從“祝融”號火星照解析外星天氣

郭世傑

我國國家航天局日前公佈了由“祝融”號火星車拍攝的火星着陸點全景、火星地形地貌等影像圖。圖中泛着金屬光澤的火星車和着陸器在火星灰濛濛的土黃色天空下熠熠生輝，既充滿了作爲“天外來客”的神祕感、科技感，也彰顯了外星風光特有的綺麗、壯美。

很多讀者會好奇，包括火星在內的外星球上，都是什麼樣的景象，都有哪些千奇百怪的外星“天氣”？形成原因又是什麼？這裏我們就來詳細介紹給大家。

木星風暴想象圖

英國詩人奧斯卡·王爾德曾說：“談論天氣是無趣人類最後的避難所”。但是這位詩人一定沒有想到，100多年後的今天，各種極端“天氣”的奇異程度早已超乎人們想象，因爲它們已經不侷限於地球上的天氣。

人類進入太空時代的近幾十年，我們得以發射航天器實地探測其他星球的天氣狀況，以及將天氣的成因同行星的起源和演化相互聯繫起來，從基礎物理的層面上，去理解不同星球上千奇百怪的環境。不僅如此，20世紀90年代以來，幾千顆系外行星（即太陽系之外的行星）不斷被發現，關於行星和行星大氣的觀測數據爆炸式增長，人類對外星天氣的認知也在短短几十年間不斷刷新和豐富。

類地行星：火星大氣稀薄卻有沙塵暴

金星表面想象圖

“祝融”號火星車拍攝的火星影像圖

土衛六“甲烷雨”想象圖

一顆星球上的天氣表現如何，取決於這顆星球本身的成分和所處的物理環境。

太陽系的八大行星中，水星、金星、地球、火星都是類地行星。它們距離太陽近，體積和質量都較小，平均密度較大，表面溫度較高，大小與地球差不多，也都是由岩石構成的。

距離太陽最近的水星本身質量小，因此無法提供足夠強的萬有引力“留住”大氣，此外又接受太陽風的近距離“吹拂”，所以其大氣層極其稀薄，不可能產生地球上的常見天氣現象；又正因爲缺乏大氣層的“保溫效果”，所以水星上的溫度變化十分劇烈，夜間和白天的赤道溫度可以從-170℃上升到430℃左右。

距離太陽第二近的金星大氣非常濃密，其中有超過96%的成分是二氧化碳，導致金星的溫室效應十分嚴重，地表溫度達460℃以上。

距離太陽第四近的火星（地球是第三近的行星）自轉軸傾角、自轉週期與地球相近，但其繞太陽公轉的軌道是非常“扁”的橢圓，使其在近日點和遠日點之間的溫差達到約160℃。此外，火星比地球更小，沒有海洋作爲溫度調節器，冬季溫度可達-133℃，夏季溫度可達27℃。

火星的磁場僅來源於其表面磁化的地殼，所以非常微弱，無法阻擋太陽風不斷地侵蝕其表面大氣。現在火星的大氣層非常稀薄，主要由二氧化碳組成，大氣密度不到地球的1%。

雖然火星大氣稀薄，但絲毫不平靜。火星的風速可達每秒180米，經常形成席捲整個火星、持續數週的大規模沙塵暴。

從“祝融”號火星車拍攝的照片我們可以看出，火星的天空看上去有些接近地球上嚴重沙塵暴時的天空景象，另外還略帶了一些與火星土壤顏色相近的暗紅色調。另據我國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋介紹，“天問一號”實施火星着陸時，火星的天氣狀況較好，沒有出現沙塵暴等情況，可謂“天遂人願”。

氣態巨行星：木星上也有雷擊閃電

從火星軌道向外，依次是木星、土星，這兩顆行星均屬於“氣態巨行星”，體積是地球的700倍以上，萬有引力也遠比地球大，主要成分都是氫元素。因爲缺乏固體地表提供“摩擦減速作用”，作爲氣態行星又有密度低、自轉速度快、具有流體可變性等特點，這兩顆星球上的風暴尺度之大、速度之快均超出人們想象，著名的木星“大紅斑”就是尺度足夠容納兩個地球的超級大風暴。從某種意義上來說，地球上常用的氣象概念已經不足以描述這種星球上的天氣現象了。

據英國諾丁漢特倫特大學物理高級講師伊恩·惠塔克介紹，1979年美國“旅行者”1號探測器飛掠木星時曾觀測到這顆遙遠星球上的閃電，人們當時認爲這種閃電跟地球上的閃電沒有區別。但是後來在2016年，美國“朱諾”號木星探測任務對木星閃電風暴進行了更深入的觀察，推翻了這種認識。根據“朱諾”任務團隊發表在《自然》雜誌上的學術論文，木星上的閃電在木星極區分佈最多，赤道附近幾乎沒有，而這與地球恰恰相反。此外，木星上的閃電電荷的累積過程不是在水滴和水冰中發生的，而是在氨-水混合冰凍的“雪球”中產生的。木星大氣中還存在與地球上類似的“瞬態發光事件”，包括由電離層快速向下發展的“紅色精靈”、由閃電激發的低電離層區域的圓環狀放電“淘氣精靈”等。

伊恩·惠塔克還提到，土星最大的衛星——土衛六上可能會下“甲烷雨”。這是因爲土衛六擁有氮氣含量超過96%的大氣層，且其地表擁有大量甲烷和乙烷等烴類混合物。由於土衛六地表溫度接近零下180℃，這些烴類能夠以液態存在，使土衛六上有類似於地球的液體循環，從河流、湖泊甚至海洋，到“興雲致雨”的過程，只不過這些液體的成分不是水，而且土衛六的火山活動在其中扮演了重要角色。由於土衛六的引力僅與月球相當，大氣密度又比地球大，因此土衛六上的“雨滴”更大，據推測其尺寸在1釐米左右，下降速度則是地球雨滴的五分之一，估計看上去就像是放慢動作的電影場景。

冰態巨行星：

大氣成分複雜也能產生風暴

從土星軌道再向外，天王星、海王星屬於體積介於“類地行星”和“類木巨行星”之間的“冰態巨行星”，它們被人類瞭解得就更少了。目前能夠推測的是，它們的大氣外層大部分是氫氣，向內則是由水、氨、甲烷、硫化氫等組成的混合物，大氣之下也沒有像地球表面一樣的岩石地殼，而是一種高溫高壓狀態下的、稠密且導電的流體。

最新研究表明，這種冰巨星內部甚至不一定有明確的分界線，而是可能由外到內隨着溫度和壓力的升高，逐漸從氣態過渡到氣液混合的行星地幔和地核。雖然距離太陽已經十分遙遠，但是在自身內部熱源的驅動下，這兩顆冰巨星的大氣依然會發生顯著的流動，從而產生風暴——當然這種風暴是人類難以親身體會的，因爲我們到了這種星球上甚至可能找不到一個可以“腳踏實地”的表面。

系外行星：

特別星球夜晚會下“鐵雨”

從太陽系向外遙望，人類已經利用地基天文臺和在太空中的望遠鏡確認了超過4000顆系外行星的存在，這些行星的質量、軌道、種類分佈也是千差萬別。其中，2013年發現的一顆系外行星WASP-76b屬於“熱木星”（即星球結構與木星接近，但運行軌道很靠近恆星的氣態巨行星）。它的半徑接近木星兩倍，受到恆星的潮汐鎖定作用（月球也是被地球引力潮汐鎖定），因此有一側是永遠面向恆星的“白晝面”，另一側是“黑夜面”。白晝一側的表面溫度在2000℃以上，鐵在這種溫度下會融化和蒸發，而WASP-76b上剛好也有鐵元素。這就導致WASP-76b上可能會下“鐵雨”：鐵在白晝一側氣化並在大氣中上升，運動到黑夜一側後冷卻凝結成液體然後下落，就像雨滴一般。這是目前人們有確切的證據來推測會下“鐵雨”的唯一一顆行星。