太阳系哪颗星球闪电最多？ 第1页

已经有回答分析过是木星闪电最多了，那么我简单介绍一下过去几十年对木星闪电的研究。

地球上的闪电

在介绍木星闪电前，先介绍一下大家更熟悉的地球上的闪电。相关综述见^[1][2]。闪电是千米长度的电火花。目前认为形成机制是，空气中出现了足够重的冰雹粒子，可以在上升气流中下落或保持静止，还出现了轻的小冰晶，可以被上升气流裹挟着向上。它们碰撞而发生电荷转移，于是冰晶带上正电荷上升。正负电荷累积到数十库伦后，这些聚集的粒子就成了雷云，其间存在强静电场。雷云的典型结构如下图。

一旦发生局部的放电，之前依附在冰雹上的电子就成了自由电子。相比重的冰雹粒子和空气中的其它粒子，电子很轻，因而运动很快，促发大规模的电流，闪电就这样产生了。

雷云也会导致一类称为瞬态发光事件的高层大气放电现象，包括妖怪（sprite），精灵（elve），晕（halo），蓝色喷流（blue jet），巨喷流（gigantic jet）。下图是这些现象的艺术性示意。它们的共同特点是持续时间短，只有数十到数百毫秒，并且可见光辐射十分明亮。它们的具体成因和性质仍有很多争议。

木星上的闪电

对木星的历次深空探测中，旅行者1号^[3][4][5]，旅行者2号^[6]，Galileo^[7][8]，Cassini^[9]和新视野号^[10]的可见光相机和等离子体/射电波探测装置都有观测到类似地球上闪电的特征。新视野号可见光相机拍摄的典型闪电图像如下图，闪电在图像上表现为亮斑。

Cassini可见光相机拍摄的典型闪电附近的图像如下图，红色代表夜侧观测到的闪电，背景灰度图像显示了日侧的云层，拍摄于观测到闪电数小时前。可以看到，闪电的位置和气旋的位置有很强的相关性。

Juno的MWR和Waves也有观测到类似地球上闪电的特征^[11][12][13]，并且观测到闪电的位置与先前深空探测中观测到闪电的位置有很强的相关性，这可从下面两图中看到。下图标出了Waves观测到闪电的位置与先前深空探测中观测到闪电的位置。

下图标出了MWR观测到闪电的位置与先前深空探测中观测到闪电的位置。

观测到闪电的频率很高，这可从下图中看到。下图显示MWR和Waves观测到闪电的频率与纬度的关系。在南纬50°附近，频率较低，但也可达到MWR 0.03 /s，Waves 0.5 /s。

Juno的载荷恒星参考单元（SRU）是一台宽带（450-1100 nm）相机，也观测到了闪电^[14]。根据木星大气和辐射转移模型，结合进入木星大气的Galileo探针测得的压强-温度-高度数据和SRU图像，可以推断出闪电处的压强，温度和高度。根据这些条件下木星大气中化合物的物态和热力学性质，^[14]指出，像地球上那样的纯水冰雷云机制不能完全解释木星上闪电的形成。

一个概念性的模型如下图所示，上升气流裹挟着水冰粒子向上，到达压强为1.1-1.5 bar处，吸附氨后熔化，形成下落的氨水液滴。氨水液滴和水冰粒子碰撞而发生电荷转移，进而形成雷云，产生闪电。在压强超过3 bar处，可以存在超冷水，形成纯水冰雷云。

^[15]分析了MWR观测到闪电位置附近的可见光和红外图像。这些图像由Hubble空间望远镜和北双子望远镜拍摄。典型的图像如下图所示。

青色实心圆标注了MWR观测到闪电的位置和闪电的强度范围，蓝色和绿色区域是Juno轨迹的最小发射角投影。发射角是指飞船与行星表面法向量间的夹角。考虑到飞船飞掠和望远镜成像间的时间差，根据纬向风的行为对投影进行了移动。蓝色区域显示MWR对闪电最敏感的观测频段的波束范围。上部是Hubble空间望远镜拍摄的可见光图像，不同颜色的图像是借助不同波长处的滤光器拍摄的，对应木星大气的不同高度。中部是631 nm和727 nm处滤光器的反射率之比。下部是北双子望远镜拍摄的红外图像。可以看到，闪电的位置和气旋的位置有很强的相关性。此外，可见光和红外图像上都能看到闪电处的亮斑和云层的形态结构。

^[16]在Juno的UVS拍摄的紫外图像和光谱中，发现了11次事件具有很可能是木星高层大气放电现象的特征。这11次事件相当类似，不失一般性地，我们讨论其中一次。2017年9月2日00:34:16，UVS观测到了南纬51.2°，西经236.3°处的亮斑，形态如下图所示。

光变曲线如下图所示。可以看到，这是一个指数衰减的脉冲，持续时间不到10 ms。

光谱如下图所示。可以看到160 nm处的分子氢Lyman双峰。

根据木星大气和辐射转移模型，结合光谱，可以推断亮斑处的压强是10 μbar，这对应1 bar以上258 km，而1 bar大约是^[14]指出的雷云能达到的最高高度。

分析同一时刻的JCM图像发现，亮斑附近有气旋和丝状的云层结构，这也是先前的观测中在闪电附近看到的。JCM图像如下图所示，红色十字标记亮斑的位置。

综合亮斑的这些特征，^[16]指出它很可能显示了木星的高层大气放电现象。

参考

1. ^ Joseph R. Dwyer & Martin A. Uman. The physics of lightning [J]. Physics Reports, 2014, 534: 147-241.
2. ^ Vladimir A. Rakov & Martin A. Uman. Lightning: Physics and Effects [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.
3. ^ A. F. Cook II, T. C. Duxbury & G. E. Hunt. First results on Jovian lightning [J]. Nature, 1979, 280: 794.
4. ^ Bradford A. Smith et al. The Jupiter System Through the Eyes of Voyager 1 [J]. Science, 1979, 204: 951-972.
5. ^ D. A. Gurnett et al. Whistlers observed by Voyager 1: Detection of lightning on Jupiter [J]. Geophysical Research Letters, 1979, 6: 511-514.
6. ^ William J. Borucki & Julio A. Magalhães. Analysis of voyager 2 images of Jovian lightning [J]. Icarus, 1992, 96: 1-14.
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9. ^ Ulyana A. Dyudina et al. Lightning on Jupiter observed in the Hα line by the Cassini imaging science subsystem [J]. Icarus, 2004, 172: 24-36.
10. ^ Kevin H. Baines et al. Polar Lightning and Decadal-Scale Cloud Variability on Jupiter [J]. Science, 2007, 318: 226-229.
11. ^ Shannon Brown et al. Prevalent lightning sferics at 600 megahertz near Jupiter’s poles [J]. Nature, 2018, 558: 87-90.
12. ^ Ivana Kolmašová et al. Discovery of rapid whistlers close to Jupiter implying lightning rates similar to those on Earth [J]. Nature Astronomy, 2018, 2: 544-548.
13. ^ Masafumi Imai et al. Jupiter Lightning‐Induced Whistler and Sferic Events With Waves and MWR During Juno Perijoves [J]. Geophysical Research Letters, 2018, 45: 7268-7276.
14. ^ ^{a b c} Heidi N. Becker et al. Small lightning flashes from shallow electrical storms on Jupiter [J]. Nature, 2020, 584: 55-58.
15. ^ Michael H. Wong et al. High-resolution UV/Optical/IR Imaging of Jupiter in 2016–2019 [J]. The Astrophysical Journal Supplement Series, 2020, 247: 58.
16. ^ ^{a b} Rohini S. Giles et al. Possible Transient Luminous Events Observed in Jupiter's Upper Atmosphere [J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2020, 125: e2020JE006659.