太阳系的真正强者 木星
发布时间:2019-06-26

 

转自: 愿开心 中科院地质地球所

太阳系相比于整个宇宙,犹如一粒微尘般毫不起眼;我们所在的蓝色地球相比于整个太阳系,也如同一粒微尘。我们人类,在这粒微尘之上,仰望星空,想象着有朝一日,能够遍访宇宙中的所有星球,能够游历宇宙中的每一个角落。
 
在之前的系列中,我们已经拜访过了太阳系的所有类地行星。类地行星都有鲜明的岩石圈边界,因此可以脚踏实地地去考察,这可是我们地质地球所的专长。然而太阳系八大行星的另外四颗——我们称之为巨行星——它们并没有一个类似于地面的东西,来让我们登陆拜访。
不过,航空、航天、航海,同样是地球科学研究的常见载体。四颗巨行星的复数个的岩石卫星,也有着值得考察的非凡特性。所以今天,我们就来看看离我们最近,也是太阳系最大的巨行星:木星。
 
 
木星是太阳系真正的强者。跟木星比起来,太阳系的其它行星都是DD。
 
 
太阳系的真正强者
 
 
 
 
图注:真正的强者:木星
 
木星的质量,是太阳质量的千分之一,听起来似乎不大。但是实际上,木星的质量是太阳系其他七大行星的质量的总和的2.5倍还多,大约等于318个地球质量!而从体积上来说,我们所熟知的,木星的标志性景观现象——木星大红斑,完全可以容纳得下整个地球。
 
 
图注:木星与太阳、木星与地球的对比
 
木星体积很大,尽管离我们很远,它在夜空中也非常明亮,是夜空中第三亮的天体,仅次于月亮和金星。它的反光,甚至已经强到足够形成影子了。
 
 
图注:月亮旁边那颗亮星就是木星
 
按理说,按照小说的一致套路,大凡是身形庞大的家伙,行动必然迟缓。然而木星却是个“敏捷的胖子”。木星的自转周期大约是9.925小时,是整个太阳系中自转最快的行星。体积大,转的快,这就形成了一个显而易见的后果,这个胖子变得很扁。就算是用入门级的天文望远镜,也可以看出,其赤道要比两极直径更大,大约相差将近一个地球还多。
 
 
图注:描述木星需要用地球作为单位……
 
木星的很多特殊性质,都跟其硕大,庞大,巨大,宏大,伟大……总之非常非常大的体型,以及作为一个“敏捷的胖子”的本性有关。
木星很大,但是自转又很快,赤道地区的转速达到12.6km/s——这比脱离地球的所谓“第二宇宙速度”;11.2km/s,还要快,作为对比,地球赤道地区的转速只有460m/s,相差27倍。木星的大红斑,就是因为超高速的表面风,形成的一种湍流风暴。暴躁而充满破坏欲,这是木星这个平和的名字下隐藏的特性。
 
 
图注:旅行者1号拍摄的木星,
32天每10个小时拍摄一张图片的合成
 
高速自转的流体,就像线圈里流动的电流,使得木星具有了强大的磁场。这个磁场远比地球的磁场强,赤道地区约有0.42mT,两极地区则达到1.0-1.4mT。地球两极的磁场,大约只有0.06mT,弱了20倍。这样强的磁场,使得木星两极产生了绚烂的极光。
 
 
图注:哈勃望远镜拍摄的木星极光
 
这么狂暴的环境,木星恐怕是登陆不成。臣妾做不到啊.jpg
所以,我们先把目光转向木星的几颗卫星。看看要登陆考察那些卫星,大概需要什么条件。这绝对不是怂了,而是遵从心的呼唤。
 
 
 
图注:木星和它最大的四颗卫星
 
 
 
木星的卫星
 
木星已确认有79颗天然卫星,大小迥异。一般来说,我们最关心其中最大的四颗,也即木星的主卫星群,分别是木卫一:Io(伊奥);木卫二:Europa(欧罗巴);木卫三:Ganymede(盖尼米德);木卫四:Callisto(卡利斯托)。
这四颗卫星于1610年前后,被伽利略(没错就是那个发明了伽利略望远镜的人)用30倍光学望远镜观测到并记录下来,因此也被称为木星的“伽利略卫星”(Galileo moons),这四颗卫星占到木星卫星总质量的99.999%。
四颗卫星中的前三颗,形成了1:2:4的公转周期轨道共振,他们可能是由木星的原始吸积盘形成的。
 
 
图注:伽利略卫星的轨道共振
 
1木卫一:Io
 
 
图注:Galileo拍摄的木卫一真彩图像。
 
如果要说太阳系内什么地方最接近炼狱的话,那么木卫一可能就是这样一个地方。
木卫一是全太阳系已知的天体中最干燥的地方,含有最少的水分子。其表面已知有超过400座活火山,是太阳系地质活动最活跃的地方。上图中的那些黑点和孔洞,就是火山口。火山中流淌出来的岩浆,涂布在木卫一的表面,形成五颜六色的地表。活跃的地质活动,是由于木星,以及木卫二、木卫三、木卫四的引力潮汐,共同作用于木卫一上。木卫一内部的物质,像一个面团一般不停被搓圆捏扁,因此爆发出火山。
 
 
图注:仅仅八年,木卫一上地形就发生了很大的改变。
 
这样的地方对一般人而言是地狱,但对于地质学家和地球物理学家来说绝对是不可多得的实验室。火山,地震,潮汐在这里轮番上演,值得研究的事例必然多不胜数。
科学研究首先要做好防护,正所谓安全第一。
木卫一的表面,火山喷发出有毒有腐蚀性的气体,首先需要对这些挥发分和喷出物做好防护。
 
 
图注:新视野号探测器拍摄到的木卫一火山,将物质喷发到距其表面330km高空
 
此外,仪器和人员装具的耐高温性能也一定要好,这里四处岩浆横流。
 
 
图注:伽利略号拍摄的相关区域的岩浆流
 
木卫一几乎没有大气,其较小的重力,以及来自木星的强大的重力拖曳,也不足以让其维持住火山喷出的气态物质。那么这些物质去哪里了呢?
 
 
图注:月球、木卫一、地球的尺度对比
 
原来,这些物质在喷出木卫一之后,被木星的强大磁场(之前提到过)所捕获,形成一圈甜甜圈形状的等离子体环,这个等离子体环是目前空间科学的热点研究目标,如果感兴趣的话,欢迎大家报考地质地球所的空间物理专业。(因为打广告而被领导拖走)
 
 
图注:木星的甜甜圈状等离子体环
 
因为这个等离子体环的存在,木卫一表面被加速后的等离子体轰击。人员在木卫一的表面,还必须做好电离辐射的防护。
 
2木卫二:Europa
 
 
图注:伽利略号探测器拍摄的木卫二
 
木卫二的名字,欧罗巴,来自于希腊神话神王宙斯的爱人Europa,宙斯在罗马神话里就对应着神王Jupiter。顺便一提,刚才的木卫一Io,以及接下来要提到的Callisto,还有Ganymede(是个男神,男的),也是宙斯这个渣男的爱人。
木卫二是四颗伽利略卫星中最小的一颗,比地球的月亮稍微小一点点。但与月亮不同,欧罗巴拥有太阳系最光滑的固态表面。目前认为,她的表面有一层薄薄的冰壳,冰壳下面则是对流的固态冰,或者液态的水——也就是海洋。
 
 
图注:木卫二的两种可能的表面结构
 
那么说到这儿就已经很明显了,去木卫二,我们需要带上最好的钻头,去钻取冰心样本。也要带上地震仪,去看看在这厚厚的冰盖下,到底有没有一片液态的海洋等待我们去遨游。
 
 
图注:坐上潜水艇去探索木卫二冰面下的秘密世界
 
如果幸运的话,我们随身携带的潜水服可能也会派上用场。之前在木卫一干渴得不行的喉咙,也可以在这里得到一些滋润——不过记得水还是要煮开再喝。
但是,由于木星磁场的影响,木卫二表面的辐射还是非常强!稍微暴露在外界就会导致严重的疾病,所以还是要做好辐射防护。
 
3木卫三:Ganymede
 
前面的欧罗巴已经够“水”的了,可是还有更水的!
木卫三,盖尼米德,经过分析发现,木卫三大约由等量的硅基岩石和水组成!
 
 
图注:木卫三的圈层结构,两层冰夹一层水。
 
根据科学家的分析,Ganymede也许拥有全太阳系最大的海洋,水深可能达到800km。而由于潮汐和内部热源的作用,Ganymede的海底也许会比冰水二相点(在地球上是0摄氏度)高40摄氏度——这意味着生命可能也存在于这片海洋中。
此外,木卫三是整个太阳系最大的卫星,大于月球,甚至比行星水星还要大一点。较大的体积和质量,以及流体的内核,使他像地球一样,具备了内生的磁场。对于一颗卫星来说,这是极为难得的。
 
 
图注:木卫三的磁场结构图,
木星在右边,轨道方向为垂直纸面向外,磁场与木星磁场结合在了一起。
 
由于内生的磁场,木卫三上也有极光。
 
 
而这简直太棒了,也许这里就是人类的下一个家园呢?比如未来水世界?
所以需要带上什么还用得着说么?当然是带上全套家当啊~比如烤鱼用的炉子和煮汤用的锅……不是,我的意思是地质锤、罗盘、野簿,还有重磁电震的各类仪器!
 
4木卫四:Callisto
 
 
图注:伽利略探测器2001年拍摄的木卫四
 
木卫四相比起前面的木卫三,木卫二,似乎就没有那么有趣了。
 
 
根据现在的调查,木卫四似乎并没有完全分异,各种组分在其圈层结构内混合在一起。在木星的磁场环境中,木卫四呈现出很高的电导率,一般代表它含有大量的水。木卫四显得有点离群索居,并没有跟前三位兄弟一起,跳起轨道共振的舞蹈。它的轨道半径比较大,距离木星很远。
但是这些特性,使其成为一颗很安全的天体。
由于圈层分异不显著,轨道又很外围,其地质结构非常稳定。距离木星很远,从而躲开了那个甜甜圈形状的等离子体环,辐射很低。同时岩石含水量又比较高。如果用电解水的方法来生产燃料,那么完全可以将这里改造为一个探索木星系的驿站。
 
 
图注:在木卫四上建立前哨驿站
 
也就是说,如果将来有机会拜访,地质学家们可能只需要带好身份证和信用卡,来这里享受热水、热汤、舒适稳定的床铺,以及价格公道的飞船加油服务。
听起来其实也很不错。
 
 
回到木星
 
但是等一下,我们最终还是要探索木星的不是么?不能因为一点点困难就被吓倒!(12.6km/s的风呼啸吹过)
 
 
图注:Juno探测器拍摄的木星
 
木星笼罩在厚厚的云层下,其可能存在固态的核心,但是可能不是人类轻易能够到达的地方。其大气层的狂暴的风暴,也不是现在的科学技术能够哪怕想象出一种飞行器,来在内部航行的。最坚固的机翼会折断,最厚实的气球会被撕碎,火箭会迅速失去平衡。
科学家可能要像蜻蜓点水一样,在木星的大气层浅表轻轻一触,采集一点样本,然后立刻退出大气层。
所以各位读者有没有什么好的想法呢?(抄评论预警)
 
 
 
按照惯例,总结一下
 
 
为了探索木星这样一个丰富多彩,危险与机遇并存的世界,我们需要:
 
首先,做好防辐射的工作,以抵抗木星甜甜圈的伤害。
第二,请教一下夏威夷那边的科学家,在充满毒雾和岩浆的火山口,如何开展科研。
第三,带好镐头和钻机,还有潜水服,以便在木卫二和木卫三捞鱼吃。
第四,随身携带小水槽和碳棒,也许可以现场制取火箭燃料。
第五,详细询问本文的读者有没有什么好办法可以去木星本体上逛一逛。
最后,带好自己的毛巾!
然后跟志同道合的人一起,用好奇心,去战胜一切不可能!