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董方红



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木星

 
木星




  木星(mu xing)古称岁星,是离太阳远近的第五颗行星,而且是八大行星中最大的一颗,比所有其他的行星的合质量大2倍(地球的318倍)。木星绕太阳公转的周期为4332.589天,约合11.86年。木星(a.k.a. Jove)希腊人称之为 宙斯(众神之王,奥林匹斯山的统治者和罗马国的保护人,它是Cronus(土星)的儿子。




  公转轨道: 距太阳 778,330,000 千米 (5.20 天文单位
  行星直径: 142,984 千米 (赤道)
  质量: 1.90*10^27千克


  木星是天空中第四亮的物体(次于太阳,月球金星;有时候火星更亮一些),早在史前木星就已被人类所知晓。根据伽利略1610年对木星四颗卫星木卫一木卫二木卫三木卫四(现常被称作伽利略卫星)的观察,它们是不以地球为中心运转的第一个发现,也是赞同哥白尼日心说的有关行星运动的主要依据.许多年来人们一直认为木卫三是1609年由伽利略通过他自制的望远镜发现的,连同木卫一、木卫二、木卫四被称为伽利略卫星。其实木卫三是中国战国时代的天文学家甘德发现的,他著有《岁星经》和《天文星占》两书,可惜均以失传。唐朝天文学家瞿昙悉达编著的《开元占经》第二十三卷中有这样的记载“甘氏曰:单阏之岁,摄提格在卯,岁星在子,与须女、虚、危晨出夕入,其状甚大有光,若有小赤星附于其侧,是谓同盟”。


  甘德早在公元前346年发现了木卫三,比伽利略早了将近2000年。


  气态行星没有实体表面,它们的气态物质密度只是由深度的变大而不断加大(我们从它们表面相当于1个大气压处开始算它们的半径和直径)。我们所看到的通常是大气中云层的顶端,压强比1个大气压略高。


  木星由90%的和10%的(原子数之比, 75/25%的质量比)及微量的甲烷、氨水和“石头”组成。这与形成整个太阳系的原始的太阳系星云的组成十分相似。土星有一个类似的组成,但天王星海王星的组成中,氢和氦的量就少一些了。


  我们得到的有关木星内部结构的资料(及其他气态行星)来源很不直接,并有了很长时间的停滞。(来自伽利略号的木星大气数据只探测到了云层下150千米处。)


  木星可能有一个石质的内核,相当于10-15个地球的质量。


  内核上则是大部分的行星物质集结地,以液态氢的形式存在。这些木星上最普通的形式基础可能只在40亿巴压强下才存在,木星内部就是这种环境(土星也是)。液态金属氢由离子化的质子与电子组成(类似于太阳的内部,不过温度低多了)。在木星内部的温度压强下,氢气是液态的,而非气态,这使它成为了木星磁场的电子指挥者与根源。同样在这一层也可能含有一些氦和微量的冰。


  最外层主要由普通的氢气与氦气分子组成,它们在内部是液体,而在较外部则气体化了,我们所能看到的就是这深邃的一层的较高处。水、二氧化碳、甲烷及其他一些简单气体分子在此处也有一点儿。


  云层的三个明显分层中被认为存在着氨冰,铵水硫化物和冰水混合物。然而,来自伽利略号的证明的初步结果表明云层中这些物质极其稀少(一个仪器看来已检测了最外层,另一个同时可能已检测了第二外层)。但这次证明的地表位置十分不同寻常--基于地球的望远镜观察及更多的来自伽利略号轨道飞船的最近观察提示这次证明所选的区域很可能是那时候木星表面最温暖又是云层最少的地区。


  来自伽利略号的大气层数据同样证明那里的水比预计的少得多,原先预计木星大气所包含的氧是目前太阳的两倍(算上充足的氢来生成水),但目前实际集中的比太阳要少。另外一个惊人的消息是大气外层的高温和它的密度。


  木星和其他气态行星表面有高速飓风,并被限制在狭小的纬度范围内,在接近纬度的风吹的方向又与其相反。这些带中轻微的化学成分与温度变化造成了多彩的地表带,支配着行星的外貌。光亮的表面带被称作(zones),暗的叫作(belts)。这些木星上的带子很早就被人们知道了,但带子边界地带的漩涡则由旅行者号飞船第一次发现。伽利略号飞船发回的数据表明表面风速比预料的快得多(大于400英里每小时),并延伸到根所能观察到的一样深的地方,大约向内延伸有数千千米。木星的大气层也被发现相当紊乱,这表明由于它内部的热量使得飓风在大部分急速运动,不像地球只从太阳处获取热量。


  木星表面云层的多彩可能是由大气中化学成分的微妙差异及其作用造成的,可能其中混入了硫的混合物,造就了五彩缤纷的视觉效果,但是其详情仍无法知晓。


  色彩的变化与云层的高度有关:最低处为蓝色,跟着是棕色白色,最高处为红色。我们通过高处云层的洞才能看到低处的云层。


  木星表面的大红斑早在300年前就被地球上的观察所知晓(这个发现常归功于卡西尼,或是17世纪的Robert Hooke)。大红斑是个长25,000千米,跨度12,000千米的椭圆,总以容纳两个地球。其他较小一些的斑点也已被看到了数十年了。红外线的观察加上对它自转趋势的推导显示大红斑是一个高压区,那里的云层顶端比周围地区特别高,也特别冷。类似的情况在土星和海王星上也有。目前还不清楚为什么这类结构能持续那么长的一段时间。


  木星向外辐射能量,比起从太阳处收到的来说要多。木星内部很热:内核处可能高达20,000开。该热量的产量是由开尔文-赫尔姆霍兹原理生成的(行星的慢速重力压缩)。(木星并不是像太阳那样由核反应产生能量,它太小因而内部温度不够引起核反应的条件。)这些内部产生的热量可能很大地引发了木星液体层的对流,并引起了我们所见到的云顶的复杂移动过程。土星与海王星在这方面与木星类似,奇怪的是,天王星则不。


  木星与气态行星所能达到的最大直径一致。如果组成又有所增加,它将因重力而被压缩,使得全球半径只稍微增加一点儿。一颗恒星变大只能是因为内部的热源(核能)关系,但木星要变成恒星的话,质量起码要再变大80倍。


  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。


  木星的两极有极光,这似乎是从木卫一上火山喷发出的物质沿着木星的引力线进入木星大气而形成的。木星有光环。光环系统是太阳系巨行星的一个共同特征,主要由小石块和雪团等物质组成。木星的光环很难观测到,它没有土星那么显著壮观,但也可以分成四圈。木星环约有6500公里宽,但厚度不到10公里。

  木星光环

  木星较土星为暗(反照率为0.05)。它们由许多粒状的岩石质材料组成。


  木星有一个同土星般的环,不过又小又微弱。(右图)它们的发现纯属意料之外,只是由于两个旅行者1号的科学家一再坚持航行10亿千米后,应该去看一下是否有光环存在。其他人都认为发现光环的可能性为零,但事实上它们是存在的。这两个科学家想出的真是一条妙计啊。它们后来被地面上的望远镜拍了照。


  木星光环中的粒子可能并不是稳定地存在(由大气层和磁场的作用)。这样一来,如果光环要保持形状,它们需被不停地补充。两颗处在光环中公转的小卫星:木卫十六木卫十七,显而易见是光环资源的最佳候选人。


  伽利略号号飞行器对木星大气的探测发现在木星光环和最外层大气层之间另存在了一个强辐射带,大致相当于电离层辐射带的十倍强。惊人的是,新发现的带中含有来自不知何方的高能量氦离子。


  1994年7月,苏梅克-利维9号彗星碰撞木星,具有惊人的现象。甚至用业余望远镜都能清楚地观察到表面的现象。碰撞残留的碎片在近一年后还可由哈勃望远镜观察到。


  在夜空中,木星是空中最亮的一颗星星(仅次于金星,但金星在夜空中往往不可见)。四个伽利略的卫星用双筒望远镜可很容易的观察到;木星表面的带子和大红斑可由小型天文望远镜观测。迈克·哈卫的行星寻找图表显示了火星以及其它行星在天空中的位置。越来越多的细节,越来越好的图表将被如灿烂星河这样的天文程序来发现和完成。


  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-148℃,仍比计算值高,这也说明木星有内部热源。


  “先驱者号”探测器对木星考察的结果表明,木星没有固体表面,11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。


  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。


  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。

  候补的“太阳”
  
  木星难道仅仅是行星吗?为什么不能把它看作是颗未来的恒星,看作是正在向恒星方向发展的天体呢?读者也许会惊讶:这样提问题是否太荒唐了?本世纪80年代初,前苏联科学家苏切科夫提出木星也许是颗正在发展中的恒星这种新见解之后,确实遭到了不少非议。但是,苏切科夫的意见也并非“空中楼阁”,毫无依据。他的主要观点是:木星内部在进行热核反应,它有自己的热核能源,应该归到“能自己发热、发光”的恒星类天体里去。


  事情真是那样子吗?


  木星离太阳比地球远得多,它接受到的太阳辐射也少得多,表面温度理所当然要低得多。根据计算得出的结果,木星表面温度应该是零下168摄氏度。可是,地面观测得出来的温度是零下 139摄氏度,与计算值相差近30摄氏度,这无论如何不可能是由误差造成的。让探测器在木星附近进行测量,准确程度理应更高些。“先驱者11号”于1974年12月飞掠木星时,测得的木星表面温度为零下148摄氏度,仍比理论值高出不少,说明木星有自己的内部热源。


  对木星进行红外线测量也反映出类似情况。如果木星内部没有热源,它吸收到的热量和支出的应该达到平衡,地球和水星等类的行星的情况正是这样。木星却 不然,它是支大于入,约大1.5~2.0倍,这超支的能量从哪里来呢?很明显,只能由它自己内部的热源予以补贴。




  木星是一颗以氢为主要成分的天体,这与我们的地球有很大的差异,而与太阳相似。木星与太阳这两个天体的大气,都包含约90%的氢和约10%的氦,以及很少量的其他气体。关于木星的内部结构,现在建立的模型认为它的表面并非固体状,整个行星处于流体状态。木星的中心部分大概是个固体核,主要由铁和硅组成,那里的温度至少可以有30000度。核的外面是两层氢,先是一层处于液态金属氢状态的氢,接着是一层处于液态分子氢状态的氢;这两层合称为木星幔。再往上,氢以气体状态成为大气的主要成分。


  具有如此结构的天体,其中心能否发生热核反应而产生出所需的能量来呢?许多人认为是可疑的,甚至不可能的。况且木星的质量并没有达到太阳质量的0.07。


  比起太阳来,木星确实有点“小巫见大巫”。称“霸”其他行星的木星,体积只有太阳的千分之一,质量只及太阳的1/1047,即约0.001个太阳质量,而中心温度也只有太阳的五百分之一。有人认为,这并不妨碍木星内部存在热源,因为它是在木星形成过程中产生并积累起来的。


  前苏联学者苏切科夫等的意见是颇为新颖的,他认为木星内部正进行着热核反应,核心的温度高得惊人,至少有28万度,而且还将变得越来越热,释放更多的能量。释放的速度也将进一步加快。换句话说,木星在逐渐变热,最终会变成一颗名副其实的恒星。


  我国学者刘金沂对行星亮度的研究,从一个侧面提供了证据。他发现在过去很长的一段历史时期里,水星、金星、火星和土星的亮度都有减小的趋势,唯独木星的亮度在增大。如果前述四行星的亮度减小与所谓的太阳正在收缩、亮度在减弱有关,那么,木星亮度增大的原因一定是在木星本身。刘金沂得出的结论是:在最近2000年中,木星的亮度每千年增大约0.003等。这无异对苏切科夫等的观点作了注释。


  此外,太阳不仅每时每刻向外辐射出巨大的能量,同时也以太阳风等形式持续不断地向外抛射各种物质微粒。它们在行星际空间前进时,木星自然会俘获其中相当一部分。这样的话,一方面木星的质量日积月累不断增加,逐渐接近和达到成为一个恒星所必需的最低条件;另一方面,在截获来自太阳的各种粒子时,木星当然也就获得了它们所携带的能量。换言之,太阳以自己的日渐衰弱来促使木星日渐壮大,最后达到两者几乎并驾齐驱的程度,使木星成为恒星。


  这样的过程据说大致需要30亿年的时间。那时,现在的太阳系将成为以太阳和木星为两主体的双星系统;也有可能木星在其“成长”的过程中,把一些小天体俘获过来,建立以自己为中心天体的另一个“太阳系”,与仍以现在太阳为中心天体的太阳系,平起平坐。不管是哪种形式的变化,目前太阳系的全部天体,包括大小行星乃至彗星等,都将有较大幅度的变动。


  这种大变迁会带来什么后果呢?特别是地球和地球上的人类该怎么办呢?一种观点认为,事物发生变化那是必然的,至于是否像前面提到的那样,木星变成恒星那样的天体,这只是一家之见,何况还有30亿年的漫长岁月呢!


  像木星内部结构之类的问题,本来就是一个假说不少、争论颇多的领域,苏切科夫等人的观点只不过使得争论更加热烈而已。在目前的观测水平和理论水平不完善的情况下,像“木星是否正在向恒星方向演变”之类的重大自然科学之谜,不仅现在无法解答,即使是在可以预见到的将来,恐怕也未必能理出个头绪。它无疑将会在很长的一段历史时期里,一直成为科学家们孜孜不倦地探讨的课题。

  木星的卫星





  在宇宙飞船探测木星之前,人们知道木星有13颗卫星。科学家们从“旅行者2号”发回的照片上又发现了3颗,共有16颗木卫(可能有无数卫星)。按距离木星中心由近及远的次 序为:木卫十六、木卫十四木卫五木卫十五、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、木卫十三木卫六木卫十木卫七木卫十二木卫十一木卫八木卫九。它们都围绕着木星公转,离木星最远的木卫九与木星的距离比地球和月亮的距离远60倍,它绕木星公转一周需要758天。


  木卫一、木卫二、木卫三、木卫四于16I0年由伽利略发现,称为伽利略卫星。1892年巴纳德用望远镜发现了木卫五,其他卫星都是1904年以后用照相方法陆续发现的。“旅行者号”飞船于1979年发现了木卫十四,1980年又先后发现木卫十五和木卫十六。除四个伽利略卫星外,其余的卫星半径多是几公里到20公里的大石头。木卫三较大,其半径为2631公里。


  木卫可分为三群:最靠近木星的一群——木卫十六、木卫十四、木卫五、木卫十五和四颗伽利略卫星等8颗,轨道偏心率都小于0.01,顺行,属于规则卫星;其余均属不规则卫星。离木星稍远的一群卫星——木卫十三、木卫六、木卫十及木卫七,偏心离为0.11~0.21,顺行。离木星最远的一群——木卫十二、木卫十一、木卫八及木卫九,偏心率0.17~0.38、逆行。


  木星的四个伽利略卫星和木卫五的轨道几乎在木星的赤道面上。“旅行者1号”对这五颗卫星作了考察。


  木卫五是天文学家巴纳德于1892年在木卫一的轨道内发现的,形状呈卵形。“旅行者1号”发现它为浅灰色,上有一个长约130公里、宽200~220公里的微红区域。木星光环正位于木卫五的轨道里。


  木卫一是16颗卫星中最著名的一颗,离木星很近,平均距离约42万千米。它的体积并不是很大,直径约3640千米,密度和大小有些类似月球,呈球状,整个表面光滑而干燥,有开阔的平原、起伏的山脉和长数千千米、宽百余千米的大峡谷,还有许多火山盆地。它的颜色特别的鲜红,比火星还红,可能是太阳系中最红的天体,上空由稀薄的二氧化硫大气及钠云所包围,并有很频繁的火山活动。旅行者1号探测器在木卫一的表面共发现了9座火山,火山的喷发高度为70~300千米,喷发速度平均每秒1000米,比地球火山爆发大。这些火山不断地喷出由二氧化硫组成的烟,降落在木卫一的表面。这些烟是本星磁层中许多粒子的主要来源,也就是木星磁层中辐射带最强的部分。木卫一是迄今在太阳系中所观测到的火山活动最为频繁和激烈的天体,这一发现给天文学家对太阳系天体的研究提供了新的启示。


  木卫二是一颗体积比月球小,但密度和月球差不多,表面非常光滑,被大量的冰覆盖着,好像是一个冰与奶油巧克力混合而成的大球体。所以从望远镜中看是一颗显得非常明亮的天体。木卫二的另一特征是冰面上布满了许多纵横交错、密如蛛网的明暗条纹,很可能是冰层的裂缝。在木卫二的表面覆盖一层50千米厚的海洋,海洋的上面又覆盖着一层约5千米厚的冰层,也许这就是木卫二的表面如此光滑,反照率又这么高的原因。


  木卫三是木星最大的一颗卫星,它的体积比水星大,表面呈黄色,可分为盖满冰层的明亮区和冰上堆积着岩质灰尘的黑暗区,并有几处横向错开的断层、线状地形、互相平形的山脊与深沟。这些线状地形互相重叠,显示它们形成的年代不同。因此,天文学家推断,木卫三可能曾经发生过类似地球的板块活动。


  木卫四的表面布满了密密麻麻的陨石坑,最明显的特征是一个像牛眼似的白色核心,外面被一层圆环包围着,类似同心圆盆地,直径达600~1500千米。木卫四除了坑洞以外再也找不到其他特殊的地形,因而推断它是太阳系中最古老的卫星表面,在很早以前就终止了内部活动。


  每颗伽利略卫星都有自己的特点,它们的表面、颜色、地壳构造和我们熟悉的行星很不相同。通过对伽利略卫星的研究,我们对太阳系有了更新的认识。


  1610年1月,大物理学家伽利略用望远镜首先观测到木星的4颗卫星,即木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。后人统称它们为枷利略卫星。以后很长一段时间,人们没有再发现木星的卫星,直到1892年巴纳德才发现了木卫五。尔后又陆续发现木卫六、七……。1974年,发现了木卫十三。1979年,


  “旅行者”探测器遨游木星时,又发现了3颗木星卫星。这16颗卫星连同木星一起,组成了一个庞大的系统,称为木星系,不少人认为它是一个微型太阳系,对研究太阳系形成和演化的天文学家来说,它是一个令人心驰神往的世界。


  木星的4颗枷利略卫星和木卫五的轨道几乎都在木星的赤道面上。1979年,探测器“旅行者1号”对这5颗卫星一一起进行了考察,其中对木卫一的考察尤其详细,并第一次发现了地球之外的火山爆发现象。


  木卫一离木星很近,平均距离约42万公里,它的直径约3640公里,质量为89亿亿亿克。无论从大小、质量以及离行量的距离来看,木卫一都和地球的卫星——月亮比较相似。木卫一的视星等只有4.9等,而且又被木星的光辉所淹没,因此用肉眼是无法看到它的。


  在发射“旅行者”之前,天文学家就觉得木卫一有些奇怪。首先是它的颜色,红得十分耀眼,比火星还红,可能是太阳系中最红的天体。其次,从它的红外线或雷达的反射特征上来看,在某些年份里,它似乎不断在在发生着某种变化。再有,就是不知什么原因,木卫一在运行轨道上遗落下一些硫、钠和钾的微粒。正因为如此,天文学家对木卫一的探测特别感到兴趣盎然。




  当探测器接近木卫一时,发现它的表面五光十色,这种奇特景象在太阳系的其他星球上是绝无仅有的。木卫一与小行星区相邻,照理说,它应受到小行星区散 落物的不断冲击而变得伤痕累累,斑迹重重,但从“旅行者1号”所拍摄的照片来看,木卫一上根本不存在直径大于1公里的撞击陨石坑。这就奇怪了。我们知道,在太阳系许多行星和卫星表面,陨石撞击的坑穴比比皆是,尤其是在像水星和月球这些没有空气的行星和卫星上。我们地球表面上早期也存在着大量的陨石坑,只是由于水、风等因素的长期侵蚀和风化作用,才使许多陨石坑逐渐消逝,但现在仍然可以发现一些。据有的科学家考证,江苏的太湖可能就是一个陨石坑。而木卫一上很冷,根本没有流动的水,也没有稠密的大气,因此也就谈不上水蚀和风化作用。另外,从“旅行者2号”拍摄的照片来看,木卫二的外貌有些像月球,即使在低分辨率的照片上,也能分辨出许多撞击陨石坑。同样是木星的卫星,又处于近乎相同的空间环境,为什么两者在地貌上会有如此大的差异呢?

  看来,木卫一受陨星轰击是在所难免的,一定是某些更激烈的活动过程毁坏了或掩盖了陨星坑。不少天文学家想到了这种激烈过程可能是火山,由于经常发生规模巨大的火山爆发,不断把地下物质带到卫星表面,形成新的表面物质,所以木卫一的表面看起来好像是昨天才形成的,十分年轻。


  在“旅行者1号”到达木星之前不久,木卫一的一种新的能源被证实,那就是斯坦顿·比尔和他的助手们提出的潮汐生热。在以前,人们几乎从来没有重视过这个潜在的巨大能源。根据比尔等人的计算,木卫一内部的大部分物质,由于潮汐生热过程而熔化成为液态。比尔等认为,木卫一上应该有喷发的火山。木卫一内部的硫磺,在表面附近熔化、集中后,在火山的作用下,形成了液态硫地下海。当固态硫加热到大约 115℃时,就会熔化,而且会改变颜色。加热的温度越高,颜色就变得越深。假如熔化的硫磺迅速冷却,又会恢复它原来的颜色。我们在木卫一上看到的不同颜色,很像火山口喷出的液态硫:火山顶端的呈黑色,温度最高;火山附近形成的河流状态硫,呈红色及桔黄色;遍布在平原部分的硫呈黄色。


  木卫一本身不发光,要想直接观测木卫一上的火山爆发现象,活动火山必须位于卫星明暗交界处附近。这样,阳光可以照亮在黑暗天空背景衬托下的火山喷发物,即使是“旅行者”探测器也不例外。


  1979年3月9日,“旅行者”号飞行控制组的一位名叫莫拉比图的女工程师,通过计算机强化木卫一边缘图像时,发现一股耀眼的烟云正从卫星表面喷射出来。不久,她就确定了喷出物的位置正好在一个被推测的火山口上。比尔等人的预言证实了,“旅行者”号发现了地球之外的第一个活火山。以后又陆续发现了8个正处于不同程度的连续喷发之中的火山,从而使木卫一荣获“拥有最多活火山的天体”的称号。


  木卫一火山爆发时所形成的羽毛状“喷泉”,给人们留下难忘而又美好的印象。由于木卫一的引力很小,又不存在空气,使火山喷出来的气体、尘埃抛得很高,然后缓缓地落下,形成一种对称的伞形结构。即接近中心的部分密度高;离中心越远,密度越低,因而称为伞形羽状物。科学家就是从“旅行者1号”拍摄的8个羽状物中,获得木卫一上有火山活动的直接证据的。


  与地球相比,木卫一的火山活动规模是十分壮观的。在已经发现的羽状物中,最大的一个直径为1000公里,喷射高度达280公里,仅中央喷流的底部直径就有37公里。从分布上说,8个羽状物中有7个集中在赤道±30°左右,而沿经度方向大体上是随机分布的。据猜测,这种分布可能同木星对本卫一的潮汐作用相关。


  这些羽状物有着共同的特征:中央部分有一个暗黑的区域,喷发物即由此被抛出,核心部分有一圈不规则的或圆形的亮环围绕着,在亮环外围是一片范围更大的扩散区域。科学家仔细地分析了“旅行者1号”的观测资料,发现木卫一上的许多区域都有这种特征。有的火山位于边缘附近,但没观测到羽状物喷发;有的不是在边缘找到的,因而更无法判断是否有过火山爆发。但不能否认,这些地区在不久前可能有过爆发。照这么说来,木卫一上的火山活动不仅规模大,而且所涉及的区域也是相当广泛的。


  在根据“旅行者1号”观测资料所绘制的木卫一地图上,可以找到大大小小300多个不活动的火山口,其中直径大于20公里的有200来个,最大的竟达250公里。它们深浅不一,最深的达1公里,它们在木卫一表面上近乎随机分布。地球的陆地总面积是木卫一总表面积的3.5倍,但直径大于 20公里的火山口一共只有15个左右,相比之下,木卫一上火山活动的剧烈程度就不难想象了。


  科学家对木卫一的一些现象产生的疑惑和不解,随着木卫一上火山活动的发现而释然了。


  由于经常发生大规模的火山爆发,木卫一表面的更新速率非常高,可以“随时”把撞击陨石坑掩埋掉。根据观测估算,由于火山爆发,平均每年可以在木卫一表面覆盖一层厚约1毫米的物质,所以木卫一的表面看起来总是那么年轻。


  木卫一表面的另一特征就是与火山密切相关的火山流,它们一般出现在卫星表面的橙黄色区域。大部分火山流又长又窄,呈暗黑色,很显然,它们是从破火山口放射出来的暗流。许多火山流是由硫构成的,硫的熔化温度较低,再加上木卫一地壳的热导率很低,于是火山流蔓延得很长、很远,最长可达300公里。由于硫的染色作用,使木卫一成为太阳系里最红的天体。


  由于木卫一上火山喷发得非常高,非常远,以致它们的部分喷发物可以直接进入太空,围绕木星运动。处于木卫一轨道上的那些微粒环的来源可能就是这些火山喷发物。一种意见认为,这些微粒,盘旋着逐渐移向木星,覆盖了在木卫一轨道内侧而靠得很近的木卫五,遂使木卫五也变红了。照这样推测,木卫一喷发的物质中,相当一部分很有可能历尽坎坷最后汇入到木星的环形系统。


  关于火山喷发的热源,科学家大都同意比尔等人的理论:木卫一处于木星的强大引力场中,可能由相邻的其他木卫的潮汐摄动引起,这与地球上的火山可能靠放射性元素的蜕变,加热地核这些因素不同。


  木卫一是迄今在太阳系中所观测到的火山活动最为频繁、最为激烈的天体,这一发现使天文学家对太阳系,特别是对木星系的认识丰富了不少,为今后太阳系天体的研究提供了新的启示。但是关于木卫一火山爆发,人们还存在着一些至今尚未解决的问题,譬如木卫一喷射出来的是富硫的硅酸盐物质呢,还是一种新型的、完全由硫和硫化物组成的物质?

  人类探索木星的情况

  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。


  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“伽利略”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。


  受到“伽利略号”成功的鼓舞,又研制了一个飞向土星的太空探测器,并且为了纪念卡西尼当年发现土星光环的环缝,就把这颗太空探测器取名为“卡西尼号”。


  参加“卡西尼号”土星探测计划的国家一共有17个,它是人类进入空间时代以来最激动人心的大型国际合作课题之一。“卡西尼号”直径3米,高7米,重6.4吨,携带了27种最先进的科学仪器设备。“卡西尼号”还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器,取名为“惠更斯号”。

  “卡西尼号”在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空。如果仅仅依靠火箭的推力直接飞向土星,并要求它像现在这样在7年之内飞到土星,那么使用的燃料决不能少于70吨。然而,人类至今还不能制造可以携带这么多燃料的火箭。因此,“卡西尼号”采用了与“伽利略号”类似的办法,借用行星的引力来加快速度。


  “卡西尼号”发射后,首先于1998年4月在距金星284千米处飞掠,利用金星引力获得加速。之后,它绕太阳一圈,于1999年6月再次在距金星600千米处飞掠,获得金星引力的第二次加速。同年8月,“卡西尼号”在距地球1171千米处飞掠,被地球引力再次加速。


  “卡西尼号”第二次离开地球后,才飞往太阳系的外层。2000年12月,它在距木星约1000万千米处飞掠,获得了木星引力的加速。这时,它的速度超过了每秒30千米。然后,它才向目的地土星飞去。


  土星离开地球的距离,最近时不到13亿千米,最远时也不超过16亿千米,然而“卡西尼号”由于采用了上述迂回的飞行路线,飞往土星的行程长达35亿千米。不过,磨刀不误砍柴功,飞行的时间并没有因此增加,而燃料却大大节省了。


  进入环绕土星轨道


  北京时间2004年7月1日上午,“卡西尼号”已经来到了土星近旁。这时候的“卡西尼号”,离开我们的距离超过15亿千米,以至于它与地球之间的无线电通信联系,尽管无线电波以光速传播,可是单程就要花84分钟。于是,对于在“卡西尼号”发生的事情,就有了两个时间,一个是在“卡西尼号”上的时钟记录下来的一件事情真正发生的时间,另一个则是我们地球上的时钟记录下来的我们“看到”这件事情发生的时间,后一时间比前一时间晚84分钟。


  下面,我们还是以地球上“看到”事情发生的时间为准,而且,我们采用北京时间来表示地球时间。
  “卡西尼号”的任务之一就是对土星的光环进行探测。尽管它初来乍到,然而入轨过程本身,就是在预期4年的探测运行中一个绝好的与土星距离最近的机会,它与土星表面云层顶部的距离最近时只有大约2万千米。科学家自然不会放过这个机会开展对土星光环的探测,因此在它入轨的过程中安排了两次穿越土星光环。


  整个入轨过程,包括两次穿越光环,每一个步骤,都是预先经过精密计算设定的,由电脑控制着所有事情有条不紊地进行。

《史记·天官书》
  
  察日、月之行以揆岁星顺逆。曰东方木,主春,日甲乙。义失者,罚出岁星。岁星赢缩,以其舍命国。所在国不可伐,可以罚人。其趋舍而前曰赢,退舍曰缩。赢,其国有兵不复;缩,其国有忧,将亡,国倾败。其所在,五星皆从而聚于一舍,其下之国可以义致天下。


  以摄提格岁:岁阴左行在寅,岁星右转居丑。正月,与斗、牵牛晨出东方,名曰监德。色苍苍有光。其失次,有应见柳。岁早,水;晚,旱。


  岁星出,东行十二度,百日而止,反逆行;逆行八度,百日,复东行。岁行三十度十六分度之七,率日行十二分度之一,十二岁而周天。出常东方,以晨;入于西方,用昏。


  单阏岁:岁阴在卯,星居子。以二月与婺女、虚、危晨出,曰降入。大有光。其失次,有应见张。其岁大水。


  执徐岁:岁阴在辰,星居亥。以三月与营室、东壁晨出,曰青章。青青甚章。其失次;有应见轸。岁早,旱;晚,水。


  大荒骆岁:岁阴在巳,星居戌。以四月与奎、娄晨出,曰跰踵。熊熊赤色,有光。其失次,有应见亢。


  敦牂岁:岁阴在午,星居酉。以五月与胃、昴、毕晨出,曰开明。炎炎有光。偃兵;唯利公王,不利治兵。其失次,有应见房。岁早,旱;晚,水。


  叶洽岁:岁阴在未,星居申。以六月与觜觿、参晨出,曰长列。昭昭有光。利行兵。其失次,有应见箕。


  涒滩岁:岁阴在申,星居未。以七月与东井、舆鬼晨出,曰大音。昭昭白。其失次,有应见牵牛。


  作鄂岁:岁阴在酉,星居午。以八月与柳、七星、张晨出,曰长王。作作有芒。国其昌,熟谷。其失次,有应见危。有旱而昌,有女丧,民疾。


  阉茂岁:岁阴在戌,星居巳。以九月与翼、轸晨出,曰天睢。白色大明。其失次,有应见东壁。岁水,女丧。


  大渊献岁:岁阴在亥,星居辰。以十月与角、亢晨出,曰大章。苍苍然,星若跃而阴出旦,是谓“正平”。起师旅,其率必武;其国有德,将有四海。其失次,有应见娄。

  困敦岁:岁阴在子,星居卯。以十一月与氐、房、心晨出,曰天泉。玄色甚明。江池其昌,不利起兵。其失次,有应昴。


  赤奋若岁:岁阴在丑,星居寅,以十二月与尾、箕晨出,曰天皓。黫然黑色甚明。其失次,有应见参。


  当居不居,居之又左右摇,未当去去之,与他星会,其国凶。所居久,国有德厚。其角动,乍小乍大,若色数变,人主有忧。


  其失次舍以下,进而东北,三月生天棓,长四丈,末兑,进而东南,三月生彗星,长二丈,类彗。退而西北,三月生天欃,长四丈,末兑。退而西南,三月生天枪,长数丈,两头兑。谨视其所见之国,不可举事用兵。其出如浮如沈,其国有土功;如沈如浮,其野亡。色赤而有角,其所居国昌。迎角而战者,不胜。星色赤黄而沈,所居野大穰。色青白而赤灰,所居野有忧。岁星入月,其野有逐相;与太白斗,其野有破军。

  岁星一曰摄提,曰重华,曰应星,曰纪星。营室为清庙,岁星庙也。

  《马王堆帛书·五星占》

  相与营室晨出东方 ·秦始皇

        帝元 三 五 七 九 [二]
  与东辟晨出东方 二 四 六 [八] [十] [三]
  与娄晨出东方 三 五 七 [九] 一 [四]
  与毕晨出东方 四 六 八 [卅] 二 [五]
  与东井晨出东方 五 七 九 ·汉元 ·孝惠[元] [六]
  与柳晨出东方 六 八 卅 二 二 [七]
  与张晨出东方 七 九 一 [三] [三] [八]
  与轸晨出东方 八 廿 二 [四] 四 [元]
  与亢晨出东方 九 一 三 五 五 二
  与心晨出东方 十 二 四 六 六 三
  与斗晨出东方 一 三 五 七 七
  与婺女晨出东方 二 四 六 八 ·代皇


  秦始皇帝元年(前246年)正月,岁星日行廿分,十二日而行一度,终[岁行卅]度百五分,见三[百六十五日而夕入西方,伏]卅日,三百九十五日而复出东方。[十二]岁一周天,廿四岁一与大[白]合营室。

  最新木星简介

  2007.5.21更新 木星是太阳系中八大行星中的第五个行星,距离太阳有5.2AU,大约为7.8亿公里。


  木星为太阳系最大的行星。木星大到什麼程度呢? 做个比较,如果木星是个中空的球体,那麼其内部大约可以放入1300个地球,可见这颗行星有多巨大. 不过由于木星的密度较地球低,其质量仅为地球的317倍. 左边的图片为木星与地球依照比例呈现的图片。


  位于木星之外的行星,包括土星,天王星,海王星等,主要都是由气体所组成的,通称为类木行星。

  木星的地形外观

  木星表面有红、褐、白等五彩缤纷的条纹图案,可以推测木星大气中的风向是平行于赤道方向,因区域的不同而交互吹著西风及东风,是木星大气的一向明显特徵。大气中含有极微的甲烷、乙烷之类的有机成份,而且有打雷现象,生成有机物的机率相当大。


  木星表面最大的特徵,首推南半球的大红斑。这个巨大的圆形漩涡超过地球直径的3倍。大红斑的豔丽红色令人印象深刻,颜色似乎来自红磷。


  科学家由舒梅克-李维9号彗星撞击后释出的大气成份检测出硫,得知木星大气含有硫的成份。
  大红斑

    木星的表面环境

  木星的成份绝大部分是氢和氦。木星离太阳比较远,表面温度低达摄氏零下150度,木星内部散放出来的热,是它从太阳接受的热的两倍以上,所以如果木星只靠太阳的热来加温,表面温度还会再低20度。

    木星的星体结构

  木星的表面是由液态氢以及氦所组成的,在深入地心为液态的金属氢,其核心为一个岩质的核,约有地球的两倍大,十倍重。


  木星拥有非常大的磁场,表面磁场的强度超过地球的10倍。木星的磁气圈分布范围比地球磁气圈的范围大上100多倍,是太阳系中最大的磁气圈。由于太阳风和磁气圈的作用,木星也和地球一样在极区有极光产生。

  木星的行星环

  随着行星际空间探测器的发射,不断揭示出太阳系天体中许多前所未知的事实,木星环的发现就是其中的一个。早在1974年"先锋11号"探测器访问木星时,就曾在离木星约13万公里处观测到高能带电粒子的吸收特征。两年后有人提出这一现象可用木星存在尘埃环来说明。可惜当时无人作进一步的定量研究以推测这一假设环的物理性质。1977年8月20日和9月5日美国先后发射了"旅行者1号"和"旅行者2号"空间探测器。经过一年半的长途跋涉,"旅行者1号"穿过木星赤道面,这时它所携带的窄角照相机在离木星120万公里的地方拍到了亮度十分暗弱的木星环的照片。同年7月,后其到达的"旅行者2号"又获得了有关木星环的更多的信息。


  根据对空间飞船所拍得照片的研究,现已知道木星环系主要由亮环、暗环和晕三部分组成。环的厚度不超过30公里。亮环离木星中心约13万公里,宽6000公里。暗环在亮环的内侧,宽可达5万公里,其内边缘几乎同木星大气层相接。亮环的不透明度很低,其环粒只能截收通过阳光的万分之一左右。靠近亮环的外缘有一宽约700公里的亮带,它比环的其余部分约亮10%,暗环的亮度只及亮度环的几分之一。晕的延伸范围可达环面上下各1万公里,它在暗环两旁延伸到最远点,外边界则比亮环略远。据推算,环粒的大小约为2微米,真可算是微粒。这种微米量级的微粒因辐射压力、微陨星撞击等原因寿命大大短于太阳系寿命。为了证实木星环是一种相对稳定结构这一说法,人们提出了维持这种小尘埃粒子数量的动态稳定的几种可能的环粒补充源。

  木星的卫星




  Io 伊奥 Europa 欧罗巴 Ganymede 加尼美德 Callisto 卡利斯托


  木星拥有超过61颗卫星 ,是太阳系中拥有最多卫星的行星。其中靠近内侧的地方有4颗特别大。从靠近木星的一端数起依序为:伊奥、欧罗巴 、加尼美德、卡利斯托,是由物理学家伽利略最早发现的,又称为伽利略四大卫星。


  右图是由火星全球探索者号(Mars Global Surveyor,MGS)在2003年5月8日于火星轨道上所拍摄木星与其卫星的合照,由左至右分别为卡利斯托、加尼美德、木星、以及欧罗巴。


  资料来源: NASA/JPL-Caltech


  由图中可以看出木星的大小与卫星差异之大。除了欧罗巴以外,每颗伽利略卫星都比月球大,加尼美德甚至比水星还大。伊奥的大小和月球差不多,却拥有众多的活火山,地壳运动频繁。有人主张伊奥活火山的能量来自于木星强大的潮汐力。欧罗巴表面布满了无数条纹路花纹,上面几乎看不到陨石坑,十分奇特。这意味著欧罗巴的表面比较新。加尼美德的半径大约为2600公里,是太阳系中所有卫星中最大的一个,甚至比九大行星中的水星还要大。

    木星的观测资讯

  一般小型的 双筒望远镜可以看到木星以及身旁的四大卫星,因为他的光度十分明亮,所以即使是在大都市中也可以在夜空中找到他的位置。在小型天文望远镜中,可以看到木星 较清晰的结构如大红斑以及与四大卫星,且卫星与木星的相对位置会随时间而改变,就像一个"小太阳系"一样,十分有趣。


  人造卫星怎样通过木星引力场加如果以木星为参照系,你说的没错,人造卫星飞临木星时的速度和它离开木星的速度是相等的(在距木星同样距离的时刻,例如10万公里),因为离木星的距离没有变,引力势能没有变,根据能量守恒的原则,卫星与木星相对运动速度所具有的动能不会变,所以相对于木星的运动速度数值也不会变(但速度方向会变),但我们所说的加速不是以木星为参照系的,而是以太阳。木星本身是绕太阳运动的,卫星要想获得加速,必须以与木星运动轨道的有一定角度的方向接近木星,并尽量以木星运动同方向的角度(沿轨道切线方向)离开木星。这样一来,相对于木星,卫星进入木星引力场和离开后的速度是相等的,但相对于太阳系,卫星的速度就增加了。









11木星大红斑

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