木星新发现

在经历了5年的飞行后,2016年7月4日,“朱诺号”木星探测器成功进入环木星轨道,它的使命除了近距离探测这颗巨型气态行星的大气环境,还包括对木星大气内部进行进一步探索。预计到2021年7月,“朱诺号”将完成探测使命,并坠入木星。而今,在坠落期到来前,“朱诺号”已经取得了多项关于木星的科学发现,这些新知在很大程度上刷新了科學家对木星及其卫星的认识。

“朱诺号”木星探测器。

任务回眸

在开始正式探测前,“朱诺号”就已经打破了两项世界纪录:它是人类发射最远的太阳能供电探测器及飞行速度最快的探测器(在抵达木星当日,“朱诺号”在木星巨大的引力作用下被加速至每小时26.5万千米)。

“朱诺号”携带了微波辐射计、红外线成像光谱仪、引力/无线电研究设备、矢量磁强计和彩色相机等9种主要仪器。微波辐射计和红外线成像光谱仪用于探测来自木星大气深处的热辐射,其他仪器对木星引力场、极性和磁层等展开探测,而它的3个伸展面积巨大的太阳能阵列翼则负责稳定飞行器并为其供电。

木星“水之谜”

一直以来,行星科学家致力于弄清木星大气中究竟含有多少水。木星被认为很可能是在太阳系中形成的第一颗行星,它俘获了大量未被太阳吸收的气体和尘埃,而水对行星的大气和内部结构会产生重要影响。掌握水的含量,有助于进一步弄清在太阳系形成初期巨行星的形成和演化之谜。1995年12月,木星探测器“伽利略号”释放出的小型探测器进入木星大气层,在距离木星表面约120千米深处测得该深度的水含量仅为先前预测值的1/10。科学家由此认为,木星的氢、氧元素比例较低。但在“伽利略号”被大气压碾碎前,它探测到的木星大气含水量仍在不断上升。根据当时木星红外地图,“伽利略号”被证实恰好落入一个水含量极少的“空洞”中。木星大气的平均含水量依然不得而知。

“朱诺号”近来的测量结果显示,木星赤道地区的大气含水量约为0.25%,高于此前“伽利略号”在其他区域探测到的含水量。基于“朱诺号”前8次飞越木星时收集的数据,科学家发现木星赤道的大气混合程度更均匀,因此“朱诺号”探测到的这个数值(0.25%)更能反映木星大气的平均含水量。“朱诺号”搭载的微波辐射计利用水吸收某些波长的微波辐射,通过6个天线同时从多个深度测量大气温度。测量温度可以反映出木星大气深层水和氨的比例,由此能间接获知木星大气含水量。

研究木星大气的三种手段。

怪异的木星闪电

1979年,“旅行者号”探测器首次观测到木星闪电,其强度超地球闪电上万倍,但其分布与地球截然不同。地球上的闪电多发于受太阳辐射强、大气对流旺盛的热带及亚热带地区,而木星闪电则大多发于两极。根据“朱诺号”的探测数据,科学家绘制了一张木星北极区域的效果图,它显示出大规模的闪电活动。

科学家认为,地球闪电的能量主要来自外部热量,即太阳辐射。赤道区域受到的辐射最多,那里潮湿的温暖空气通过对流快速上升,助长了雷电产生。相同的原理也适用于木星,但木星离太阳的距离比地球远得多,接收的太阳辐射是地球的1/25,而木星大气的大部分热量来自木星内部。虽然木星接收到的太阳辐射较弱,但是太阳辐射依旧使木星赤道比两极更热,这使得木星赤道的高层大气温差不明显,无法形成大气对流,因此也就无法形成闪电。而木星两极的大气温差明显,木星内部的温暖气体在两极能够顺利上升形成对流,因此木星大气的闪电多发生在两极。

木星大气的闪电多发于两极地区。

此外,“朱诺号”最近探测发现,木星大气中还存在规模更小、位置更浅的闪电,并伴随着冰雹。这种现象与地球上的闪电冰雹截然不同,是由富含水和氨的木星云层产生的,而地球上的闪电冰雹由水云产生。科学家根据以往的观测推断,木星上的闪电是在木星大气45~65千米深处接近冰点的温度下由水云形成的。但“朱诺号”的发现,表明木星的闪电和冰雹可形成于较浅的大气层。

科学家认为,木星的强雷暴云将水冰晶甩向更高的大气层——水云上方约25千米,并与氨接触。虽然这一高度的大气温度低至-88℃,但氨可以使水冰融化。科学家解释说:“在如此高度,氨的作用就像是防冻剂,降低了水冰的融点,形成‘氨水液滴云’。下落的氨水雨会与上升的水冰晶体碰撞,并使云层带电。因为地球上不存在氨水云,所以这种现象令人凉讶。”

而冰雹则被用来解释木星大气中氨的缺失。“朱诺号”的微波辐射计监测显示,木星大气中的大部分氨被消耗掉了。科学家解释说:“我们一直在努力用氨水雨来解释氢的消耗,但是雨水的深度与观测值不相符。我们意识到像冰雹一样的固体可能会吸收更多的氨。发现浅层闪电后,我们又意识到有证据表明氨与大气中高浓度的水混合,因此闪电是解开难题的关键。”科学家用“蘑菇球”来形容这种冰雹,它们刚开始时如同地球上的冰雹,在强风推动过程中不断变大,直到上升气流无法支撑其重量,开始降落,并在温暖的大气深处蒸发殆尽。事实证明,氨并没有丢失,只是与水混合掩盖了自身。

木星冰雹的形成过程。大红斑不同深度的温度。

大红斑的深度

大红斑——一个巨形风暴是木星最具标志性的特征之一,1830年它首次被人类用望远镜观测到,但它迄今可能已经存在超过350年。长期的红外观测资料显示,大红斑比木星其他云层更冷,其云顶高出周围云层8千米。而关于大红斑的最基本问题之一是:它到底有多深?“朱诺号”的微波辐射仪可以窥探木星的深层,是研究大红斑的绝佳“工具”。科学家解释说,“朱诺号”发现大红斑最深处可达350千米,是地球海洋平均深度的50~100倍,底部比顶部更热。风与温度的差异有关,底部的高温可以解释大气层顶部的猛烈风暴。

木星大红斑

关于大红斑的未来有很多争论,数年来的观测显示,大红斑似乎正在縮小。1979年“旅行者1号”和“旅行者2号”分别造访木星时,大红斑可以塞下两个地球,而今天的观测显示,其宽度已经缩小了1/3,高度减小了1/8。人们不知道大红斑会持续存在多久,或这大小变化是不是它正常波动变化的结果。

此外,“朱诺号”还在木星赤道附近上方发现了一个新的辐射带。其中包含几乎以光速运动的高能氢、氧和硫离子。通过木星高能粒子检测仪研究,科学家认为这些粒子源自木星卫星艾欧(木卫一)和欧罗巴(木卫二)周围气体中产生的高能中性原子(无电荷的快速移动原子)。当中l生原子的电子通过与木星上层大气的相互作用而被剥离时,就变成了离子。

木卫三的北极

2019年12月26日,“朱诺号”从太阳系最大的卫星一盖尼米得(木卫三)北极附近飞过,利用极光红外成像仪首次拍摄了这颗大质量卫星北极区域的红外图像。

木卫三直径5268千米,比水星还要大。和外太阳系诸多卫星一样,木卫三主要由冰组成,但却是太阳系内唯一一颗带有磁场的卫星。木卫三的磁场被嵌套在木星巨大的磁层中,两极地区不断受到来自木星磁层带电粒子的轰击。极光红外成像仪显示,木卫三北极周围的冰已被等离子体的沉淀所改变,那里的冰没有形成晶体结构,即没有固定的形状,与赤道地区的冰有明显区别。木卫三的磁场将带电粒子引入两极,对冰体结构形成猛烈破坏,使之无法形成规则的结晶体。极光红外成像仪被用于探测木星深处发出的红外线,探测木星云顶以下50~70千米的大气,但也被用于研究木星的“伽利略”卫星(即木卫一、木卫二、木卫三和木卫四)。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午8:39。
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