永久性的特征，尽管它们的强度和位置每年都在变化。 与木星轴线的微小倾斜度一致，该模式不会随季节而变化。

比这些波段更基本的是大气中潜在的东西向风模式，即使在几十年中，这种模式似乎也根本没有改变。 这些如图所示\(\PageIndex{10}\)，该图显示了巨型行星在每个纬度的风有多强。 在木星赤道，喷气流以大约每秒 90 米（每小时 300 千米）的速度向东流动，与地球高层大气中喷气流的速度相似。 在较高的纬度地区，交替出现向东和向西移动的溪流，每个半球都是另一个半球的近乎完美的镜像。 正如我们前面指出的那样，土星显示出类似的模式，但赤道喷气流要强得多。

巨型行星上的人物\(\PageIndex{10}\)风。 这张照片比较了巨型行星的风，说明了风速（显示在水平轴上）和风向随纬度（在垂直轴上显示）而变化。 风是相对于行星内部旋转速度测量的。 正速度意味着风向与行星内部旋转的方向相同，但速度快于行星内部旋转。 负速度意味着风速比行星内部旋转的速度慢。 请注意，土星的风比其他行星的风移动得更快。

木星上的光区是上升流的空气区域，被白色氨卷云覆盖。 它们显然代表了向上移动的对流电流的顶部。 ¹ 较暗的带是较冷的大气向下移动，完成对流循环的区域；它们之所以较暗，是因为氨云较少意味着我们可以看到更深的大气层，也许可以看到硫氢化铵（NH ₄ SH）云的区域。 伽利略探测器采样了这些干向下气流中最清晰的气流之一。

尽管天王星的轴线倾斜98度会引发奇怪的季节，但天王星的基本环流与赤道平行，木星和土星也是如此。 大气的质量及其储存热量的能力是如此之大，以至于交替出现的42年阳光和黑暗几乎没有影响。 实际上，Voyager的测量结果表明，黑暗的冬季的大气温度甚至比面向太阳的半球高出几度。 这再次表明，如此巨大的行星大气层的行为是一个我们尚未完全理解的复杂问题。

海王星的天气以强劲的东西向风为特征，通常与在木星和土星上观测到的风相似。 赤道附近的最高风速达到每小时 2100 千米，甚至高于土星的峰值风速。 海王星赤道喷气流实际上接近超音速的速度（比海王星空中的声速快）。

巨型行星上的巨型风暴

在我们刚才描述的常规大气环流模式之上，叠加了许多局部干扰，借用我们在地球上使用的术语，天气系统或风暴。 其中最突出的是木星（图\(\PageIndex{11}\)）和海王星上椭圆形的大型高压区域。

人物木星上的\(\PageIndex{11}\)风暴。 木星风暴的两个例子说明了使用增强的色彩和对比度来展现微弱的特征。 (a) 木星大红点下方和左侧的三场椭圆形白色风暴非常活跃，在1994年至1995年的七个月时间里，它们之间的距离越来越近。 (b) 正如哈勃太空望远镜2007年的这张照片所示，木星的云层是湍流的，不断变化。

木星最大和最著名的风暴是大红点，这是南半球的一个红色椭圆形，变化缓慢；1979 年 Voyager 抵达时，它长 25,000 公里，但到 2000 年伽利略任务结束时已缩小到 20,000 公里（图\(\PageIndex{12}\)）。 自从300多年前天文学家在望远镜发明后首次能够观测到木星的大气层以来，这场巨型风暴就一直持续存在于木星的大气中。 但是，它继续萎缩，这使人们猜测我们可能会在几十年内看到它的终结。

人物\(\PageIndex{12}\)木星的大红点。 这是木星上最大的风暴系统，如旅行者号航天器飞越期间所见。 红点的下方和右侧是一个白色椭圆形，它们具有相似但较小的高压特征。 白色椭圆形大致相当于地球的大小，让你感受到我们所看到的天气模式的巨大规模。 这里的木星图像上的颜色有些夸张，因此天文学家（和天文学学生）可以更有效地研究它们的差异。 参见图，\(11.1.1\)更好地了解你的眼睛在木星附近实际看到的颜色。

除了寿命长，红点与陆地风暴的不同之处在于它是一个高压区域；在我们的星球上，这种风暴是压力较低的区域。 红点逆时针旋转的周期为六天。 20 世纪 30 年代，木星上形成了三次相似但规模较小的扰动（大约和地球一样大）。 它们看起来像白色椭圆形，在图中大红点的下方和右侧可以清楚地看到一个椭圆形\(\PageIndex{12}\)。 1998 年，伽利略航天器目睹其中两个椭圆形碰撞并合并为一个。

我们不知道是什么原因导致了大红点或白色椭圆形，但我们确实知道它们一旦形成怎么能持续这么长时间。 在地球上，大型海洋飓风或台风的寿命通常为几个星期，当它在各大洲上空移动并与陆地发生摩擦时，其寿命甚至更短。 木星没有固体表面可以减缓大气干扰；此外，扰动的巨大规模为它们提供了稳定性。 我们可以计算出，在一个没有固体表面的行星上，像红点这样大的任何东西的寿命都应该用几个世纪来测量，而白色椭圆的寿命应该以十年为单位来测量，这几乎是我们所观察到的。

尽管海王星的体积较小，云层构成也不同，但旅行者表明它的大气特征与木星的大红点出人意料地相似。 海王星的大暗点长近 10,000 千米（图\(\PageIndex{8}\)）。 在这两颗行星上，在南纬20度形成的巨型风暴具有相同的形状，占据了行星直径的比例大致相同。 Great Dark Spot 的轮换周期为 17 天，而 Great Red Spot 的轮换周期约为 6 天。 但是，当哈勃太空望远镜在20世纪90年代中期检查海王星时，天文学家在他们的图像上找不到大暗点的痕迹。

尽管木星上天气的许多细节尚不清楚，但很明显，如果你喜欢恶劣的天气，那么这些世界是值得一看的地方。 我们研究这些大气中的特征，不仅因为它们必须教会我们关于木星行星状况的知识，还因为我们希望它们能帮助我们更好地了解地球上的天气。

示例\(\PageIndex{1}\)

环形风暴系统中的风速在地球和巨型行星上都可能非常强大。 想想我们的大型陆地飓风。 如果你在气象站显示的卫星图像中观察他们的行为，你会发现它们需要大约一天才能旋转。 如果风暴的直径为 400 km 并在 24 小时内旋转一次，那么风速是多少？

解决方案

速度等于距离除以时间。 在这种情况下，距离是周长（\(2 \pi R\)或\(\pi d\)），约为 1250 km，时间为 24 h，因此风暴边缘的速度约为 52 km/h。朝向风暴中心，风速可能要高得多。

练习\(\PageIndex{1}\)

木星的大红点在 6 天内旋转，其周长相当于半径为 10,000 千米的圆圈。 计算该地点外缘的风速。

回答

对于木星的大红点，周长 (\(2 \pi R\)) 约为 63,000 千米。 六 d 等于 144 小时，表示速度约为 436 km/h。这比地球上的风速快得多。

关键概念和摘要

四颗巨型行星的大气层大致相似，主要由氢气和氦气组成。 它们的大气中含有少量的甲烷和氨气，两者也会凝结形成云层。 更深（看不见）的云层包括水，可能还有硫氢化铵（木星和土星）和硫化氢（海王星）。 在高层大气中，碳氢化合物和其他微量化合物是由光化学产生的。 我们不知道究竟是什么原因导致了木星云中的颜色。 巨型行星上的大气运动以东西向环流为主。 木星显示最活跃的云图案，其次是海王星。 尽管土星的风速极高，但总体上还是平淡无奇的，天王星没有特征（可能是因为它缺乏内部热源）。 在一些行星大气层中可以发现大型风暴（椭圆形的高压系统，例如木星上的大红点和海王星上的大暗点）。

脚注

¹ 回想一下前面的章节，对流是一个过程，在这个过程中，从地下加热的液体会有热物质上升而较冷的物质下降的区域。 如果你在炉灶上加热燕麦片或者看味噌汤煮沸，你可以看到对流在起作用。

词汇表

光化学

电磁辐射引起的化学变化