在太阳系中最惹人注目的行星是木星.它素以(体积和质量)巨大而成为九星之王.它是天空中亮度仅次于金星的一颗亮星,通常比火星、天狼星还亮.我国古代称它为"岁星".西方用古代神话中的大神之名称呼它,意思是主宰天上诸神的"宙斯".
液态行星
木星的内部结构与众行星不同,它没有固体外壳,在浓密的大气之下是液态氢组成的海洋.
用天文望远镜观察木星,突出的特性是它那扁球形的外貌.其赤道半径与极半径相差近5000公里.木星的赤道半径为71400公里,为地球的11.2倍.体积为地球的1316倍.质量为1.9×1030克,为地球质量的317.90倍,比太阳系所有的行星、卫星、小行星等大小天体加在一起还重1.5倍.木星的平均密度是1.33克／厘米3,比水稍大.这说明,木星的大部分物质处于气体状态.木星两极的表面重力加速度为23.22米／秒2,赤道上为27.07米／秒2.在木星表面上,物体要有61公里／秒的速度才能脱离木星.所以木星能束缚住大量气体而不让它们跑掉.
木星和其他行星一样,也围绕太阳在椭圆轨道运动,轨道半长径约为5.2天文距离单位(即与太阳平均距离约为7.78亿公里),绕太阳公转一圈为11.86年,木星虽然在太阳系中体积最大,但却是太阳系中自转最快的行星,赤道部分自转一周为9小时50分30秒.由于自转速度快,使得它的形状很扁,大气条纹沿赤道伸展.
木星有稠密的大气,主要成分为氢和氦,还有甲烷、氨、碳、氧及少量的铁和硫.通过天文望远镜,我们看到木星有一些明暗交替的带纹平行于木星的赤道.这些带纹是木星快速自转而产生的大气环流.它们有上千公里厚,因而使我们看不见木星的表面.带纹中有时出现寿命长短不一的亮斑或暗斑.在木星赤道以南,有一个大红斑,它于1665年被法国天文学家卡西尼发现,至今已存在300多年了.大红斑呈蛋形,宽14000公里,长30000公里.
其宽度似乎不变,长度却由发现之初的30000公里逐渐延伸为40000公里,现又缩到二万多公里.大红斑不但大小有变化,而且颜色也有变化,它有时浓艳,有时暗淡.大红斑是一个含有红磷化合物的大气漩涡,朝逆时针方向旋转,温度似乎比周围的木星大气低些.
对木星的辐射探测使我们得知,虽然木星不发光,但它发射的总辐射却是所受太阳辐射的2.5倍.这说明木星除了反射太阳的光和热之外,还具有内能源,其核心处于高温高压状态,但还不足以产生热核反应.科学家认为,木星过剩的能量是木星形成之初,从原始星云中聚集的热能.
为了探测太阳系外围空间的物理情况,迄今为止,共发射了4艘宇宙飞船,即"先驱者"10号、11号,"旅行者"1号和2号.它们都肩负着美国宇航局的重大科学考察项目."先驱者10号"于1972年3月2日上午,一路上考察了行星际物质;1973年12月3日与木星会合,在离木星13万公里处飞掠而过,探测到木星规模宏大的磁层,研究了木星大气,送回300多幅木星云层和木星卫星的彩色电视图像."先驱者11号"飞船于1973年4
月6日发射,1974年12月5日到达木星.它离木星表面最近时只有4.6万公里,比"先驱者10号"近两倍.送回有关木星磁场、辐射带、重力、温度、大气结构以及4个大卫星的情况,并按地面指令调整航向,飞越在地面因视角不合适而难于观测的木星南极地带."先驱者11号"在完成任务后,向着土星飞去.1977年8月20日和9月5日,美国又相继发射了"旅行者1号"
和"旅行者2号"飞船.这两艘飞船在仪器设备方面比"先驱者"10号和11号先进."旅行者1号"于1979年3月飞临木星,在3天之内探测了木星和4个伽利略卫星,以及木卫五,拍摄了数以千计的彩色照片,并进行了一系列科学考察."旅行者2号"于1979年7月飞临木星,对木星进行了考察.
两艘飞船在离开木星后,还要继续探测土星、天王星和海王星,然后飞出太阳系,到茫茫的宇宙中去寻找知音.
宇宙飞船发回的考察结果表明,木星有较强的磁场,表面磁场强度达3～14高斯,比地球表面磁场强得多(地球表面磁场强度只有0.3～0.8高斯).
木星磁场和地球的一样,是偶极的,磁轴和自转轴之间有10°8′的倾角.
木星的正磁极指的不是北极,而是南极,这与地球的情况正好相反.由于木星磁场与太阳风的相互作用,形成了木星磁层.木星磁层的范围大而且结构复杂,在距离木星140万～700万公里之间的巨大空间都是木星的磁层;而地球的磁层只在距地心7～8公里的范围内.木星的四个大卫星都被木星的磁层所屏蔽,使之免遭太阳风的袭击.地球周围有条称为范艾伦带的辐射带,木星周围也有这样的辐射带."旅行者1号"还发现木星背向太阳的一面有3万公里长的北极光.1981年初,当"旅行者2号"早已离开木星磁层飞奔土星的途中,曾再次受到木星磁场的影响.由此看来,木星磁尾至少拖长到6000万公里,已达到土星的轨道上.
过去有人猜测,在木星附近有一个尘埃层或环,但一直未能证实.1979年3月,"旅行者1号"考察木星时,拍摄到木星环的照片,不久,"旅行者2号"又获得了木星环的更多情况,终于证实木星也有光环.木星光环的形状像个薄圆盘,其厚度约为30公里,宽度约为6500公里,离木星12.8万公里.光环分为内环和外环,外环较亮,内环较暗,几乎与木星大气层相接.光环的光谱型为G型,光环也环绕着木星公转,7小时转一圈.木星光环是由许多黑色碎石块构成的,石块直径在数十米到数百米之间.由于黑石块不反射太阳光,因而长期以来一直未被我们发现.
木星有一层厚而浓密的大气层,大气的主要成分是氢,占80％以上,其次是氦,约占18％,其余还有甲烷、氨、碳、氧和水汽等,总含量不足1％.
由于木星有较强的内部能源,致使其赤道与两极温差不大,不超过3℃,因此木星上南北风很小,主要是东西风,最大风速达130～150米／秒.木星大气中充满了稠密活跃的云系.各种颜色的云层像波浪一样在激烈翻腾着.
在木星大气中还观测到有闪电和雷暴.由于木星的快速自转,因此能在它的大气中观测到与赤道平行的、明暗交替的带纹,其中的亮带是向上运动的区域,暗纹则是较低和较暗的云.
木星的大红斑位于南纬23°处,东西长4万公里,南北宽1.3万公里.
探测器发现,大红斑是一团激烈上升的气流,呈深褐色.这个彩色的气旋以逆时针方向转动.在大红斑中心部分有个小颗粒,是大红斑的核,其大小约几百公里.这个核在周围的反时针漩涡运动中维持不动.大红斑的寿命很长,可维持几百年或更长久.
由于木星离太阳平均距离为7.78亿公里,因此木星的表面温度比地球表面温度低得多.从木星接受太阳辐射计算,其表面有效温度值为－168℃,而地球观测值为－139℃,"先驱者11号"宇宙飞船的探测值为－150℃,均比理论值高,这也说明木星有内部热源.
"先驱者11号"探测器对木星考察的结果表明,木星没有固体表面,是一个流体行星.主要是氢和氦.木星的内部分为木星核和木星幔两层,木星核位于木星中心,主要由铁和硅构成,是固体核,温度达3万K.木星幔位于木星核外,以氢为主要元素组成的厚层,其厚度约为7万公里.木幔外就是木星大气,再向外延伸1000公里,就到云顶.
大红斑
木星表面的大多数特征变化倏忽,但也有些标记具有持久和半持久的特征,其中最显著最持久,也是人们最熟悉的特征要算大红斑了.
大红斑是位于赤道南侧、长达2万多公里、宽约1.1万公里的一个红色卵形区域.从17世纪中叶,人们就开始对它进行时断时续的观测,1879年以后,开始对它进行连连续的记录,并发现它在1879～1882年,1893～1894年,1903～1907年,1911～1914年,1919～1920年,1926～1927年,特别是在1936～1937年,1961～1968年,以及1973～1974年这些年代中,变得显眼和色彩艳丽.在其他时间,显得暗淡,只略微带红,有时只有红斑的轮廓.
大红斑是个什么结构?为什么是红色的?如何能持续这么长的时间?要了解这些问题,仅凭地面观测实在是无能为力的.
1957年,第一颗人造卫星的发射,为人类进一步了解繁花似锦的宇宙竖起了一架天梯,开创了空间天文学的研究领域,使"九天揽月"的梦幻变成了事实.
1973年12月3日,美国宇航局发射的第一个木星探测器"先驱者10号"
到达木星,一年之后,它的姊妹飞船"先驱者11号"于1974年12月2日飞掠这个巨行星.这两个探测器取得了探测外太阳系天体的非同一般的成就.
它们传送回来的彩色图像,第一次向我们展示了木星云层系统的复杂性,揭示了大红斑中的气体运动,在木星的全球性云系的细微结构方面,给人一种引人入胜的新概念.
在"先驱者"之后,美国宇航局又在1977年8月20日和9月5日先后发射了"旅行号2号"和"旅行者1号".由于两个探测器飞经的轨道不同,"旅行者1号"于1979年3月5日先到达木星,"旅行者2号"于同年7月9日相继到达.它们拍摄了成千幅奇妙而美丽的图片,积累了大量的木星大气结构和动力学的资料.
按照科学家雷蒙.哈依德的理论,大红斑是位于其下面的某种像山一类的永久特征所造成的大气扰动.但是"先驱者"发现木星表面是流体,完全排除了木星外层具有固态结构表面的可能性,上述理论也就是自然被扬弃了.
"旅行者1号"发回的照片使人清晰地看到,大红斑宛如一个以逆时针方向旋转的巨大漩涡,其浩翰宽阔足以容纳好几个地球.从照片上还可以分辨出一些环状结构.仔细研究后,科学家们认为,在木星的表面覆盖着厚厚
的云层,大红斑是耸立于高空、嵌在云层中的强大旋风,或是一团激烈上升的气流所形成的.
在木星上,类似大红斑的特征还有一些.譬如,在大红斑的偏南处,有3个白色卵形结构,它们首次出现于1938年.另外,1972年,地面观测发现木星的北半球上出现一个小红斑,18个月以后"先驱者10号"到达木星时,发现其形状和大小几乎同大红斑相似.再过一年,"先驱者11号"经过木星时,这个红斑竟踪迹皆无,看来这个红斑只存在了两年左右.
木星上的斑状结构一般持续几个月或几年,它们的共同特点是在北半球作顺时针方向旋转,在南半球作逆时针旋转.气流从中心缓慢地涌出,然后在边缘沉降,遂形成椭圆形状.它们相当于地球上的风暴,不过规模要大得多,持续时间也长得多.
木星云的绚丽多彩,证明木星大气有着十分活跃的化学反应.在探测器拍摄的照片上,可以看到木星大气明暗交错的云带图形.从南极区到北极区依稀可辨17个云区或云带.它们的颜色、亮度均不相同,也许是氨晶体所组成;褐色云带的云层要深些,温度稍高,因而大气向下流动;蓝色部分则显然是顶端云层中的宽洞,通过这些空隙,方可看到晴朗的天空.蓝云的温度最高,红云的温度最低.据判断,大红斑是一个很冷的结构.令人不解的是,如果按平衡状态而言,所有的云彩都应该是白色的,只有当化学平衡被破坏后,才会出现不同的颜色.那么,是什么破坏了化学平衡呢?科学家们推测,可能是荷电粒子、高能光子、闪电,或是沿垂直方向穿过不同温度区域的快速物质运动.
另外,木星云的颜色还涉及到木星大气中的化学成分.从光谱分析证认出木星大气中含有5种物质:氢、氦、氨、甲烷和水,此外还推测有氢的硫化物存在.这些都是无色的.云带出现颜色,必定有其他着色物质,如硫化铵、硫化氢铵以及各种有机化合物和复杂的无机聚合物."旅行者1号"曾在木星云层上面发现过闪电,这表明,那里可能存在着相当复杂的碳氢化合物分子.此外,在木星的背阳面,还发现了30000公里长的极光,证明木星大气受到很多高能粒子的袭击.
科学家认为,染色是一个微妙的过程,它包含偏离平衡状态的信息和化学成分的示踪.据推测,云的颜色与高度的相关性,可以反映形成化学反应的过程.例如,较高的区域接收到更多的日光照射和更多的荷电粒子流.某些区域会有更多的闪电,另一些区域则是垂直方向运动特别强烈的地带,等等.
大红斑的橙红色一直使人困惑不解.有人认为是大红斑中上升气流形成的云中放电现象.为此,美国马里兰大学的一位名叫波南贝罗麦的博士做了一个有趣的实验.他在一只长颈瓶中放上木星大气中存在的一些气体,如甲烷、氨、氢等,对这些气体施加电火花作用,结果发现原先无色的气体变成云状物,一种淡红色的物质沉淀在瓶壁上.这个实验为人们解开大红斑颜色之谜似乎提供了某种有益的启示.相当一部分天文学家认为,磷化物可以说明大红斑的颜色.
自从卡西尼发现大红斑以来,到今天已有300多年了,它为什么能持续如此长的时间呢?有人认为木星的大气又密又厚是大红斑长寿的主要原因,但这只是一种猜测.
大红斑和木星上其他卵形结构的长寿,主要包含两个问题:一个是这些
斑状结构必须是稳定的,不然它们只能存在几天;另一个就是能源问题,一个稳定涡流如果没有能源维持,很快就会下沉.
关于能源,天文学家提出了一系列模型."旋风"模型推论说,像大红斑这种卵形结构是巨形对流槽,它们从下面的凝聚气体中提取能量."切变不稳定性"模型认为,它们从处于其中的区域性股流内抽取能量.还有一种模型,假设它们从较小的、由浮力驱动的涡流中获取能量.再有,就是设想大型卵形结构通过吸收小型涡流来得到能量.此外,还有孤立波理论,等等,但争议都很大.要想形成正确的理论模型,看来还要对"旅行者"的资料作进一步的分析、研究,并最好能对木星大气再作一次深入的实地考察.
伽利略是世界第一架天文望远镜的发明者和4颗木星卫星的发现者.
1989年,美国宇航局发射了以他的名字命名的一个木星探测器,预定在1995年12月飞抵木星.据说,它是迄今发射的最复杂、最先进的行星探测器.
科学家赋予"枷利略"探测器三项使命:(1)探测木星大气层,包括化学组成、同位素比例、木星大气层垂直结构的轮廓图;木星大气层温度、压力轮廓图;木星云层的位置和结构;大气辐射能的平衡;木星闪电的出现频率及其特征等资料.(2)木星的卫星情况,提供木星系形成与演化的研究资料.(3)了解木星磁层结构的特征.
为了完成这些科学考察任务,"伽利略"探测器由木星轨道器和木星大气层探测器两部分组成.后者是为深入木星大气层考察而设置的,它将在到达木星之前5小时与轨道器分开,然后在木星的巨大引力作用下,出入木星赤道附近的大气层进行探测,考察一些表征大气性质的要素,如大气层的温度、压力、大气结构等.它还将通过大气中氨冰云、氢硫铵云和水冰云,进入大气深处探测.限于观测条件,它只能工作一个小时,取得资料后发给绕木星运行的轨道器,然后由轨道器转发回地球.
在子探测器考察木星大气的同时,轨道器对木星本体磁层和4颗枷利略卫星进行测量.
"伽利略"探测器不负众望,圆满完成各项考察任务,为揭示木星大大小小的谜提供第一手资料,为提高和深化人们对木星大红斑、大气、木星本体,乃至整个木星系的认识,作出历史性贡献.
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