2021年登上Science封面的地球科学发现

　　朱诺号航天器数据探测木星大红斑的深度和结构
　　VOLUME 374|ISSUE 6570|19 NOV 2021
　　木星的大气层充斥着巨大的风暴和旋转风带，包括一种16000公里宽的大红斑（GRS），威力足以吞噬整个地球。Scott Bolton团队和Marzia Parisi团队分别使用朱诺号航天器的微波和重力测量描述以木星GRS为主的大气涡旋。尽管GRS在大气层中深度不超过500km，其周围喷流延伸可达到3000ka。对其垂直结构的研究也说明，木星内部和大气层深处存在联系；风暴可以引起行星引力场的波动。
　　来源：
　　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.
　　火星曾经历山洪暴发
　　VOLUME 374|ISSUE 6568|5 NOV 2021
　　毅力号火星车于2021年2月选择在有古湖遗迹的Jezero陨石坑着陆。利用Mastcam-Z和Remote Micro-Imager(RMI)仪器，火星车对着陆点周围岩层和沉积物层次进行成像，发现了陨石坑的水文演化过程。研究表明，露头中倾斜地层的存在是从稳定湖泊环境向高能短时河流流动的证据；最上部扇形地层中的大块砾岩代表着间歇性高能洪水的沉积；而三角洲底部的最细小物质可能是未来研究火星有机物和生物特征的最佳选择。
　　来源：
　　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., Nuñez, 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.
　　神秘冰羽预测致命风暴
　　VOLUME 373|ISSUE 6560|10 SEP 2021
　　飓风艾达席卷美国后，超级单体雷暴和龙卷风接踵而至，造成极大的破坏。先前的研究表明，当一团多云的冰-水蒸气在强雷暴上方翻滚时，龙卷风或冰雹将在随后袭击地表。我们总会在恶劣天气到达地面前30min以上在卫星图像中捕获这些羽流。本研究试图利用模型解释这些羽流的机制。通过对理想化超级单体雷暴的计算机模拟，O’Neill等人发现，高层大气的风在风暴顶部盘旋时，会激起水蒸气和水流，这些水蒸气和水流将射入平流层形成屏障，使高空气流偏转。这会在对流层顶的风暴下游产生水跃。后者一旦形成，将会以超过每小时240英里的速度将水汽强力注入平流层深处，影响阳光抵达地球的质量和数量。值得一提的是，列奥纳多·达芬奇在五百年前就曾记载过这一现象。
　　来源：
　　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.
　　北极变暖导致更冷的冬天
　　VOLUME 373|ISSUE 6559|3 SEP 2021
　　长期以来，全球变暖与美国和欧亚大陆北部极寒天气相互矛盾，这也成为了部分人用于不减排的借口。过去四十年的卫星记录显示，全球温升导致北极夏季海冰萎缩，带来明显的气候变暖。巴伦支海和喀拉海冰的融化导致西伯利亚上空降雪增多，而二者共同放大了欧亚大陆东西两端的温差，减弱了极地涡流，导致更为极端的变冷事件。过剩的能量延伸了北极上空平流层的涡旋风，导致极寒天气流向美国。可以说，北极的快速变暖及其影响（即海冰的失去和欧亚地区降雪覆盖的增加）与平流层涡流破坏和中纬度极端冬季天气频率增加存在确实的联系。这一研究可以延长在亚洲、加拿大和美国的发生极端寒冷天气的提前预警时间。
　　来源：
　　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.
　　通过同位素，我们窥视了一头猛犸象的一生
　　VOLUME 373|ISSUE 6556|13 AUG 2021
　　在更新世，猛犸象从北欧和亚洲，通过俄罗斯进入北美洲。一头猛犸象究竟能走多远成为人们关心的问题。阿拉斯加大学Wooller领导的一项研究以约17100年前、1.8m长的猛犸象獠牙为载体，利用氧和锶同位素沿着象牙的长度搜集了40万个点的数据，拼凑了这头雄性猛犸象28岁的人生。利用不同地区有不同同位素特征的原理，研究人员搜集了各地小型啮齿动物牙齿制成阿拉斯加同位素地图。通过比较可知，这头猛犸象早年在Yukon河流域和阿拉斯加内陆来回跋涉，颇有规律性；至15岁后，同位素数据的突变表明成年大象可能离开象群，旅行变得随机；在其生命的最后几年，这头猛犸象一直在阿拉斯加北部海岸小范围移动。象牙底部氮的高含量也表明了其饥饿而死的状态。
　　来源：
　　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壳结构
　　VOLUME 373|ISSUE 6553|23 JUL 2021
　　一颗行星的地壳见证了行星形成和演化的历史。研究人员通过分析两年以来InSight着陆器上记录的火星地震数据，得到关于火星内部结构的相关结论。Brigitte Knapmeyer-Endrun等人利用火星地震和环境地震噪声对InSight着陆点下方的火星壳构造进行成像，认为火星壳是具有2或3个界面的多层结构，包括一个24到72公里厚的地壳和一个500公里深的岩石圈（后者是Amir Khan等人的杰作）。Simon Stähler等人通过核幔边界的地震波反射发现，火星地核为液态，其半径在可能在1830km左右。与地球不一致的是，火星似乎缺少下地幔，仅有一层岩石层。这3项研究为火星如今的结构提供了重要的约束条件，也为人类了解这颗行星的形成和演变提供关键证据。
　　来源：
　　Khan, A., Ceylan, S., Driel, M. v., Giardini, D., Lognonné, P., Samuel, H., Schmerr, N. C., Stähler, 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., Lekić, V., Tauzin, B., Tharimena, S., Plasman, M., Compaire, N., Garcia, R. F., Margerin, L., Schimmel, M., Stutzmann, É., Schmerr, N., Bozdağ, 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., Stähler, 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.
　　Stähler, 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, É., 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., Zenhäusern, G., Beucler, É., 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露天遗址中发现的、距今14万年-12万年的Nesher Ramla Homo古老人族动物种群，代表了中更新世人类中最后幸存的人群。他们兼具尼安德特人和其他古人类的容貌特征，有着仅存在于智人和尼安德特人中的制器技术。这一古老的人种被认为可能是西南亚、非洲和欧洲中更新世人类的最后幸存群体之一。
　　来源：
　　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
　　作为世界上最淤积的河流之一，戈西河每年携带了上游大量喜马拉雅山的沉积物。在印度Kusaha附近，这条河流进入山脚平原，这使得河流携带的大量碎屑物质快速沉降。因而，随着时间推移，河流运载能力变弱，转而改道寻找更合适的途经点。这种模式在逐渐被人类掌握并成功预测时，由于下游修建防洪堤、上游森林砍伐等，模拟结果变得不可靠，人们不断遭受着一次又一次的河流泛滥灾害。
　　地下水位下降威胁全球井位
　　VOLUME 372|ISSUE 6540|23 APRIL 2021
　　地下水为农业灌溉提供了近一半的水，并为数十亿人提供了大部分饮用水。因此，保护这一资源的安全至关重要。Jasechko和Perrone研究了全球40个国家约3900万口油井的数据，以调查它们对水位下降的脆弱性。调查发现，在一些正在经历地下水下降的地区，并没有深水井的建设计划。这种生产生存需求和落后建设之间的矛盾给以井水为生的人带来了风险。
　　来源：
　　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.
　　白垩纪晚期，有25亿只霸王龙
　　VOLUME 373|ISSUE 6553|16 APRIL 2021
　　评估物种的丰度有助于揭示其在生态、进化等方面的情况。然而，对已灭绝很久的动物而言，这并非易事。有研究者利用现存动物体重与群体密度之间的关系估测霸王龙的物种丰度。他们发现，在霸王龙活跃于地球上的任何时候都有近2万只霸王龙同时存在；它们持续了约127000个世代，因此，在地球上曾经出现过的霸王龙总数为25亿。
　　来源：
　　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.
　　白垩纪鲨鱼的进化尝试——成为浮游生物？
　　VOLUME 371|ISSUE 6535|19 MAR 2021
　　现代鲨鱼占据着世界各地的海洋生态系统，但几乎没有形态多样性，大多是流线型食肉动物。Vullo等人在墨西哥北部发现了一种名为Aquilolamna milarcae的蝠鲼样新种鲨鱼化石遗骸，距今约9300万年（白垩纪末期）。这种鲨鱼显示了许多蝠鲼样特征，如修长的胸鳍和适用于过滤进食的大口；同时，也兼有其他类型鲨鱼的特尾鳍和身体形态。这个以前不为人知的身体计划代表了鲨鱼水下飞行的一个意想不到的进化实验，比蝠鲼和魔鬼鱼的崛起早了3000多万年，并表明翼状胸鳍在滤食性板鳃类动物的两个远亲分支中存在独立进化。这种新描述的高度特化的长翅鲨鱼群(Aquilolamnidae)显示出一种类似水生生物的生态形态类型，并可能在中生代晚期的海洋中占据了白垩纪-古近纪之后由白鲨和其他短尾鲨占据的生态位。
　　来源：
　　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.
　　编辑：万鹏
　　美编：许宏玺
　　校对：覃华清 江淑敏