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木星

  太阳系九大行星中最大的一颗,按离太阳由近及远的次序为第五颗。在天文学中,常用符号 表示。木星是夜空中最亮的几颗星之一,仅次于金星,通常比火星亮(除火星冲日时以外),也比最亮的恒星天狼亮。西方人用罗马主神“尤皮特” (Jupiter)的名字来称呼它。中国古代又称木星为岁星,并用它来纪年(见岁星纪年)。木星的赤道半径为71,400公里,为地球的11.2倍;体积是地球的1,316倍;质量是1.9×1030克,相当于地球质量的三百多倍,是所有其他行星总质量的两倍半。平均密度相当低,只有1.33克/厘米3。重力加速度在赤道和两极不同,赤道上为2,707厘米/秒2,两极为2,322厘米/秒2。已确认的木星卫星有十三颗。长期以来,人们用可见光、红外线和射电波仔细地研究这个星球,近年来,美国“先驱者”10号和11号对木星的探索,大大加深了人们对它的认识。1979年3月,美国“旅行者”1号发现木星周围有环,这样,木星成为太阳系中除土星和天王星外第三个有环的行星(见行星环)。

目录

运动

  木星在椭圆轨道上绕太阳运行,轨道半长径约为5.2天文单位,轨道偏心率为0.048,它在近日点同太阳的距离比在远日点约近 0.5天文单位。木星的轨道面和黄道面的交角只有1°3,几乎在同一平面上。木星绕太阳公转周期为 11.86年。木星赤道部分的自转周期为9小时50分30秒,两极地区的自转周期稍慢一些。它的赤道面和轨道面的交角只有3°05┡,也就是说,木星的自转轴几乎垂直于轨道面。木星是太阳系中自转最快的一个行星。由于自转很快,星体扁率相当大,达0.0648,借助望远镜,肉眼也能看出木星的视圆面呈扁圆状。

大气

  木星有浓密的大气,用望远镜观测木星,可以看到木星大气中有一系列与赤道平行的明暗交替分布的云带。亮的叫带,暗的叫带纹。云带的结构十分复杂,形状并非始终不变,不仅带和带纹的亮度随时间变化,而且在亮带中常常出现不规则的暗区,在暗带中又有能观测到的亮区。这些特征的暂时性和可变性表明,木星大气中的白色、橙色、褐色和棕黄色的云在激烈运动着。

  虽然木星表面的大多数特征变化不定,但有些特征仍具有持久性和半持久性,甚至持续几十年到几百年,只是能见度时高时低。其中最显著最持久的特征要算大红斑了。它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蛋形区域。从十七世纪以来就对它进行时断时续的观测。1878年,大红斑以鲜明的颜色引人注意,从此就有了连续的观测记录。人们发现,有些年代红斑色彩浓艳,有些年代显得暗淡,有时甚至只能隐约看见它的轮廓。大红斑在经度方向有漂移运动,因而它肯定不是一种固态的表面特征。现在认为它很可能是一个巨大的风暴。从木星的外面看去,它是一个强大的旋涡,或是一团激烈上升的气流。旋涡或气流中含有红磷化合物,红斑的颜色可能就是由此产生的。从“旅行者” 1号发回的照片看来,红斑呈深橙色,象一团巨大的旋风,逆时针方向转动。木星大气既密且厚,所以大红斑寿命很长。除大红斑外,木星上还有一些较小的红斑。1972年地面观测发现木星的北半球出现一个小红斑。十几个月后,“先驱者”10号飞掠木星时发现其形状和大小已同大红斑相近。再过一年,“先驱者”11号经过木星时,这个红斑已经杳无踪影。看来,这个小红斑大约存在两年光景。

  木星大气中存在着大规模的环流和小规模的运动。木星云带和红斑的长期存在表明,木星大气中的运动与我们所熟悉的地球大气运动截然不同。一个值得注意的事实是,在两极和赤道之间热通量是均匀分布的。从太阳输入的热量主要集中在低纬度地区,因此内热释放必定起着很重要的补充作用。从木星接受的太阳辐射计算,它表面的有效温度的理论值应为105K,但地面观测值是134K,行星际探测器测得的值为125K,都比理论值高。对木星进行红外观测也表明,木星辐射的热能为它从太阳那里接收到的热能的两倍。这些都说明木星内部存在热源。它的热能可能是木星形成时由引力势能转变而来的,由液氢的大规模对流传递到表面上。

  已知木星大气中氦的含量是氢的10%。对木星的光谱研究得知,氨和甲烷的含量比例同太阳大气中相似。“旅行者” 1号在木星大气中发现了碳、氧和少量的铁,还发现了大量的硫在木星大气中逸散。在木星的背阳面,发现了三万公里长的极光,这表明木星大气受到很多高能粒子的轰击。木星的云带被木星的自转拉长,在木星的厚大气中升降着,行星际探测器的红外线观测表明,暗的带纹是较低、较热的云区,亮带则是较高、较冷的云区。当然,不论带或带纹都是冷的。带的温度是130K,带纹温度是136K。

  木星云为什么如此绚丽多采?这涉及大气的化学成分。从光谱分析证认出木星大气中含有五种物质:氢、氦、氨、甲烷和水,还推断出有氢的硫化物存在,这些都是无色的。云带出现颜色,必定有其他着色物质,如硫化铵、硫化氢铵以及各种有机化合物和复杂的无机聚合物。“旅行者”1号还在木星云层上面发现了闪电,这表明那里可能有相当复杂的碳氢化合物的分子。

内部结构

  木星内部密度分布可从它的引力场的情况反映出来,而根据对“先驱者”10号和11号运行轨道的分析可以得知木星引力场的状况。科学家根据“先驱者号”的观测资料还建立了木星的内部模型。同过去流行的观念大相径庭,这个模型表明木星没有固体表面而是一个流体行星,但它既同行星磁场和行星引力场的现有知识相符,也同高温高压下实验室研究的氢性质外推结果一致。这个模型认为木星的主要成分是氢和氦,其比例类似太阳大气。而在木星中心则有一个主要由铁和硅构成的固体核,那里的温度可达30,000K。这个核心称木星核。核的外面是以氢为主要元素组成的厚层,称为木星幔。它又可分为两层。第一层中估计压力为 300万个大气压,温度为11,000K,氢处于液态金属氢状态,其中分子离解为独立的原子,形成导电的流体。这一层从核向外延伸到46,000公里处。第二层延伸到70,000公里处,被认为是由液态分子氢构成。大气在这层之上再延伸1,000公里,直到云顶。

磁层和磁场

  木星具有比地球更大更强的磁场和辐射带,在“先驱者号”探测器进行探测前,我们唯一的情报是来自被辐射带俘获的带电粒子所发出的无线电波。当然,地面观测得到的知识是相当有限的。只有在“先驱者号”直接测量木星磁场与高能粒子后,才使木星磁层的图景明晰起来。木星磁层可分三个区域。内区(离木星20个木星半径以内)是偶极场,具有和地球辐射带很相似的强辐射带。中介区(从20个木星半径到60个木星半径)的磁力线被离心力以及可能从木星大气层顶部出来的等离子体流所歪曲。整个内区和中介区都按木星大约10小时的自转周期转动。外区(从60个木星半径到90个木星半径)的磁场已相当弱,到磁层边界处趋于零。空间探测表明,除掉很靠近木星表面的部分以外,木星磁场是偶极场,但是场的方向正好与地磁场相反。这就是说,地球上指北的罗盘搬到木星上将指向南方。木星磁轴与自转轴之间的交角大约是10°8。在离开木星表面2~3个木星半径处,场强是0.16高斯。根据“先驱者”11号的探测指出,在离木星3个木星半径以内的磁场是四极的和八极的,而场强为3~11高斯。这种复杂的场结构可能是由木星内部的复杂环流引起的。

射电

  木星射电爆发是沙茵在1950~1951年于澳大利亚发现的。伯克和K.L.富兰克林在1955年证实射电噪暴确实来自木星之后,射电天文学家对木星射电开展了广泛而深入的研究。按照射电辐射三种不同波长区表明有三种不同类型的射电辐射:①厘米区,②分米区,③十米区。厘米区是热辐射,这种辐射来自木星大气上层,从而得知木星大气上层的亮温度为140K左右。分米波辐射则起因于辐射带中的俘获电子绕木星的磁力线转动所发出的同步加速辐射,这是一种非热辐射。木星射电辐射的第三种类型是噪暴型的,来源还不清楚,可能起因于木星大气和电离层的放电,也有人认为它们是靠近木星磁极的回旋电子所产生的回旋加速辐射。科学家发现,这类辐射的出现同太阳的黑子相对数和强耀斑有关。

  用射电方法测得木星的自转周期同用其他方法测得的木星自转周期之间的差别表明:木星核转动比木星幔约快13秒,木星核与木星幔之间进行着周期性的角动量交换,木星大气中风速甚至达到每小时500公里。

起源

  木星早期演化理论和太阳系起源理论十分相似。木星和它的卫星系统很像一个小太阳系,它的中心天体(木星)和太阳系中心天体(太阳)一样,有丰富的氢元素,而且自身也发出热辐射。它的四个大卫星(木卫一至木卫四)同太阳系中的行星一样,密度也随着离中心天体的距离而减少。

  卡梅伦和波拉克的计算指出,木星系统是45亿年前由一团与太阳成分相同的、炽热的原始对流气体星云形成的,这块星云较扁,处于转动状态,并开始向中心坍缩。同时星云盘逐渐消散,木星的几个内卫星开始形成。它们现在的密度差别反映出离中心不同距离处星云盘的温度。木星系的演化和太阳系起源虽然十分相似,但仍有重大差别。例如,太阳自转缓慢,极大部分太阳系角动量集中在行星上,但在木星系统中情形正好相反。中国天文学家戴文赛也研究了木星及其卫星的形成问题,有新的见解。(见彩图)

  参考书目

  T.Gehrels ed.,Jupiter,Univ. of Arizona Press, Tucson, 1976.

  B.M. Peek,The Planet Jupiter,Faber and Faber, London, 1958.

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