大气|“祝融”号火星照来了，外星天气如何？专家详细解答_星球|闪电|火星|木星|祝融|土卫

北京日报客户端6月22日消息，是无趣人类最后的避难所” 。但是这位诗人一定没有想到， 100多年后的今天，各种极端“天气”的奇异程度早已超乎人们想象，因为它们已经不局限于地球上的天气。
很多读者会好奇，包括火星在内的外星球上，都是什么样的景象，都有哪些千奇百怪的外星“天气”？形成原因又是什么？今天我们邀请中国科学院文献情报中心“空间光电与重大科研设施”团队情报咨询师郭世杰，和读者做些详细介绍。

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木星风暴想象图
类地行星：火星大气稀薄却有沙尘暴
问：能否介绍一下太阳系行星中类地行星的“天气”情况？
答：人类进入太空时代的近几十年，我们得以发射航天器实地探测其他星球的天气状况，以及将天气的成因同行星的起源和演化相互联系起来，从基础物理的层面上，去理解不同星球上千奇百怪的环境。不仅如此， 20世纪90年代以来，几千颗系外行星（即太阳系之外的行星）不断被发现，关于行星和行星大气的观测数据爆炸式增长，人类对外星天气的认知也在短短几十年间不断刷新和丰富。可以说， “外星天气”这一主题真正迎来了有实质性数据支撑、可以进行客观分析和验证的大发展时期。并且，人类很可能在不远的将来踏上外星土地，实地去感受“外星天气” 。
一颗星球上的天气表现如何，取决于这颗星球本身的成分和其所处的物理环境。
太阳系的八大行星中，水星、金星、地球、火星都是类地行星。它们距离太阳近，体积和质量都较小，平均密度较大，表面温度较高，大小与地球差不多，也都是由岩石构成的。
距离太阳最近的水星本身质量小，因此无法提供足够强的万有引力“留住”大气，此外又接受太阳风的近距离“吹拂” ，所以其大气层极其稀薄，不可能产生地球上的常见天气现象；又正因为缺乏大气层的“保温效果” ，所以水星上的温度变化十分剧烈，夜间和白天的赤道温度可以从-170℃上升到430℃左右。
距离太阳第二近的金星大气非常浓密，其中有超过96%的成分是二氧化碳，导致金星的温室效应十分严重，地表温度达460℃以上。

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金星表面想象图
距离太阳第四近的火星（地球是第三近的行星）自转轴倾角、自转周期与地球相近，但其绕太阳公转的轨道是非常“扁”的椭圆，使其在近日点和远日点之间的温差达到约160℃ 。此外，火星比地球更小，没有海洋作为温度调节器，冬季温度可达-133℃ ，夏季温度可达27℃ 。
火星的磁场仅来源于其表面磁化的地壳，所以非常微弱，无法阻挡太阳风不断地侵蚀其表面大气。现在火星的大气层非常稀薄，主要由二氧化碳组成，大气密度不到地球的1% 。
虽然火星大气稀薄，但丝毫不平静。火星的风速可达每秒180米，经常形成席卷整个火星、持续数周的大规模沙尘暴。
从“祝融”号火星车拍摄的照片我们可以看出，火星的天空看上去有些接近地球上严重沙尘暴时的天空景象，另外还略带了一些与火星土壤颜色相近的暗红色调。另据我国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥介绍，天问一号实施火星着陆时，火星的天气状况较好，没有出现沙尘暴等情况，可谓“天遂人愿” 。
【大气|“祝融”号火星照来了，外星天气如何？专家详细解答】

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“祝融”号火星车拍摄的火星影像图
气态巨行星：木星上也有雷击闪电
问：太阳系行星中气态巨行星的“天气”情况又是怎样？
答：从火星轨道向外，依次是木星、土星，这两颗行星均属于“气态巨行星” ，体积是地球的700倍以上，万有引力也远比地球大，主要成分都是氢元素。因为缺乏固体地表提供“摩擦减速作用” ，作为气态行星又有密度低、自转速度快、具有流体可变性等特点，这两颗星球上的风暴尺度之大、速度之快均超过人们想象，著名的木星“大红斑”就是尺度足够容纳两个地球的超级大风暴。从某种意义上来说，地球上常用的气象概念已经不足以描述这种星球上的天气现象了。
据英国诺丁汉特伦特大学物理高级讲师伊恩·惠塔克介绍， 1979年美国“旅行者”1号探测器飞掠木星时曾观测到这颗遥远星球上的闪电，人们当时认为这种闪电跟地球上的闪电没有区别。但是后来在2016年，美国“朱诺”号木星探测任务对木星闪电风暴进行了更深入的观察，推翻了这种认识。根据“朱诺”任务团队发表在《自然》杂志上的学术论文，木星上的闪电在木星极区分布最多，赤道附近几乎没有，而这与地球恰恰相反，这是因为地球赤道陆地上空是吸收太阳光照和热量最快、最容易形成空气强对流和大气不稳定性的地方；木星比地球离太阳远得多，而且来自木星内部的热量对大气的稳定性也会产生决定性影响，导致大部分大气对流和湍流都发生在木星极区。此外，木星上的闪电电荷的累积过程不是在水滴和水冰中发生的，而是在氨-水混合冰冻的“雪球”中产生的。木星大气中还存在与地球上类似的“瞬态发光事件” ，包括由电离层快速向下发展的“红色精灵”、由闪电激发的低电离层区域的圆环状放电“淘气精灵”等。
伊恩·惠塔克还提到，土星最大的卫星——土卫六上可能会下“甲烷雨” 。这是因为土卫六拥有氮气含量超过96%的大气层，且其地表拥有大量甲烷和乙烷等烃类混合物。由于土卫六地表温度接近零下180℃ ，这些烃类能够以液态存在，使土卫六上有类似于地球的液体循环，从河流、湖泊甚至海洋，到“兴云致雨”的过程，只不过这些液体的成分不是水，而且土卫六的火山活动在其中扮演了重要角色。由于土卫六的引力仅与月球相当，大气密度又比地球大，因此土卫六上的“雨滴”更大，据推测其尺寸在1厘米左右，下降速度则是地球雨滴的五分之一，估计看上去就像是放慢动作的电影场景一样。

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土卫六“甲烷雨”想象图
冰态巨行星：大气成分复杂也能产生风暴
问：那么，太阳系行星中冰态巨行星的“天气”有怎样的特点？
答：从土星轨道再向外，天王星、海王星属于体积介于“类地行星”和“类木巨行星”之间的“冰态巨行星” ，它们被人类了解得就更少了。目前能够推测的是，它们的大气外层大部分是氢气，向内则是由水、氨、甲烷、硫化氢等组成的混合物，大气之下也没有像地球表面一样的岩石地壳，而是一种高温高压状态下的、稠密且导电的流体。
最新研究表明，这种冰巨星内部甚至不一定有明确的分界线，而是可能由外到内随着温度和压力的升高，逐渐从气态过渡到气液混合的行星地幔和地核。虽然距离太阳已经十分遥远，但是在自身内部热源的驱动下，这两颗冰巨星的大气依然会发生显著的流动，从而产生风暴——当然这种风暴是人类难以亲身体会的，因为我们到了这种星球上甚至可能找不到一个可以“脚踏实地”的表面。
系外行星：特别星球夜晚会下“铁雨”
问：目前人类已经发现了很多太阳系外行星，对它们的“天气”情况人类有多少了解？
答：从太阳系向外遥望，人类已经利用地基天文台和在太空中的望远镜确认了超过4000颗系外行星的存在，这些行星的质量、轨道、种类分布也都千差万别。其中， 2013年发现的一颗系外行星WASP-76b属于“热木星”（即星球结构与木星接近，但运行轨道很靠近恒星的气体巨行星）。它的半径接近木星两倍，受到恒星的潮汐锁定作用（月球也是被地球引力潮汐锁定），因此有一侧是永远面向恒星的“白昼面” ，另一侧是“黑夜面” 。白昼一侧的表面温度在2000℃以上，铁在这种温度下会融化和蒸发，而WASP-76b上刚好也有铁元素。这就导致WASP-76b上可能会下“铁雨”：铁在白昼一侧气化并在大气中上升，运动到黑夜一侧后冷却凝结成液体然后下落，就像雨滴一般。这是目前人们有确切的证据来推测会下“铁雨”的唯一一颗行星。
地球：天气得天独厚

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问：我们介绍了这么多外星“天气” ，回过头来看，地球天气有什么独特的地方呢？
答：值得强调的是，像地球这样“幸运”的星球至少到目前为止还是独一无二的：
她位于恒星的宜居带内，既不会被“冰冻”也不会被“烤焦” ，因此既能提供生命活动所需的能量，又能使复杂的化学结构不会因高温而遭到破坏；
她的大气层既不像水星那样稀薄，也不像金星那样浓密，因此既能为地表提供保温效果，又不至于热到使液态水全部被蒸发；
她的地质活动既不像火星那样死寂，又不像冰巨星和气态巨星那样流动性太强，因此既能产生地磁场充当生命的“辐射屏蔽保护伞” ，又不会像“原行星”时期那样每天岩浆遍地、地动星沉；
她的自转倾角和公转轨道也都恰到好处，使得地球表面有日夜切换、风调雨顺、四季分明；
她周围还有卫星（月球）和大行星（木星和土星）充当吸引小行星/彗星撞击的“盾牌” ，使自己不至于经常遇上能让恐龙灭绝的那种天体碰撞事故。
即使在这样得天独厚的条件下，生命在地球上出现后，也还是经过了38亿年的漫长岁月，才出现了能够理解地球和宇宙历史的智慧生命。
（原题为《“祝融”号火星照来了，看看外星天气怎么样》）
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