木星新發(fā)現(xiàn)

龔子程

在經(jīng)歷了5年的飛行后，2016年7月4日，“朱諾號(hào)”木星探測(cè)器成功進(jìn)入環(huán)木星軌道，它的使命除了近距離探測(cè)這顆巨型氣態(tài)行星的大氣環(huán)境，還包括對(duì)木星大氣內(nèi)部進(jìn)行進(jìn)一步探索。預(yù)計(jì)到2021年7月，“朱諾號(hào)”將完成探測(cè)使命，并墜入木星。而今，在墜落期到來(lái)前，“朱諾號(hào)”已經(jīng)取得了多項(xiàng)關(guān)于木星的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這些新知在很大程度上刷新了科學(xué)家對(duì)木星及其衛(wèi)星的認(rèn)識(shí)。

“朱諾號(hào)”木星探測(cè)器。

任務(wù)回眸

在開(kāi)始正式探測(cè)前，“朱諾號(hào)”就已經(jīng)打破了兩項(xiàng)世界紀(jì)錄：它是人類發(fā)射最遠(yuǎn)的太陽(yáng)能供電探測(cè)器及飛行速度最快的探測(cè)器（在抵達(dá)木星當(dāng)日，“朱諾號(hào)”在木星巨大的引力作用下被加速至每小時(shí)26.5萬(wàn)千米）。

“朱諾號(hào)”攜帶了微波輻射計(jì)、紅外線成像光譜儀、引力/無(wú)線電研究設(shè)備、矢量磁強(qiáng)計(jì)和彩色相機(jī)等9種主要儀器。微波輻射計(jì)和紅外線成像光譜儀用于探測(cè)來(lái)自木星大氣深處的熱輻射，其他儀器對(duì)木星引力場(chǎng)、極性和磁層等展開(kāi)探測(cè)，而它的3個(gè)伸展面積巨大的太陽(yáng)能陣列翼則負(fù)責(zé)穩(wěn)定飛行器并為其供電。

木星“水之謎”

一直以來(lái)，行星科學(xué)家致力于弄清木星大氣中究竟含有多少水。木星被認(rèn)為很可能是在太陽(yáng)系中形成的第一顆行星，它俘獲了大量未被太陽(yáng)吸收的氣體和塵埃，而水對(duì)行星的大氣和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重要影響。掌握水的含量，有助于進(jìn)一步弄清在太陽(yáng)系形成初期巨行星的形成和演化之謎。1995年12月，木星探測(cè)器“伽利略號(hào)”釋放出的小型探測(cè)器進(jìn)入木星大氣層，在距離木星表面約120千米深處測(cè)得該深度的水含量?jī)H為先前預(yù)測(cè)值的1/10?？茖W(xué)家由此認(rèn)為，木星的氫、氧元素比例較低。但在“伽利略號(hào)”被大氣壓碾碎前，它探測(cè)到的木星大氣含水量仍在不斷上升。根據(jù)當(dāng)時(shí)木星紅外地圖，“伽利略號(hào)”被證實(shí)恰好落入一個(gè)水含量極少的“空洞”中。木星大氣的平均含水量依然不得而知。

“朱諾號(hào)”近來(lái)的測(cè)量結(jié)果顯示，木星赤道地區(qū)的大氣含水量約為0.25%，高于此前“伽利略號(hào)”在其他區(qū)域探測(cè)到的含水量。基于“朱諾號(hào)”前8次飛越木星時(shí)收集的數(shù)據(jù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)木星赤道的大氣混合程度更均勻，因此“朱諾號(hào)”探測(cè)到的這個(gè)數(shù)值（0.25%）更能反映木星大氣的平均含水量。“朱諾號(hào)”搭載的微波輻射計(jì)利用水吸收某些波長(zhǎng)的微波輻射，通過(guò)6個(gè)天線同時(shí)從多個(gè)深度測(cè)量大氣溫度。測(cè)量溫度可以反映出木星大氣深層水和氨的比例，由此能間接獲知木星大氣含水量。

研究木星大氣的三種手段。

怪異的木星閃電

1979年，“旅行者號(hào)”探測(cè)器首次觀測(cè)到木星閃電，其強(qiáng)度超地球閃電上萬(wàn)倍，但其分布與地球截然不同。地球上的閃電多發(fā)于受太陽(yáng)輻射強(qiáng)、大氣對(duì)流旺盛的熱帶及亞熱帶地區(qū)，而木星閃電則大多發(fā)于兩極。根據(jù)“朱諾號(hào)”的探測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家繪制了一張木星北極區(qū)域的效果圖，它顯示出大規(guī)模的閃電活動(dòng)。

科學(xué)家認(rèn)為，地球閃電的能量主要來(lái)自外部熱量，即太陽(yáng)輻射。赤道區(qū)域受到的輻射最多，那里潮濕的溫暖空氣通過(guò)對(duì)流快速上升，助長(zhǎng)了雷電產(chǎn)生。相同的原理也適用于木星，但木星離太陽(yáng)的距離比地球遠(yuǎn)得多，接收的太陽(yáng)輻射是地球的1/25，而木星大氣的大部分熱量來(lái)自木星內(nèi)部。雖然木星接收到的太陽(yáng)輻射較弱，但是太陽(yáng)輻射依舊使木星赤道比兩極更熱，這使得木星赤道的高層大氣溫差不明顯，無(wú)法形成大氣對(duì)流，因此也就無(wú)法形成閃電。而木星兩極的大氣溫差明顯，木星內(nèi)部的溫暖氣體在兩極能夠順利上升形成對(duì)流，因此木星大氣的閃電多發(fā)生在兩極。

木星大氣的閃電多發(fā)于兩極地區(qū)。

此外，“朱諾號(hào)”最近探測(cè)發(fā)現(xiàn)，木星大氣中還存在規(guī)模更小、位置更淺的閃電，并伴隨著冰雹。這種現(xiàn)象與地球上的閃電冰雹截然不同，是由富含水和氨的木星云層產(chǎn)生的，而地球上的閃電冰雹由水云產(chǎn)生?？茖W(xué)家根據(jù)以往的觀測(cè)推斷，木星上的閃電是在木星大氣45～65千米深處接近冰點(diǎn)的溫度下由水云形成的。但“朱諾號(hào)”的發(fā)現(xiàn)，表明木星的閃電和冰雹可形成于較淺的大氣層。

科學(xué)家認(rèn)為，木星的強(qiáng)雷暴云將水冰晶甩向更高的大氣層——水云上方約25千米，并與氨接觸。雖然這一高度的大氣溫度低至-88℃，但氨可以使水冰融化?？茖W(xué)家解釋說(shuō)：“在如此高度，氨的作用就像是防凍劑，降低了水冰的融點(diǎn)，形成‘氨水液滴云。下落的氨水雨會(huì)與上升的水冰晶體碰撞，并使云層帶電。因?yàn)榈厍蛏喜淮嬖诎彼?，所以這種現(xiàn)象令人涼訝?！?/p>

而冰雹則被用來(lái)解釋木星大氣中氨的缺失?！爸熘Z號(hào)”的微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)顯示，木星大氣中的大部分氨被消耗掉了?？茖W(xué)家解釋說(shuō)：“我們一直在努力用氨水雨來(lái)解釋氫的消耗，但是雨水的深度與觀測(cè)值不相符。我們意識(shí)到像冰雹一樣的固體可能會(huì)吸收更多的氨。發(fā)現(xiàn)淺層閃電后，我們又意識(shí)到有證據(jù)表明氨與大氣中高濃度的水混合，因此閃電是解開(kāi)難題的關(guān)鍵?！笨茖W(xué)家用“蘑菇球”來(lái)形容這種冰雹，它們剛開(kāi)始時(shí)如同地球上的冰雹，在強(qiáng)風(fēng)推動(dòng)過(guò)程中不斷變大，直到上升氣流無(wú)法支撐其重量，開(kāi)始降落，并在溫暖的大氣深處蒸發(fā)殆盡。事實(shí)證明，氨并沒(méi)有丟失，只是與水混合掩蓋了自身。

木星冰雹的形成過(guò)程。

大紅斑不同深度的溫度。

大紅斑的深度

大紅斑——一個(gè)巨形風(fēng)暴是木星最具標(biāo)志性的特征之一，1830年它首次被人類用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，但它迄今可能已經(jīng)存在超過(guò)350年。長(zhǎng)期的紅外觀測(cè)資料顯示，大紅斑比木星其他云層更冷，其云頂高出周圍云層8千米。而關(guān)于大紅斑的最基本問(wèn)題之一是：它到底有多深？“朱諾號(hào)”的微波輻射儀可以窺探木星的深層，是研究大紅斑的絕佳“工具”。科學(xué)家解釋說(shuō)，“朱諾號(hào)”發(fā)現(xiàn)大紅斑最深處可達(dá)350千米，是地球海洋平均深度的50～100倍，底部比頂部更熱。風(fēng)與溫度的差異有關(guān)，底部的高溫可以解釋大氣層頂部的猛烈風(fēng)暴。

木星大紅斑

關(guān)于大紅斑的未來(lái)有很多爭(zhēng)論，數(shù)年來(lái)的觀測(cè)顯示，大紅斑似乎正在縮小。1979年“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”分別造訪木星時(shí)，大紅斑可以塞下兩個(gè)地球，而今天的觀測(cè)顯示，其寬度已經(jīng)縮小了1/3，高度減小了1/8。人們不知道大紅斑會(huì)持續(xù)存在多久，或這大小變化是不是它正常波動(dòng)變化的結(jié)果。

此外，“朱諾號(hào)”還在木星赤道附近上方發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的輻射帶。其中包含幾乎以光速運(yùn)動(dòng)的高能氫、氧和硫離子。通過(guò)木星高能粒子檢測(cè)儀研究，科學(xué)家認(rèn)為這些粒子源自木星衛(wèi)星艾歐（木衛(wèi)一）和歐羅巴（木衛(wèi)二）周圍氣體中產(chǎn)生的高能中性原子（無(wú)電荷的快速移動(dòng)原子）。當(dāng)中l(wèi)生原子的電子通過(guò)與木星上層大氣的相互作用而被剝離時(shí)，就變成了離子。

木衛(wèi)三的北極

2019年12月26日，“朱諾號(hào)”從太陽(yáng)系最大的衛(wèi)星一蓋尼米得（木衛(wèi)三）北極附近飛過(guò)，利用極光紅外成像儀首次拍攝了這顆大質(zhì)量衛(wèi)星北極區(qū)域的紅外圖像。

木衛(wèi)三直徑5268千米，比水星還要大。和外太陽(yáng)系諸多衛(wèi)星一樣，木衛(wèi)三主要由冰組成，但卻是太陽(yáng)系內(nèi)唯一一顆帶有磁場(chǎng)的衛(wèi)星。木衛(wèi)三的磁場(chǎng)被嵌套在木星巨大的磁層中，兩極地區(qū)不斷受到來(lái)自木星磁層帶電粒子的轟擊。極光紅外成像儀顯示，木衛(wèi)三北極周圍的冰已被等離子體的沉淀所改變，那里的冰沒(méi)有形成晶體結(jié)構(gòu)，即沒(méi)有固定的形狀，與赤道地區(qū)的冰有明顯區(qū)別。木衛(wèi)三的磁場(chǎng)將帶電粒子引入兩極，對(duì)冰體結(jié)構(gòu)形成猛烈破壞，使之無(wú)法形成規(guī)則的結(jié)晶體。極光紅外成像儀被用于探測(cè)木星深處發(fā)出的紅外線，探測(cè)木星云頂以下50～70千米的大氣，但也被用于研究木星的“伽利略”衛(wèi)星（即木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四）。