木星新發現

龔子程

在經歷了5年的飛行后，2016年7月4日，“朱諾號”木星探測器成功進入環木星軌道，它的使命除了近距離探測這顆巨型氣態行星的大氣環境，還包括對木星大氣內部進行進一步探索。預計到2021年7月，“朱諾號”將完成探測使命，并墜入木星。而今，在墜落期到來前，“朱諾號”已經取得了多項關于木星的科學發現，這些新知在很大程度上刷新了科學家對木星及其衛星的認識。

“朱諾號”木星探測器。

任務回眸

在開始正式探測前，“朱諾號”就已經打破了兩項世界紀錄：它是人類發射最遠的太陽能供電探測器及飛行速度最快的探測器（在抵達木星當日，“朱諾號”在木星巨大的引力作用下被加速至每小時26.5萬千米）。

“朱諾號”攜帶了微波輻射計、紅外線成像光譜儀、引力/無線電研究設備、矢量磁強計和彩色相機等9種主要儀器。微波輻射計和紅外線成像光譜儀用于探測來自木星大氣深處的熱輻射，其他儀器對木星引力場、極性和磁層等展開探測，而它的3個伸展面積巨大的太陽能陣列翼則負責穩定飛行器并為其供電。

木星“水之謎”

一直以來，行星科學家致力于弄清木星大氣中究竟含有多少水。木星被認為很可能是在太陽系中形成的第一顆行星，它俘獲了大量未被太陽吸收的氣體和塵埃，而水對行星的大氣和內部結構會產生重要影響。掌握水的含量，有助于進一步弄清在太陽系形成初期巨行星的形成和演化之謎。1995年12月，木星探測器“伽利略號”釋放出的小型探測器進入木星大氣層，在距離木星表面約120千米深處測得該深度的水含量僅為先前預測值的1/10。科學家由此認為，木星的氫、氧元素比例較低。但在“伽利略號”被大氣壓碾碎前，它探測到的木星大氣含水量仍在不斷上升。根據當時木星紅外地圖，“伽利略號”被證實恰好落入一個水含量極少的“空洞”中。木星大氣的平均含水量依然不得而知。

“朱諾號”近來的測量結果顯示，木星赤道地區的大氣含水量約為0.25%，高于此前“伽利略號”在其他區域探測到的含水量。基于“朱諾號”前8次飛越木星時收集的數據，科學家發現木星赤道的大氣混合程度更均勻，因此“朱諾號”探測到的這個數值（0.25%）更能反映木星大氣的平均含水量。“朱諾號”搭載的微波輻射計利用水吸收某些波長的微波輻射，通過6個天線同時從多個深度測量大氣溫度。測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”探測器首次觀測到木星閃電，其強度超地球閃電上萬倍，但其分布與地球截然不同。地球上的閃電多發于受太陽輻射強、大氣對流旺盛的熱帶及亞熱帶地區，而木星閃電則大多發于兩極。根據“朱諾號”的探測數據，科學家繪制了一張木星北極區域的效果圖，它顯示出大規模的閃電活動。

科學家認為，地球閃電的能量主要來自外部熱量，即太陽輻射。赤道區域受到的輻射最多，那里潮濕的溫暖空氣通過對流快速上升，助長了雷電產生。相同的原理也適用于木星，但木星離太陽的距離比地球遠得多，接收的太陽輻射是地球的1/25，而木星大氣的大部分熱量來自木星內部。雖然木星接收到的太陽輻射較弱，但是太陽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，無法形成大氣對流，因此也就無法形成閃電。而木星兩極的大氣溫差明顯，木星內部的溫暖氣體在兩極能夠順利上升形成對流，因此木星大氣的閃電多發生在兩極。

木星大氣的閃電多發于兩極地區。

此外，“朱諾號”最近探測發現，木星大氣中還存在規模更小、位置更淺的閃電，并伴隨著冰雹。這種現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生的，而地球上的閃電冰雹由水云產生。科學家根據以往的觀測推斷，木星上的閃電是在木星大氣45～65千米深處接近冰點的溫度下由水云形成的。但“朱諾號”的發現，表明木星的閃電和冰雹可形成于較淺的大氣層。

科學家認為，木星的強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。科學家解釋說：“在如此高度，氨的作用就像是防凍劑，降低了水冰的融點，形成‘氨水液滴云。下落的氨水雨會與上升的水冰晶體碰撞，并使云層帶電。因為地球上不存在氨水云，所以這種現象令人涼訝。”

而冰雹則被用來解釋木星大氣中氨的缺失。“朱諾號”的微波輻射計監測顯示，木星大氣中的大部分氨被消耗掉了。科學家解釋說：“我們一直在努力用氨水雨來解釋氫的消耗，但是雨水的深度與觀測值不相符。我們意識到像冰雹一樣的固體可能會吸收更多的氨。發現淺層閃電后，我們又意識到有證據表明氨與大氣中高濃度的水混合，因此閃電是解開難題的關鍵。”科學家用“蘑菇球”來形容這種冰雹，它們剛開始時如同地球上的冰雹，在強風推動過程中不斷變大，直到上升氣流無法支撐其重量，開始降落，并在溫暖的大氣深處蒸發殆盡。事實證明，氨并沒有丟失，只是與水混合掩蓋了自身。

木星冰雹的形成過程。

大紅斑不同深度的溫度。

大紅斑的深度

大紅斑——一個巨形風暴是木星最具標志性的特征之一，1830年它首次被人類用望遠鏡觀測到，但它迄今可能已經存在超過350年。長期的紅外觀測資料顯示，大紅斑比木星其他云層更冷，其云頂高出周圍云層8千米。而關于大紅斑的最基本問題之一是：它到底有多深？“朱諾號”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”。科學家解釋說，“朱諾號”發現大紅斑最深處可達350千米，是地球海洋平均深度的50～100倍，底部比頂部更熱。風與溫度的差異有關，底部的高溫可以解釋大氣層頂部的猛烈風暴。

木星大紅斑

關于大紅斑的未來有很多爭論，數年來的觀測顯示，大紅斑似乎正在縮小。1979年“旅行者1號”和“旅行者2號”分別造訪木星時，大紅斑可以塞下兩個地球，而今天的觀測顯示，其寬度已經縮小了1/3，高度減小了1/8。人們不知道大紅斑會持續存在多久，或這大小變化是不是它正常波動變化的結果。

此外，“朱諾號”還在木星赤道附近上方發現了一個新的輻射帶。其中包含幾乎以光速運動的高能氫、氧和硫離子。通過木星高能粒子檢測儀研究，科學家認為這些粒子源自木星衛星艾歐（木衛一）和歐羅巴（木衛二）周圍氣體中產生的高能中性原子（無電荷的快速移動原子）。當中l生原子的電子通過與木星上層大氣的相互作用而被剝離時，就變成了離子。

木衛三的北極

2019年12月26日，“朱諾號”從太陽系最大的衛星一蓋尼米得（木衛三）北極附近飛過，利用極光紅外成像儀首次拍攝了這顆大質量衛星北極區域的紅外圖像。

木衛三直徑5268千米，比水星還要大。和外太陽系諸多衛星一樣，木衛三主要由冰組成，但卻是太陽系內唯一一顆帶有磁場的衛星。木衛三的磁場被嵌套在木星巨大的磁層中，兩極地區不斷受到來自木星磁層帶電粒子的轟擊。極光紅外成像儀顯示，木衛三北極周圍的冰已被等離子體的沉淀所改變，那里的冰沒有形成晶體結構，即沒有固定的形狀，與赤道地區的冰有明顯區別。木衛三的磁場將帶電粒子引入兩極，對冰體結構形成猛烈破壞，使之無法形成規則的結晶體。極光紅外成像儀被用于探測木星深處發出的紅外線，探測木星云頂以下50～70千米的大氣，但也被用于研究木星的“伽利略”衛星（即木衛一、木衛二、木衛三和木衛四）。