木星大氣層

在2017年4月拍摄的真彩色照片]]
木星的大氣層是太陽系內最大的行星大氣層，主要由和太陽的比例大致相当的氢气和氦气構成，其他包括甲烷、氨、硫化氫和水等化学成分丰度极低。由于水被观测到的含量较少，因此通常被认为只存在于大气层深处。氧、氮、硫和惰性氣體的豐度约为太陽的三倍。

木星的大气层缺乏明确的下边界，它的下层逐渐变化为行星内部的液体。朱诺号最近的观测表明，木星的雷击发生在水云的高度（3-7巴）以上，其中，下落的液态氨水滴与冰粒之间的摩擦形成的电离可能会产生高空闪电。

垂直構造
之處，視為對流層的最低處，約位於壓力為1巴之下約90公里處，溫度大約是340K。密度梯度逐漸降低，直到平穩的轉入星際物質之中，這大約是在“表面”上5000公里的高度。

木星大氣層的垂直溫度變化與地球大氣層相似，對流層的溫度隨著高度降低，直到抵達對流層頂溫度也到達最低值。在增溫層，溫度繼續上升，大約在1,000公里高處溫度高達1000K，該處的壓力大約為1纳巴。因為溫度太高，該處沒有甲烷構成的雲。雾层主要位于对流层（0.2巴）和平流层（10毫巴）之间的主云层之上，後者被認為是由濃縮的重多環芳香烴或聯氨組成的，並是甲烷受到太陽紫外線輻射（UV）影響出現在同溫層的上層。甲烷的豐度相對於氫分子大約是10−4。在它的內部還有數層電子和離子數量增高的電離層；而現有模型預測的溫度不會超過400K。愛因斯坦衛星在1983年觀測到熱成層和外逸層在極區和低緯度輻射出X射線。來自磁層的高能粒子創造出環繞著極軸的明亮橢圓形極光。不同於地球的極光只出現在發生磁暴的時期，木星大氣層中的極光是永久的點。其他關於木星大氣成份的資料來源還有紅外線太空天文台（ISO），以及地基的天文台。

木星的大氣中最主要的兩種成分是氫分子（）和氦。大氣層中也包含了幾種簡單的化合物，像是水、甲烷（CH4）、硫化氫（H2S）、氨（NH3）和磷化氫（PH3）。

區、帶和噴流
可見的木星表面被劃分成與赤道平行的一定數量帶狀區域，它們有兩種類型：色彩明亮的稱為區（zones），相較之下較暗的稱為帶（belts）。寬闊的赤道區 (EZ)大約從南緯7°S至北緯7°N，在它的南方與北方分別是相對伸展至18°S的南赤道帶（SEB）和伸展至18°N的北赤道帶（NEB），再遠一些的是南熱帶區（STrZ）和北熱帶區（NTrZ），但是這種基本的區和帶的結構很可能一直延生到極點，至少也發展到南北緯80度的地區。區的對流層上層溫度較低，而帶的較溫暖。但赤道區是例外，它有著強烈的向東氣流（順行），並且在赤道的風速是該區域中的最低值。在木星上的噴流有很高的速度，可以達到並超過100m/s。

木星帶狀結構的起源仍不是完全的清楚，最簡單的解釋是區是大氣湧升流的場所，帶是沉降流的場所，但是帶的顏色和強度會隨著時間不斷的改變（見下文）。

特別的帶
劃分木星大氣層的每一條區和帶都有自己專屬的名稱和獨特的特徵。它們起始於南北極之下的地區，延伸至大約40–48° N/S，這些淺藍灰色的地區通常都很平淡。

北溫帶和其他低緯度的地區從地球上都很容易看見，因而有豐富的觀測紀錄。它也有與行星同方向的強烈順行噴流—在南部的邊界形成向西的氣流，並做為與北溫帶（NTB）的分界。

北赤道帶（NEB）是木星上最活躍的一塊區域，它的特徵是有反氣旋的白色橢圓型和氣旋的彩船（就是所知的"棕色橢圓"），而前者形成的位置通常較後者偏北；如同在NTropZ，這些特徵大多數的生命期都不長。也像南赤道帶（SEB）一樣，NEB有時會戲劇性的變淡和回復，這種變化的時間尺度大約是25年。

赤道區（EZ）是木星在緯度上和活動上都比較穩定的區域之一。EZ的北緣有來自NEB拖曳向西南方的壯觀卷流，它們有黑暗的邊緣，溫暖的（紅外線）特點，並以色彩著稱（熱點），相對於其它的緯度，EZ的移動速度大約是390km/h。

南熱帶的區域包括南赤道帶（SEB）和南熱帶區（STZ），它顯然是木星上最活躍的區域，因為它是最強的逆行噴流的家。SEB是木星上最寬闊和最暗淡的環帶，它有時會分裂出南赤道帶區（SEBZ），並且在回復的週期中整個會變暗。SEB的另一個特徵是跟隨著大紅斑的一長串列氣旋擾動。相似於NTropZ，STropZ是木星上最突出的一個區域，不僅是因為它包含了大紅斑，偶爾還被南熱帶干擾撕裂，這個分裂的區域可以有很長的生命期，最著名的一次是從1901年至1939年。

南溫帶的區域，或是南溫帶（STB），也是一個黑暗和明顯的帶，更甚於NTB；直到2000年3月，此處最著名的特徵是長期存在的白色長圓形BC、DE、和FA，之後它們合併成長圓形BA（小紅斑）。這個長圓形實際上是南溫帶區（STZ）的一部分，但它延伸並且有部分侵入至南溫帶帶（STB）。

在木星上還有一些特徵是暫時的，或是從地球上難以觀測到的。南南溫帶地區比NNTR更難以分辨；它的細節是微弱的，只能透過大望遠鏡或太空船去研究。許多的區和帶在短時間的變化，在本質上並不是都能被觀測到。這包括赤道帶（EB）、北赤道帶區（NEBZ，在帶中的白色區）、南赤道帶區（SEBZ）。帶也可能突然的受到干擾而分裂，當干擾造成一個帶或區分裂時，會加上N或S來區分是發生在該區的南方或北方，例如NEB(N)和NEB(S) 。

動力學
木星的大氣環流很明顯的與地球大氣層不同。木星內部是流體並且缺乏固體的表面，因此，對流可以發生在木星外面的分子殼層中。迄2008年，有關木星大氣層的完整理論尚未發展出來，而無論那一種理論都必須解釋下列的事實：存在的狹窄穩定帶和噴射氣流對稱於木星的赤道、在赤道觀察到強烈的順行噴射氣流、區和帶的不同、還有像大紅斑這種巨大旋渦的起源。因為這兩種理論都有它們自己成功和失敗的地方，許多的行星科學家認真的認為實際的理論應該包含這兩種理論的元素。

淺灘模型
建立木星大氣動力學的嘗試最早可以追溯至1960年代，它們部分是依據在當時已經高度發達的地球氣象學。此種淺灘模型假設木星的噴射氣流從小尺度的亂流開始發展，是由大氣外層潮濕的對流維護著（在含水的雲層之上）。潮濕的對流和水的結露與蒸發現象有關，並且是地球天氣的主要驅動者。噴射氣流的產生在這個模型與二維的動盪有關，並且是知名的產物—即所謂的逆向小瀑布，使得小的亂流結構（漩渦）合併成為更巨大的。行星有限的大小意味著這些小瀑布不能造成大於某一個典型尺度的結構，在木星上的稱為萊茵斯尺度。他的存在可以連結到洛士貝波。這種程序工作如下：當最大的亂流結構達到某一大小時，能量開始流入洛士貝波而不是更大的結構，並使逆向小瀑布停止。因為在球狀迅速旋轉行星上的色散關係，洛士貝波是反氣旋，萊茵斯尺度在平行於赤道的方向上大於垂直赤道的方向，多層版本能更為詳盡的闡述天氣–多層模型導致更加穩定的環流，但許多問題依然存在。在這期間，伽利略探測器發現木星的風確實能深入水蒸氣的雲層之下，延伸至5–7巴，並且未顯示任何衰減的抵達22巴氣壓的層面，這些暗示了木星的大氣環流也許實際上是深層的，他的模型根據流體力學中另一個知名的特點，泰勒-卜羅曼定理（泰卜定理，）。他依據任何快速自轉的正壓理想流體，流程被組織與加入參與一系列與旋轉軸平行的圓柱，理論的條件大概和木星內部契合。所以木星的分子氫地函也許被劃分成一定數量的圓柱筒，每個圓柱的環流都獨立於其他的圓柱，那些高度，圓柱的外面和內部的邊界相交於行星可見表面對應於噴射氣流，而圓柱本身就是觀測所見的區或帶。

深層模型很容易解釋在木星赤道觀察到的強大且與天體做同方向運行的噴射氣流；它產生的噴射氣流是穩定的，並且不違背二維穩定的準則。對深層環流的驅動是另一個問題，事實上，深層的流動可以來自淺層的力（例如潮濕的對流）和深入行星（木星）內部的熱傳送廣泛對流這兩者，木星輻射出來的能量比接收自太陽的更多，估計從這顆行星輻射出來的能量與從太陽吸收的能量比率是。來自木星內部的熱通量是，輻射的總能量是，後者的數值相當於太陽輻射總能量的十億分之一。這多餘的熱量主要來自於木星形成初期殘餘的原始熱量，但可能有部分來自於猛然落入核心的氦雨。

內熱對木星大氣層的大氣動力學可能是很重要的。木星的自轉軸有大約3°的小傾斜，並且極區接受到的太陽輻射遠低於赤道地區，而對流層在赤道和極區的溫度沒有可察覺的改變。一種解釋是，木星的對流使內部像一個恆溫器，在極區釋放出的熱量比赤道多，導致對流層中的溫度是均勻的，而熱從赤道輸送到極區，在地球主要是經過大氣層，但在木星是深層的對流平衡熱。在木星內部的對流被認為主要是由內熱驅動的。

個別的特徵
旋渦
以紅外線看見的木星大氣層。]]
木星大氣層是數百個旋渦的家—轉動的圓結構，如同在地球的大氣層，可以分成兩類：氣旋和反氣旋，前者的轉動方向與行星轉動的方向一致（在北半球是逆時針方向，在南半球是順時針方向），而後者—在相反的方向。而與地球大氣層主要的不同是，在木星的大氣層，反氣旋主控並超越氣旋，直徑超過2000公里的旋渦90%以上都是反氣旋。旋渦的生命期從幾天到上百年，與它們的大小有關，例如，直徑從1000至6000公里的旋渦，生命期在1–3年。在木星的赤道區域（緯度10°以內）未曾觀測到旋渦，因為在那兒的氣旋是不穩定的，在任何快速自轉的行星上，木星上的反氣旋是高壓中心，而氣旋是低氣壓。

在木星大氣層的反氣旋永遠都被限制在區內，而風的速度從赤道向極區逐漸增加。然而，木星有兩個與眾不同的反氣旋，它們是大紅斑（GRS）和長圓形BA；後者是在2000年才形成的。與白色長圓形對比，這個構造的顏色是紅色的，引起爭議的是紅色的物質是否來自木星的深處。這些斑紋稱為氣旋區（CR）。這些氣旋都位在帶內，當它們相互接近時也有合併的傾向，這與反氣旋非常相似，或14個木星日。它的直徑是東西長24–40,000公里，和南北寬12–14,000公里，大到足以放進2-3個地球。在2004年初，大紅斑在經度的方向上只有一個世紀前的一半大小，而之前它的直徑是40,000公里，若以目前的速率繼續縮減，它在2040年將變成圓形，但是由於鄰近噴射氣流的畸變作用，這是不太可能發生的事。我們不知道大紅斑會持續存在多久，或者是否是波動變化的正常結果。

紅外線的長期資料顯示大紅斑在這顆行星上比其它雲彩更大且更冷（也意味著，高度較高），大紅斑的雲頂大約在周圍的雲層之上8km，而且，仔細的追蹤大氣中的特徵，回溯至1966年—，顯露了大紅斑是逆時鐘旋轉的，並且從航海家飛掠時拍攝的第一部微速攝影的影片獲得證實。這個斑點在空間中的位置由一個在它南方溫和的東向噴射氣流（順行）和在它北方的一個非常強的西向氣流（逆行）限制著，可是環繞大紅斑邊緣的風的尖峰速度大約是120米/秒（430公里/小时），內部的流動似乎是停滯的，只有少許的流入或流出。斑點的自轉速度隨著時間在減緩，或許是他的大小穩定減少的直接結果。
在觀測上，大紅斑的緯度是非常穩定的，典型的變化只在1度的範圍內變動。但是，它的經度卻是恆定的在變化著，因為木星在不同緯度上的轉速是不同的，天文學家為不同的緯度定義了三個系統。系統II用在緯度超過10°之處，是依據大紅斑的平均轉速9小时55分42秒為基準定義的。儘管如此，在19世紀初期，大紅斑至少有10次"領先"系統II，它的飄移速率多年來有著顯著的變化，並且曾與明亮的南赤道帶連結在一起，在南熱帶的干擾下出現或消失。

還不是很確實的知道大紅斑呈現紅色的原因，實驗室的實驗支持的理論假設顏色是由複雜的有機分子，像是紅磷或其它的硫化物造成的。大紅斑的顏色也有巨大的變化，從紅磚的紅色到蒼白鮭魚紅，甚至是白色。斑點偶爾會"消失"，但都出現在陷入南赤道帶時，顯然是因為紅斑的凹陷造成。紅斑與南赤道帶結合時會明顯可見，當赤道帶是明亮的白色時，斑點氫向於暗色；而黑暗時，斑點通常是明亮的。斑點黑暗或明亮的變化並沒有規則的周期性，例如在1997年之前的50年當中，在1961–66, 1968–75, 1989–90, and 1992–93，大紅斑都是黑暗的。

大紅斑不可以和卡西尼-惠更斯號太空船在2000年經過時在木星的北極觀察到的大黑斑混淆。並且要注意在海王星也有一個稱為大黑斑的特徵，後者是航海家2號在1989年發現的影像，並且比較像是大氣層的一個大氣孔而不是風暴，而且在1994年以後就不存在了（雖然在北半球又曾經出現一個相似的斑點）。

椭圆形BA
長圓形BA是對木星南半球與大紅斑相似，但小於大紅斑的一個紅色風暴的官方正式名稱，相對的，它常被稱為"紅斑Jr,"、"紅Jr."或"小紅斑"。這個特徵存在於南溫帶，長圓形BA在2000年的3個白色小風暴碰撞之後，首度被看見，並且從那時起開始增強.。

經過合併而形成長圓形BA的3個小風暴可以追溯至1939年，當時南溫帶黑暗的特徵有效的分裂成三個狹長部分，木星觀測者Elmer J. Reese將它們標誌為AB、CD和EF三個黑暗區域。裂口擴張、收縮，將STZ的剩餘部份形成白色長圓形FA、BC和DE。長圓形BC和DE在1998年合併形成長圓形BE，然後在2000年3月，BE和FA合併在一起，成為長圓形BA，在2006年2月24日，菲律賓的業餘天文學家克里斯托弗發現了顏色的變化，注意到它有如大紅斑一樣的陰暗。

在2006年4月，有一組天文學家經由哈伯太空望遠鏡的觀測，相信長圓形AB會在當年內與大紅斑合併。這兩個風暴大約每二年會相互通過一次，但是在2002年和2004年都沒有導致任何的激發。戈達德太空飛行中心的艾咪西蒙-米勒博士預測在2006年7月4日是兩者最接近的時刻。

長圓形BA轉變成紅色的原因仍未被了解。依據巴斯克地區大學的聖地牙哥Pérez-Hoyos在2008年的研究，最可能的機制也許是"高能的太陽光子與長圓形BA上層的的一種有色化合物或塗層的作用，向上和向內擴散的結果"。

根據哈伯太空望遠鏡在2007年的觀測，顯示長圓形BA比過去更為強大，風速達到618公里/小时;，與大紅斑內部的相同，並且比它起源的任何一個風暴強勁。

在2008年7月，它的大小與地球相似—大約是大紅斑的一半大。它在2008年的6月底至7月初與大紅斑遭遇，先被切割成碎片，然後成為大紅斑的一份子。在這遭遇的時刻，長圓形BA也在附近，但在小紅斑被破壞時，他並未扮演任何明顯的角色。與旋渦對比，風暴是短時間的現象，最強的也只能存在幾個月，而平均的生命期只有3–4天。木星上雷擊的威力平均上比地球強大，但是它們的頻率不如地球，閃電釋放的能量也如同地球上集中在一些特定的區域。

每15–17年，木星會發生令人興奮、特別強而有力的風暴。它們出現在23°N的緯度上，該處有最強的東向噴射氣流。最近一次發生此種風暴的時間是2007年的3–6月。

擾動
帶和區的正常模式經常會在一段時期受到擾動，一個特殊的狀況是南熱帶長期的變暗，通常指的是"南熱帶擾動"（STD）。長期的南熱帶擾動歷史紀錄始於1901年，持續到1939年，第一次的紀錄是Percy B. Molesworth在1901年2月28日完成的，它通常使明亮的南熱帶變暗做為結束。之後，在南熱帶幾個相似類型的擾動也被記錄了下來。

觀測的歷史
*的木星微速攝影序列。]]
早期的天文學家，使用小望遠鏡並以自己的眼睛當成偵測器，記錄所見到的木星大氣層變化。其他的名詞，像是渦度、垂直運動、雲高等，也在20世紀被後繼的使用者加入。

伽利略的大氣探測器，在被扔入木星之後，測量了深入至22帕的風、溫度、組成、雲和輻射，但是望遠鏡和太空船不能偵測到在1帕之下的大氣，卡西尼的斑點從1665年至1713年，在可見光的波段下斷斷續續的被觀測著。

現在展示在梵蒂岡的一片大約是1700年的Donato Creti帆布上，有著涉及木星上班點的小奧秘。它是一系列描繪不同被放大的星空部份版畫的一部份，是義大利人在各種各樣場合作為背景的場景；所有的這些都是在天文學家Eustachio Manfredi監督下創造的，具有一定的正確性。Creti的繪畫是最早知道對大紅斑是紅色的描述。在1800年後期之前，不再有對木星大紅斑的正式描述。

白長圓形（White ovals）
演變成長圓形BA的白長圓形是在1939年形成的，在它們形成之後的短時間內，在經度上幾乎涵蓋了90度的範圍，但是在第一個十年內就迅速的縮減；在1965年之後穩定在10度或更小的範圍。雖然它們起源於STZ的一個段落，但發展到最後卻完全埋置於南溫帶（STB）內，顯示它們向北移動並且在適當的位置"挖掘"進入南溫帶。實際上，非常像大紅斑，它們的循環由兩股相對的噴射氣流限制住了它們的南邊和北邊的界限，一個東向的氣流在它們的北邊，和一個逆向的西向氣流在它們的南邊。白長圓形整體的漂移速度趨向是減速的，在1940年至1990年之間，速度已經減退了一半。

當航海家飛越時，這個長圓形由東向西延伸的長度大約是9000公里，從南至北大約5000公里，每5天自轉一圈（當時大紅斑每6天自轉一圈）。

相關條目

• 伽利略號大氣層探測
• 朱諾號探測器

註解
尺度高sh的定義是,此處是氣體常數，，是木星大氣的平均摩爾質量；T是溫度，和，是在木星表面的重力加速度。當溫度從對流層頂的110 K上升至熱成層的，高度尺度可以假設為從15至150 km。
有各種各樣的解釋被提議來說明碳、氧氣、氮氣和其他元素的過剩，主流的說法認為是木星在吸積期間的後期，累積了大量冰冷的星子（微行星）獲得的。揮發性和惰性氣體被認為是陷在水冰的含水籠形物之內。

參考文献
引文來源
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*

延伸讀物
*
*
*
*