龔子程

在經(jīng)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(jìn)入環(huán)木星軌道，它的使命除了近距離探測這顆巨型氣態(tài)行星的大氣環(huán)境，還包括對木星大氣內(nèi)部進(jìn)行進(jìn)一步探索。預(yù)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(jīng)取得了多項關(guān)于木星的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這些新知在很大程度上刷新了科學(xué)家對木星及其衛(wèi)星的認(rèn)識。

“朱諾號”木星探測器。

任務(wù)回眸

在開始正式探測前，“朱諾號”就已經(jīng)打破了兩項世界紀(jì)錄：它是人類發(fā)射最遠(yuǎn)的太陽能供電探測器及飛行速度最快的探測器（在抵達(dá)木星當(dāng)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(shè)備、矢量磁強(qiáng)計和彩色相機(jī)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(fù)責(zé)穩(wěn)定飛行器并為其供電。

木星“水之謎”

一直以來，行星科學(xué)家致力于弄清木星大氣中究竟含有多少水。木星被認(rèn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生重要影響。掌握水的含量，有助于進(jìn)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(jìn)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(yù)測值的1/10?？茖W(xué)家由此認(rèn)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(jù)當(dāng)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(jié)果顯示，木星赤道地區(qū)的大氣含水量約為0.25%，高于此前“伽利略號”在其他區(qū)域探測到的含水量?；凇爸熘Z號”前8次飛越木星時收集的數(shù)據(jù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(shù)值（0.25%）更能反映木星大氣的平均含水量?！爸熘Z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(qiáng)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(fā)于受太陽輻射強(qiáng)、大氣對流旺盛的熱帶及亞熱帶地區(qū)，而木星閃電則大多發(fā)于兩極。根據(jù)“朱諾號”的探測數(shù)據(jù)，科學(xué)家繪制了一張木星北極區(qū)域的效果圖，它顯示出大規(guī)模的閃電活動。

科學(xué)家認(rèn)為，地球閃電的能量主要來自外部熱量，即太陽輻射。赤道區(qū)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(chǎn)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(yuǎn)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(nèi)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(nèi)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(fā)生在兩極。

木星大氣的閃電多發(fā)于兩極地區(qū)。

此外，“朱諾號”最近探測發(fā)現(xiàn)，木星大氣中還存在規(guī)模更小、位置更淺的閃電，并伴隨著冰雹。這種現(xiàn)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(chǎn)生的，而地球上的閃電冰雹由水云產(chǎn)生?？茖W(xué)家根據(jù)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(fā)現(xiàn)，表明木星的閃電和冰雹可形成于較淺的大氣層。

科學(xué)家認(rèn)為，木星的強(qiáng)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(xué)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(xiàn)象令人涼訝?！?/p>

而冰雹則被用來解釋木星大氣中氨的缺失?！爸熘Z號”的微波輻射計監(jiān)測顯示，木星大氣中的大部分氨被消耗掉了?？茖W(xué)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(fā)現(xiàn)淺層閃電后，我們又意識到有證據(jù)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(guān)鍵。”科學(xué)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(qiáng)風(fēng)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(fā)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(fēng)暴是木星最具標(biāo)志性的特征之一，1830年它首次被人類用望遠(yuǎn)鏡觀測到，但它迄今可能已經(jīng)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(guān)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(xué)家解釋說，“朱諾號”發(fā)現(xiàn)大紅斑最深處可達(dá)350千米，是地球海洋平均深度的50～100倍，底部比頂部更熱。風(fēng)與溫度的差異有關(guān)，底部的高溫可以解釋大氣層頂部的猛烈風(fēng)暴。

木星大紅斑

關(guān)于大紅斑的未來有很多爭論，數(shù)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(jīng)縮小了1/3，高度減小了1/8。人們不知道大紅斑會持續(xù)存在多久，或這大小變化是不是它正常波動變化的結(jié)果。

此外，“朱諾號”還在木星赤道附近上方發(fā)現(xiàn)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(xué)家認(rèn)為這些粒子源自木星衛(wèi)星艾歐（木衛(wèi)一）和歐羅巴（木衛(wèi)二）周圍氣體中產(chǎn)生的高能中性原子（無電荷的快速移動原子）。當(dāng)中l(wèi)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(wèi)三的北極

2019年12月26日，“朱諾號”從太陽系最大的衛(wèi)星一蓋尼米得（木衛(wèi)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(zhì)量衛(wèi)星北極區(qū)域的紅外圖像。

木衛(wèi)三直徑5268千米，比水星還要大。和外太陽系諸多衛(wèi)星一樣，木衛(wèi)三主要由冰組成，但卻是太陽系內(nèi)唯一一顆帶有磁場的衛(wèi)星。木衛(wèi)三的磁場被嵌套在木星巨大的磁層中，兩極地區(qū)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(wèi)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(jié)構(gòu)，即沒有固定的形狀，與赤道地區(qū)的冰有明顯區(qū)別。木衛(wèi)三的磁場將帶電粒子引入兩極，對冰體結(jié)構(gòu)形成猛烈破壞，使之無法形成規(guī)則的結(jié)晶體。極光紅外成像儀被用于探測木星深處發(fā)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(wèi)星（即木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四）。