2021年，科學雜志《Science》的封面有不少關于地球科學的新發現，從木星大氣層到火星山洪爆發，從北極氣候變暖再到地下水位下降。這些新的發現幫助我們揭示地球，探索宇宙。
朱諾号航天器資料探測木星大紅斑的深度和結構
VOLUME 374|ISSUE 6570|19 NOV 2021
木星的大氣層充斥着巨大的風暴和旋轉風帶，包括一種16000公裡寬的大紅斑（GRS），威力足以吞噬整個地球。Scott Bolton團隊和Marzia Parisi團隊分别使用朱諾号航天器的微波和重力測量描述以木星GRS為主的大氣渦旋。盡管GRS在大氣層中深度不超過500km，其周圍噴流延伸可達到3000ka。對其垂直結構的研究也說明，木星内部和大氣層深處存在聯系；風暴可以引起行星引力場的波動。
來源：
Bolton, S. J., Levin, S. M., Guillot, T., Li, C., Kaspi, Y., Orton, G., Wong, M. H., Oyafuso, F., Allison, M., Arballo, J., Atreya, S., Becker, H. N., Bloxham, J., Brown, S. T., Fletcher, L. N., Galanti, E., Gulkis, S., Janssen, M., Ingersoll, A., Lunine, J. L., Misra, S., Steffes, P., Stevenson, D., Waite, J. H., Yadav, R. K., and Zhang, Z., 2021, Microwave observations reveal the deep extent and structure of Jupiter’s atmospheric vortices: Science, v. 374, no. 6570, p. 968-972.
Parisi, M., Kaspi, Y., Galanti, E., Durante, D., Bolton, S. J., Levin, S. M., Buccino, D. R., Fletcher, L. N., Folkner, W. M., Guillot, T., Helled, R., Iess, L., Li, C., Oudrhiri, K., and Wong, M. H., 2021, The depth of Jupiter’s Great Red Spot constrained by Juno gravity overflights: Science, v. 374, no. 6570, p. 964-968.
火星曾經曆山洪暴發
VOLUME 374|ISSUE 6568|5 NOV 2021
毅力号火星車于2021年2月選擇在有古湖遺迹的Jezero隕石坑着陸。利用Mastcam-Z和Remote Micro-Imager(RMI)儀器，火星車對着陸點周圍岩層和沉積物層次進行成像，發現了隕石坑的水文演化過程。研究表明，露頭中傾斜地層的存在是從穩定湖泊環境向高能短時河流流動的證據；最上部扇形地層中的大塊礫岩代表着間歇性高能洪水的沉積；而三角洲底部的最細小物質可能是未來研究火星有機物和生物特征的最佳選擇。
Mangold, N., Gupta, S., Gasnault, O., Dromart, G., Tarnas, J. D., Sholes, S. F., Horgan, B., Quantin-Nataf, C., Brown, A. J., Mouélic, S. L., Yingst, R. A., Bell, J. F., Beyssac, O., Bosak, T., Calef, F., Ehlmann, B. L., Farley, K. A., Grotzinger, J. P., Hickman-Lewis, K., Holm-Alwmark, S., Kah, L. C., Martinez-Frias, J., McLennan, S. M., Maurice, S., Nu ez, J. I., Ollila, A. M., Pilleri, P., Rice, J. W., Rice, M., Simon, J. I., Shuster, D. L., Stack, K. M., Sun, V. Z., Treiman, A. H., Weiss, B. P., Wiens, R. C., Williams, A. J., Williams, N. R., and Williford, K. H., 2021, Perseverance rover reveals an ancient delta-lake system and flood deposits at Jezero crater, Mars: Science, v. 374, no. 6568, p. 711-717.
神秘冰羽預測緻命風暴
VOLUME 373|ISSUE 6560|10 SEP 2021
飓風艾達席卷美國後，超級單體雷暴和龍卷風接踵而至，造成極大的破壞。先前的研究表明，當一團多雲的冰-水蒸氣在強雷暴上方翻滾時，龍卷風或冰雹将在随後襲擊地表。我們總會在惡劣天氣到達地面前30min以上在衛星圖像中捕獲這些羽流。本研究試圖利用模型解釋這些羽流的機制。通過對理想化超級單體雷暴的計算機模拟，O’Neill等人發現，高層大氣的風在風暴頂部盤旋時，會激起水蒸氣和水流，這些水蒸氣和水流将射入平流層形成屏障，使高空氣流偏轉。這會在對流層頂的風暴下遊産生水躍。後者一旦形成，将會以超過每小時240英裡的速度将水汽強力注入平流層深處，影響陽光抵達地球的品質和數量。值得一提的是，列奧納多·達芬奇在五百年前就曾記載過這一現象。
O’Neill, M. E., Orf, L., Heymsfield, G. M., and Halbert, K., 2021, Hydraulic jump dynamics above supercell thunderstorms: Science, v. 373, no. 6560, p. 1248-1251.
北極變暖導緻更冷的冬天
VOLUME 373|ISSUE 6559|3 SEP 2021
長期以來，全球變暖與美國和歐亞大陸北部極寒天氣互相沖突，這也成為了部分人用于不減排的借口。過去四十年的衛星記錄顯示，全球溫升導緻北極夏季海冰萎縮，帶來明顯的氣候變暖。巴倫支海和喀拉海冰的融化導緻西伯利亞上空降雪增多，而二者共同放大了歐亞大陸東西兩端的溫差，減弱了極地渦流，導緻更為極端的變冷事件。過剩的能量延伸了北極上空平流層的渦旋風，導緻極寒天氣流向美國。可以說，北極的快速變暖及其影響（即海冰的失去和歐亞地區降雪覆寫的增加）與平流層渦流破壞和中緯度極端冬季天氣頻率增加存在确實的聯系。這一研究可以延長在亞洲、加拿大和美國的發生極端寒冷天氣的提前預警時間。
Cohen, J., Agel, L., Barlow, M., Garfinkel, C. I., and White, I., 2021, Linking Arctic variability and change with extreme winter weather in the United States: Science, v. 373, no. 6559, p. 1116-1121.
通過同位素，我們窺視了一頭猛犸象的一生
VOLUME 373|ISSUE 6556|13 AUG 2021
在更新世，猛犸象從北歐和亞洲，通過俄羅斯進入北美洲。一頭猛犸象究竟能走多遠成為人們關心的問題。阿拉斯加大學Wooller上司的一項研究以約17100年前、1.8m長的猛犸象獠牙為載體，利用氧和锶同位素沿着象牙的長度搜集了40萬個點的資料，拼湊了這頭雄性猛犸象28歲的人生。利用不同地區有不同同位素特征的原理，研究人員搜集了各地小型齧齒動物牙齒制成阿拉斯加同位素地圖。通過比較可知，這頭猛犸象早年在Yukon河流域和阿拉斯加内陸來回跋涉，頗有規律性；至15歲後，同位素資料的突變表明成年大象可能離開象群，旅行變得随機；在其生命的最後幾年，這頭猛犸象一直在阿拉斯加北部海岸小範圍移動。象牙底部氮的高含量也表明了其饑餓而死的狀态。
Wooller, M. J., Bataille, C., Druckenmiller, P., Erickson, G. M., Groves, P., Haubenstock, N., Howe, T., Irrgeher, J., Mann, D., Moon, K., Potter, B. A., Prohaska, T., Rasic, J., Reuther, J., Shapiro, B., Spaleta, K. J., and Willis, A. D., 2021, Lifetime mobility of an Arctic woolly mammoth: Science, v. 373, no. 6556, p. 806-808.
利用火星地震确定火星的地殼結構
VOLUME 373|ISSUE 6553|23 JUL 2021
一顆行星的地殼見證了行星形成和演化的曆史。研究人員通過分析兩年以來InSight着陸器上記錄的火星地震資料，得到關于火星内部結構的相關結論。Brigitte Knapmeyer-Endrun等人利用火星地震和環境地震噪聲對InSight着陸點下方的火星殼構造進行成像，認為火星殼是具有2或3個界面的多層結構，包括一個24到72公裡厚的地殼和一個500公裡深的岩石圈（後者是Amir Khan等人的傑作）。Simon St hler等人通過核幔邊界的地震波反射發現，火星地核為液态，其半徑在可能在1830km左右。與地球不一緻的是，火星似乎缺少下地幔，僅有一層岩石層。這3項研究為火星如今的結構提供了重要的限制條件，也為人類了解這顆行星的形成和演變提供關鍵證據。
Khan, A., Ceylan, S., Driel, M. v., Giardini, D., Lognonné, P., Samuel, H., Schmerr, N. C., St hler, S. C., Duran, A. C., Huang, Q., Kim, D., Broquet, A., Charalambous, C., Clinton, J. F., Davis, P. M., Drilleau, M., Karakostas, F., Lekic, V., McLennan, S. M., Maguire, R. R., Michaut, C., Panning, M. P., Pike, W. T., Pinot, B., Plasman, M., Scholz, J.-R., Widmer-Schnidrig, R., Spohn, T., Smrekar, S. E., and Banerdt, W. B., 2021, Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data: Science, v. 373, no. 6553, p. 434-438.
Knapmeyer-Endrun, B., Panning, M. P., Bissig, F., Joshi, R., Khan, A., Kim, D., Leki , V., Tauzin, B., Tharimena, S., Plasman, M., Compaire, N., Garcia, R. F., Margerin, L., Schimmel, M., Stutzmann, ., Schmerr, N., Bozda , E., Plesa, A.-C., Wieczorek, M. A., Broquet, A., Antonangeli, D., McLennan, S. M., Samuel, H., Michaut, C., Pan, L., Smrekar, S. E., Johnson, C. L., Brinkman, N., Mittelholz, A., Rivoldini, A., Davis, P. M., Lognonné, P., Pinot, B., Scholz, J.-R., St hler, S., Knapmeyer, M., Driel, M. v., Giardini, D., and Banerdt, W. B., 2021, Thickness and structure of the martian crust from InSight seismic data: Science, v. 373, no. 6553, p. 438-443.
St hler, S. C., Khan, A., Banerdt, W. B., Lognonné, P., Giardini, D., Ceylan, S., Drilleau, M., Duran, A. C., Garcia, R. F., Huang, Q., Kim, D., Lekic, V., Samuel, H., Schimmel, M., Schmerr, N., Sollberger, D., Stutzmann, ., Xu, Z., Antonangeli, D., Charalambous, C., Davis, P. M., Irving, J. C. E., Kawamura, T., Knapmeyer, M., Maguire, R., Marusiak, A. G., Panning, M. P., Perrin, C., Plesa, A.-C., Rivoldini, A., Schmelzbach, C., Zenh usern, G., Beucler, ., Clinton, J., Dahmen, N., Driel, M. v., Gudkova, T., Horleston, A., Pike, W. T., Plasman, M., and Smrekar, S. E., 2021, Seismic detection of the martian core: Science, v. 373, no. 6553, p. 443-448.
比尼安德特人更古老的Ramla人
VOLUME 372|ISSUE 6549|25 JUN 2021
在以色列Nesher Ramla露天遺址中發現的、距今14萬年-12萬年的Nesher Ramla Homo古老人族動物種群，代表了中更新世人類中最後幸存的人群。他們兼具尼安德特人和其他古人類的容貌特征，有着僅存在于智人和尼安德特人中的制器技術。這一古老的人種被認為可能是西南亞、非洲和歐洲中更新世人類的最後幸存群體之一。
Hershkovitz, I., May, H., Sarig, R., Pokhojaev, A., Grimaud-Hervé, D., Bruner, E., Fornai, C., Quam, R., Arsuaga, J. L., Krenn, V. A., Martinón-Torres, M., Castro, J. M. B. d., Martín-Francés, L., Slon, V., Albessard-Ball, L., Vialet, A., Schüler, T., Manzi, G., Profico, A., Vincenzo, F. D., Weber, G. W., and Zaidner, Y., 2021, A Middle Pleistocene Homo from Nesher Ramla, Israel: Science, v. 372, no. 6549, p. 1424-1428.
河流之物
VOLUME 372|ISSUE 6543|14 MAY 2021
作為世界上最淤積的河流之一，戈西河每年攜帶了上遊大量喜馬拉雅山的沉積物。在印度Kusaha附近，這條河流進入山腳平原，這使得河流攜帶的大量碎屑物質快速沉降。因而，随着時間推移，河流運載能力變弱，轉而改道尋找更合适的途經點。這種模式在逐漸被人類掌握并成功預測時，由于下遊修建防洪堤、上遊森林砍伐等，模拟結果變得不可靠，人們不斷遭受着一次又一次的河流泛濫災害。
地下水位下降威脅全球井位
VOLUME 372|ISSUE 6540|23 APRIL 2021
地下水為農業灌溉提供了近一半的水，并為數十億人提供了大部分飲用水。是以，保護這一資源的安全至關重要。Jasechko和Perrone研究了全球40個國家約3900萬口油井的資料，以調查它們對水位下降的脆弱性。調查發現，在一些正在經曆地下水下降的地區，并沒有深水井的建設計劃。這種生産生存需求和落後建設之間的沖突給以井水為生的人帶來了風險。
Famiglietti, J. S., and Ferguson, G., 2021, The hidden crisis beneath our feet: Science, v. 372, no. 6540, p. 344-345.
Jasechko, S., and Perrone, D., 2021, Global groundwater wells at risk of running dry: Science, v. 372, no. 6540, p. 418-421.
白垩紀晚期，有25億隻霸王龍
VOLUME 373|ISSUE 6553|16 APRIL 2021
評估物種的豐度有助于揭示其在生态、進化等方面的情況。然而，對已滅絕很久的動物而言，這并非易事。有研究者利用現存動物體重與群體密度之間的關系估測霸王龍的物種豐度。他們發現，在霸王龍活躍于地球上的任何時候都有近2萬隻霸王龍同時存在；它們持續了約127000個世代，是以，在地球上曾經出現過的霸王龍總數為25億。
Marshall, C. R., Latorre, D. V., Wilson, C. J., Frank, T. M., Magoulick, K. M., Zimmt, J. B., and Poust, A. W., 2021, Absolute abundance and preservation rate of Tyrannosaurus rex: Science, v. 372, no. 6539, p. 284-287.
白垩紀鲨魚的進化嘗試——成為浮遊生物？
VOLUME 371|ISSUE 6535|19 MAR 2021
現代鲨魚占據着世界各地的海洋生态系統，但幾乎沒有形态多樣性，大多是流線型食肉動物。Vullo等人在墨西哥北部發現了一種名為Aquilolamna milarcae的蝠鲼樣新種鲨魚化石遺骸，距今約9300萬年（白垩紀末期）。這種鲨魚顯示了許多蝠鲼樣特征，如修長的胸鳍和适用于過濾進食的大口；同時，也兼有其他類型鲨魚的特尾鳍和身體形态。這個以前不為人知的身體計劃代表了鲨魚水下飛行的一個意想不到的進化實驗，比蝠鲼和魔鬼魚的崛起早了3000多萬年，并表明翼狀胸鳍在濾食性闆鰓類動物的兩個遠親分支中存在獨立進化。這種新描述的高度特化的長翅鲨魚群(Aquilolamnidae)顯示出一種類似水生生物的生态形态類型，并可能在中生代晚期的海洋中占據了白垩紀-古近紀之後由白鲨和其他短尾鲨占據的生态位。
Vullo, R., Frey, E., Ifrim, C., González, M. A. G., Stinnesbeck, E. S., and Stinnesbeck, W., 2021, Manta-like planktivorous sharks in Late Cretaceous oceans: Science, v. 371, no. 6535, p. 1253-1256.
編輯：萬鵬
美編：許宏玺
校對：覃華清 江淑敏