木星的資料

【專家解說】：木星(mu xing)古稱歲星，是離太陽遠近的第五顆行星，而且是八大行星中最大的一顆，比所有其他的行星的合質(zhì)量大2倍（地球的318倍）。木星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期為4332.589天，約合11.86年。木星(a.k.a. Jove)希臘人稱之為 宙斯(眾神之王，奧林匹斯山的統(tǒng)治者和羅馬國的保護人，它是Cronus（土星的兒子。) 公轉(zhuǎn)軌道: 距太陽 778,330,000 千米 (5.20 天文單位) 行星直徑: 142,984 千米 (赤道) 質(zhì)量: 1.90*10^27千克 木星是天空中第四亮的物體（次于太陽，月球和金星；有時候火星更亮一些），早在史前木星就已被人類所知曉。根據(jù)伽利略1610年對木星四顆衛(wèi)星：木衛(wèi)一，木衛(wèi)二，木衛(wèi)三和木衛(wèi)四（現(xiàn)常被稱作伽利略衛(wèi)星）的觀察，它們是不以地球為中心運轉(zhuǎn)的第一個發(fā)現(xiàn)，也是贊同哥白尼的日心說的有關(guān)行星運動的主要依據(jù)。 氣態(tài)行星沒有實體表面，它們的氣態(tài)物質(zhì)密度只是由深度的變大而不斷加大（我們從它們表面相當(dāng)于1個大氣壓處開始算它們的半徑和直徑）。我們所看到的通常是大氣中云層的頂端，壓強比1個大氣壓略高。 木星由90％的氫和10％的氦（原子數(shù)之比, 75/25％的質(zhì)量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個太陽系的原始的太陽系星云的組成十分相似。土星有一個類似的組成，但天王星與海王星的組成中，氫和氦的量就少一些了。 我們得到的有關(guān)木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的資料（及其他氣態(tài)行星）來源很不直接，并有了很長時間的停滯。（來自伽利略號的木星大氣數(shù)據(jù)只探測到了云層下150千米處。） 木星可能有一個石質(zhì)的內(nèi)核，相當(dāng)于10－15個地球的質(zhì)量。 內(nèi)核上則是大部分的行星物質(zhì)集結(jié)地，以液態(tài)氫的形式存在。這些木星上最普通的形式基礎(chǔ)可能只在40億巴壓強下才存在，木星內(nèi)部就是這種環(huán)境（土星也是）。液態(tài)金屬氫由離子化的質(zhì)子與電子組成（類似于太陽的內(nèi)部，不過溫度低多了）。在木星內(nèi)部的溫度壓強下，氫氣是液態(tài)的，而非氣態(tài)，這使它成為了木星磁場的電子指揮者與根源。同樣在這一層也可能含有一些氦和微量的冰。 最外層主要由普通的氫氣與氦氣分子組成，它們在內(nèi)部是液體，而在較外部則氣體化了，我們所能看到的就是這深邃的一層的較高處。水、二氧化碳、甲烷及其他一些簡單氣體分子在此處也有一點兒。 云層的三個明顯分層中被認為存在著氨冰，銨水硫化物和冰水混合物。然而，來自伽利略號的證明的初步結(jié)果表明云層中這些物質(zhì)極其稀少（一個儀器看來已檢測了最外層，另一個同時可能已檢測了第二外層）。但這次證明的地表位置十分不同尋常－－基于地球的望遠鏡觀察及更多的來自伽利略號軌道飛船的最近觀察提示這次證明所選的區(qū)域很可能是那時候木星表面最溫暖又是云層最少的地區(qū)。 來自伽利略號的大氣層數(shù)據(jù)同樣證明那里的水比預(yù)計的少得多，原先預(yù)計木星大氣所包含的氧是目前太陽的兩倍（算上充足的氫來生成水），但目前實際集中的比太陽要少。另外一個驚人的消息是大氣外層的高溫和它的密度。 木星和其他氣態(tài)行星表面有高速颶風(fēng)，并被限制在狹小的緯度范圍內(nèi)，在接近緯度的風(fēng)吹的方向又與其相反。這些帶中輕微的化學(xué)成分與溫度變化造成了多彩的地表帶，支配著行星的外貌。光亮的表面帶被稱作區(qū)（zones），暗的叫作帶（belts）。這些木星上的帶子很早就被人們知道了，但帶子邊界地帶的漩渦則由旅行者號飛船第一次發(fā)現(xiàn)。伽利略號飛船發(fā)回的數(shù)據(jù)表明表面風(fēng)速比預(yù)料的快得多（大于400英里每小時），并延伸到根所能觀察到的一樣深的地方，大約向內(nèi)延伸有數(shù)千千米。木星的大氣層也被發(fā)現(xiàn)相當(dāng)紊亂，這表明由于它內(nèi)部的熱量使得颶風(fēng)在大部分急速運動，不像地球只從太陽處獲取熱量。 木星表面云層的多彩可能是由大氣中化學(xué)成分的微妙差異及其作用造成的，可能其中混入了硫的混合物，造就了五彩繽紛的視覺效果，但是其詳情仍無法知曉。 色彩的變化與云層的高度有關(guān)：最低處為藍色，跟著是棕色與白色，最高處為紅色。我們通過高處云層的洞才能看到低處的云層。 木星表面的大紅斑早在300年前就被地球上的觀察所知曉（這個發(fā)現(xiàn)常歸功于卡西尼，或是17世紀的Robert Hooke）。大紅斑是個長25,000千米,跨度12,000千米的橢圓，總以容納兩個地球。其他較小一些的斑點也已被看到了數(shù)十年了。紅外線的觀察加上對它自轉(zhuǎn)趨勢的推導(dǎo)顯示大紅斑是一個高壓區(qū)，那里的云層頂端比周圍地區(qū)特別高，也特別冷。類似的情況在土星和海王星上也有。目前還不清楚為什么這類結(jié)構(gòu)能持續(xù)那么長的一段時間。 木星向外輻射能量，比起從太陽處收到的來說要多。木星內(nèi)部很熱：內(nèi)核處可能高達20,000開。該熱量的產(chǎn)量是由開爾文-赫爾姆霍茲原理生成的（行星的慢速重力壓縮）。（木星并不是像太陽那樣由核反應(yīng)產(chǎn)生能量，它太小因而內(nèi)部溫度不夠引起核反應(yīng)的條件。）這些內(nèi)部產(chǎn)生的熱量可能很大地引發(fā)了木星液體層的對流，并引起了我們所見到的云頂?shù)膹?fù)雜移動過程。土星與海王星在這方面與木星類似，奇怪的是，天王星則不。 木星與氣態(tài)行星所能達到的最大直徑一致。如果組成又有所增加，它將因重力而被壓縮，使得全球半徑只稍微增加一點兒。一顆恒星變大只能是因為內(nèi)部的熱源（核能）關(guān)系，但木星要變成恒星的話，質(zhì)量起碼要再變大80倍。 宇宙飛船發(fā)回的考察結(jié)果表明，木星有較強的磁場，表面磁場強度達3～14高斯，比地球表面磁場強得多（地球表面磁場強度只有0.3～0.8高斯）。木星磁場和地球的一樣，是偶極的，磁軸和自轉(zhuǎn)軸之間有 10°8′的傾角。木星的正磁極指的不是北極，而是南極，這與地球的情況正好相反。由于木星磁場與太陽風(fēng)的相互作用，形成了木星磁層。木星磁層的范圍大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在距離木星140萬～700萬公里之間的巨大空間都是木星的磁層；而地球的磁層只在距地心7～8公里的范圍內(nèi)。木星的四個大衛(wèi)星都被木星的磁層所屏蔽，使之免遭太陽風(fēng)的襲擊。地球周圍有條稱為范艾倫帶的輻射帶，木星周圍也有這樣的輻射帶。“旅行者1號”還發(fā)現(xiàn)木星背向太陽的一面有3萬公里長的北極光。1981年初，當(dāng)“旅行者2號”早已離開木星磁層飛奔土星的途中，曾再次受到木星磁場的影響。由此看來，木星磁尾至少拖長到6000萬公里，已達到土星的軌道上。 木星的兩極有極光，這似乎是從木衛(wèi)一上火山噴發(fā)出的物質(zhì)沿著木星的引力線進入木星大氣而形成的。木星有光環(huán)。光環(huán)系統(tǒng)是太陽系巨行星的一個共同特征，主要由小石塊和雪團等物質(zhì)組成。木星的光環(huán)很難觀測到，它沒有土星那么顯著壯觀，但也可以分成四圈。木星環(huán)約有6500公里寬，但厚度不到10公里。 木星環(huán) 木星環(huán)較土星為暗（反照率為0.05）。它們由許多粒狀的巖石質(zhì)材料組成。 木星有一個同土星般的環(huán)，不過又小又微弱。（右圖）它們的發(fā)現(xiàn)純屬意料之外，只是由于兩個旅行者1號的科學(xué)家一再堅持航行10億千米后，應(yīng)該去看一下是否有光環(huán)存在。其他人都認為發(fā)現(xiàn)光環(huán)的可能性為零，但事實上它們是存在的。這兩個科學(xué)家想出的真是一條妙計啊。它們后來被地面上的望遠鏡拍了照。 木星光環(huán)中的粒子可能并不是穩(wěn)定地存在（由大氣層和磁場的作用）。這樣一來，如果光環(huán)要保持形狀，它們需被不停地補充。兩顆處在光環(huán)中公轉(zhuǎn)的小衛(wèi)星：木衛(wèi)十六和木衛(wèi)十七，顯而易見是光環(huán)資源的最佳候選人。 伽利略號號飛行器對木星大氣的探測發(fā)現(xiàn)在木星光環(huán)和最外層大氣層之間另存在了一個強輻射帶，大致相當(dāng)于電離層輻射帶的十倍強。驚人的是，新發(fā)現(xiàn)的帶中含有來自不知何方的高能量氦離子。 1994年7月，蘇梅克－利維9號彗星碰撞木星，具有驚人的現(xiàn)象。甚至用業(yè)余望遠鏡都能清楚地觀察到表面的現(xiàn)象。碰撞殘留的碎片在近一年后還可由哈勃望遠鏡觀察到。 在夜空中，木星是空中最亮的一顆星星（僅次于金星，但金星在夜空中往往不可見）。四個伽利略的衛(wèi)星用雙筒望遠鏡可很容易的觀察到；木星表面的帶子和大紅斑可由小型天文望遠鏡觀測。邁克·哈衛(wèi)的行星尋找圖表顯示了火星以及其它行星在天空中的位置。越來越多的細節(jié)，越來越好的圖表將被如燦爛星河這樣的天文程序來發(fā)現(xiàn)和完成。 過去有人猜測，在木星附近有一個塵埃層或環(huán)，但一直未能證實。1979年3月，“旅行者1號”考察木星時，拍攝到木星環(huán)的照片，不久，“旅行者2號” 又獲得了木星環(huán)的更多情況，終于證實木星也有光環(huán)。木星光環(huán)的形狀像個薄圓盤，其厚度約為30公里，寬度約為6500公里，離木星12.8萬公里。光環(huán)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，外環(huán)較亮，內(nèi)環(huán)較暗，幾乎與木星大氣層相接。光環(huán)的光譜型為G型，光環(huán)也環(huán)繞著木星公轉(zhuǎn)，7小時轉(zhuǎn)一圈。木星光環(huán)是由許多黑色碎石塊構(gòu)成的，石塊直徑在數(shù)十米到數(shù)百米之間。由于黑石塊不反射太陽光，因而長期以來一直未被我們發(fā)現(xiàn)。 木星有一層厚而濃密的大氣層，大氣的主要成分是氫，占80％以上，其次是氦，約占18％，其余還有甲烷、氨、碳、氧和水汽等，總含量不足1％。由于木星有較強的內(nèi)部能源，致使其赤道與兩極溫差不大，不超過3℃，因此木星上南北風(fēng)很小，主要是東西風(fēng)，最大風(fēng)速達 130～150米／秒。木星大氣中充滿了稠密活躍的云系。各種顏色的云層像波浪一樣在激烈翻騰著。在木星大氣中還觀測到有閃電和雷暴。由于木星的快速自轉(zhuǎn)，因此能在它的大氣中觀測到與赤道平行的、明暗交替的帶紋，其中的亮帶是向上運動的區(qū)域，暗紋則是較低和較暗的云。 木星的大紅斑位于南緯23°處，東西長4萬公里，南北寬1.3萬公里。探測器發(fā)現(xiàn)，大紅斑是一團激烈上升的氣流，呈深褐色。這個彩色的氣旋以逆時針方向轉(zhuǎn)動。在大紅斑中心部分有個小顆粒，是大紅斑的核，其大小約幾百公里。這個核在周圍的反時針漩渦運動中維持不動。大紅斑的壽命很長，可維持幾百年或更長久。 由于木星離太陽平均距離為7.78億公里，因此木星的表面溫度比地球表面溫度低得多。從木星接受太陽輻射計算，其表面有效溫度值為-168℃，而地球觀測值為-139℃，“先驅(qū)者11號”宇宙飛船的探測值為-150℃，均比理論值高，這也說明木星有內(nèi)部熱源。 “先驅(qū)者號”探測器對木星考察的結(jié)果表明，木星沒有固體表面，11是一個流體行星。主要是氫和氦。木星的內(nèi)部分為木星核和木星幔兩層，木星核位于木星中心，主要由鐵和硅構(gòu)成，是固體核，溫度達3萬K。木星幔位于木星核外，以氫為主要元素組成的厚層，其厚度約為7萬公里。木幔外就是木星大氣，再向外延伸1000公里，就到云頂。 大紅斑 木星表面的大多數(shù)特征變化倏忽，但也有些標記具有持久和半持久的特征，其中最顯著最持久，也是人們最熟悉的特征要算大紅斑了。 大紅斑是位于赤道南側(cè)、長達2萬多公里、寬約1.1萬公里的一個紅色卵形區(qū)域。從17世紀中葉，人們就開始對它進行時斷時續(xù)的觀測，1879年以后，開始對它進行連連續(xù)的記錄，并發(fā)現(xiàn)它在1879～1882年，1893～1894年，1903～1907年，1911～1914年，1919～1920 年，1926～1927年，特別是在1936～1937年，1961～1968年，以及1973～1974年這些年代中，變得顯眼和色彩艷麗。在其他時間，顯得暗淡，只略微帶紅，有時只有紅斑的輪廓。 大紅斑是個什么結(jié)構(gòu)？為什么是紅色的？如何能持續(xù)這么長的時間？要了解這些問題，僅憑地面觀測實在是無能為力的。 按照科學(xué)家雷蒙·哈依德的理論，大紅斑是位于其下面的某種像山一類的永久特征所造成的大氣擾動。但是“先驅(qū)者”發(fā)現(xiàn)木星表面是流體，完全排除了木星外層具有固態(tài)結(jié)構(gòu)表面的可能性，上述理論也就是自然被揚棄了。 “旅行者1號”發(fā)回的照片使人清晰地看到，大紅斑宛如一個以逆時針方向旋轉(zhuǎn)的巨大漩渦，其浩翰寬闊足以容納好幾個地球。從照片上還可以分辨出一些環(huán)狀結(jié)構(gòu)。仔細研究后，科學(xué)家們認為，在木星的表面覆蓋著厚厚的云層，大紅斑是聳立于高空、嵌在云層中的強大旋風(fēng)，或是一團激烈上升的氣流所形成的。 在木星上，類似大紅斑的特征還有一些。譬如，在大紅斑的偏南處，有3個白色卵形結(jié)構(gòu)，它們首次出現(xiàn)于1938年。另外，1972年，地面觀測發(fā)現(xiàn)木星的北半球上出現(xiàn)一個小紅斑，18個月以后“先驅(qū)者10號”到達木星時，發(fā)現(xiàn)其形狀和大小幾乎同大紅斑相似。再過一年，“先驅(qū)者 11號”經(jīng)過木星時，這個紅斑竟蹤跡皆無，看來這個紅斑只存在了兩年左右。 木星上的斑狀結(jié)構(gòu)一般持續(xù)幾個月或幾年，它們的共同特點是在北半球作順時針方向旋轉(zhuǎn)，在南半球作逆時針旋轉(zhuǎn)。氣流從中心緩慢地涌出，然后在邊緣沉降，遂形成橢圓形狀。它們相當(dāng)于地球上的風(fēng)暴，不過規(guī)模要大得多，持續(xù)時間也長得多。 木星云的絢麗多彩，證明木星大氣有著十分活躍的化學(xué)反應(yīng)。在探測器拍攝的照片上，可以看到木星大氣明暗交錯的云帶圖形。從南極區(qū)到北極區(qū)依稀可辨17 個云區(qū)或云帶。它們的顏色、亮度均不相同，也許是氨晶體所組成；褐色云帶的云層要深些，溫度稍高，因而大氣向下流動；藍色部分則顯然是頂端云層中的寬洞，通過這些空隙，方可看到晴朗的天空。藍云的溫度最高，紅云的溫度最低。據(jù)判斷，大紅斑是一個很冷的結(jié)構(gòu)。令人不解的是，如果按平衡狀態(tài)而言，所有的云彩都應(yīng)該是白色的，只有當(dāng)化學(xué)平衡被破壞后，才會出現(xiàn)不同的顏色。那么，是什么破壞了化學(xué)平衡呢？科學(xué)家們推測，可能是荷電粒子、高能光子、閃電，或是沿垂直方向穿過不同溫度區(qū)域的快速物質(zhì)運動。 大紅斑的橙紅色一直使人困惑不解。有人認為是大紅斑中上升氣流形成的云中放電現(xiàn)象。為此，美國馬里蘭大學(xué)的一位名叫波南貝羅麥的博士做了一個有趣的實驗。他在一只長頸瓶中放上木星大氣中存在的一些氣體，如甲烷、氨、氫等，對這些氣體施加電火花作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原先無色的氣體變成云狀物，一種淡紅色的物質(zhì)沉淀在瓶壁上。這個實驗為人們解開大紅斑顏色之謎似乎提供了某種有益的啟示。相當(dāng)一部分天文學(xué)家認為，磷化物可以說明大紅斑的顏色。 自從卡西尼發(fā)現(xiàn)大紅斑以來，到今天已有300多年了，它為什么能持續(xù)如此長的時間呢？有人認為木星的大氣又密又厚是大紅斑長壽的主要原因，但這只是一種猜測。 大紅斑和木星上其他卵形結(jié)構(gòu)的長壽，主要包含兩個問題：一個是這些斑狀結(jié)構(gòu)必須是穩(wěn)定的，不然它們只能存在幾天；另一個就是能源問題，一個穩(wěn)定渦流如果沒有能源維持，很快就會下沉。