NASA的朱諾號探測器觀測結(jié)果更新了人們對木星大氣中水含量的認知

圖解：朱諾號搭載的成像儀拍攝的木星赤道南部地區(qū)的圖像，木星的兩極在圖片左右兩側(cè)沒有顯示出來的地方。該照片攝于2017年9月1日。圖源：原文。

不久前，NASA的朱諾號任務組在《自然天文學（Nature Astronomy）》雜志上公布了其首個關(guān)于木星大氣中水含量的科學結(jié)論，它表明木星赤道附近的大氣中水分子數(shù)占總分子數(shù)的0.25%左右，這幾乎是太陽的三倍。自伽利略號探測器抵達木星以來，人們一直認為木星的水含量可能極其?。ê吞栂啾?，不過未直接比較液態(tài)水的含量，而是比較氫元素和氧元素的含量），但這個新結(jié)論首次打破了大家的認知，表明這些氣態(tài)巨行星反而可能是富含水的。

數(shù)十年來，準確估計木星大氣中的水含量一直是行星科學家們的夙愿，因為這個隱藏在氣態(tài)巨行星里的數(shù)字正是解開太陽系形成之謎的最后一塊拼圖。木星很可能是太陽系行星中最先形成的一個，它吸收了沒有被太陽吸收的大部分物質(zhì)，包括氣體和塵埃。

圖解：朱諾號探測器畫像。圖源：NASA。

搞清楚木星的含水量不僅是研究木星乃至太陽系形成過程的重要步驟，也是研究木星的氣象過程（木星上的風是怎么刮的）以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的必需。雖然旅行者號以及一些其他探測器都在木星的大氣里觀測到了閃電現(xiàn)象隱隱透露出木星大氣中可能蘊含著足量的水（因為閃電通常只在潮濕的環(huán)境下發(fā)生），但是人們暫時還是沒有辦法估計出它的準確含量。

1995年12月，伽利略號探測器[1]在扎入木星大氣層后打開降落傘緩緩降落，期間不斷向地球發(fā)送探測數(shù)據(jù)，并在其被損毀前堅持了57分鐘。在它下降了75英里（120公里）時，環(huán)境氣壓上升至約320磅每平方英寸（22千帕），其搭載的光譜儀便測量了木星大氣層中的水含量。當這個數(shù)據(jù)被傳回地球讓科學家們看見的時候，大家都非常驚愕，因為該數(shù)值比預計值要少十倍之多。

圖解：朱諾號在大紅斑上空測量數(shù)據(jù)并將其傳回地球的示意圖。圖源：SwRI。

更令人驚訝的是，在伽利略號尚能傳回數(shù)據(jù)的最深的地方，大氣含水量的測量值似乎仍有隨深度增加而上升的趨勢。按理說，這個地方的大氣成分應當已經(jīng)是被均勻混合的了，所以水成分的含量應該是不會變化的才對，應當相當接近于局部甚至整個大氣中水含量的均值。種種跡象表明，伽利略號的運氣不太好，剛好落在木星上一個特別缺水特別溫暖的地方，這個論斷也得到了地面望遠鏡的紅外成像結(jié)果的支持。

圖解：木星的紅外成像與可見光圖像。圖源：NASA。

在高空中測量水含量

朱諾號探測器[2]于2011年發(fā)射升空，它是個太陽能探測器，在太空中邊自轉(zhuǎn)邊前行。有了伽利略號的前車之鑒，該探測器的探測目的便改為在木星這顆巨大行星的不同區(qū)域測量大氣的水含量。朱諾號搭載的微波輻射計（MWR）是一種新型行星高空探測儀器，它同時利用六根天線的傳感信號來在木星上方的高空測量多個深度處大氣的溫度。這臺微波輻射計的工作原理是水分子會吸收特定波長的微波，這和微波爐快速加熱食物的原理是一樣的。在木星深層大氣中的水分子與氨氣分子（這兩種分子能吸收的微波波長相仿）吸收了微波輻射而升溫后，人們就可以通過測量溫度來推測它們在大氣中的含量了。

朱諾號在前八次飛掠木星上空時收集了不少這些數(shù)據(jù)，并將其傳回地球以供科學團隊研究。最初，觀測區(qū)域被選在赤道附近，因為這兒的大氣看上去比其他地方的更加均勻，即使是在比較深的位置也是如此。朱諾號在天上就能憑借其微波輻射計去測量木星大氣深處的相關(guān)數(shù)據(jù)，甚至能比伽利略號探測得更深——它能探測到93英里（150公里）深處的大氣數(shù)據(jù)，而那里的氣壓能達到約480磅每平方英寸（33千帕）。

“我們發(fā)現(xiàn)赤道大氣的水含量比伽利略號給出的數(shù)據(jù)要高很多?！奔又荽髮W伯克利分?？茖W家兼朱諾號項目參與者李成說道，“畢竟木星的赤道地區(qū)是特殊的區(qū)域，我們還是需要將這些數(shù)據(jù)與木星其他地區(qū)的大氣含水量進行比較，看看是否會有所不同?！?/p>

圖解：木星赤道地區(qū)照片。可以看出，木星赤道上方有著厚厚的白云層，但這些云對微波是透明的，所以朱諾號的微波輻射計可以探測到木星大氣深處的水含量。該照片由朱諾號攝于2017年12月16日。圖源：原文。

朱諾號的“北漂”計劃

朱諾號環(huán)繞木星一周需要53天的時間，現(xiàn)在，它的軌道正按照預定計劃緩慢地向北移動，而它每次飛掠木星都能讓木星北半球的更多區(qū)域更加清楚地展示在人們眼前。地球上的科研團隊人員們也正在翹首以待朱諾號的更多數(shù)據(jù)，他們渴望以此了解木星大氣中水的含量是如何隨著緯度和地區(qū)的變化而變化的。此外，木星的兩極地區(qū)也有很多氣旋風暴[3]，通過分析這些風暴，科學家們同樣可以得出很多關(guān)于木星這顆氣態(tài)巨行星整體水的豐度的信息。

朱諾號曾在2020年2月17日飛掠木星，這也是它第24次飛掠木星。它下一次飛掠木星將是在2020年4月10日。

圖解：朱諾號軌道示意圖。圖源：NASA。

“朱諾號每一次木星都能帶來許多重大的發(fā)現(xiàn)?！辈栴D（Bolton）說，“我們每次都能發(fā)現(xiàn)關(guān)于木星的一些新的東西。朱諾號告訴了我們一個重要的事情：接下來我們得更加靠近木星才能測試現(xiàn)有理論的正確性?！?/p>

朱諾號任務的進行由美國宇航局噴氣推進實驗室（位于加利福尼亞州帕薩迪納）替美國西南研究院（位于圣安東尼奧）的首席研究員斯科特·博爾頓（Scott Bolton）管理。該任務也是美國宇航局的“新前沿計劃（New Frontiers Program）”的一部分，而后者由美國宇航局馬歇爾太空飛行中心（位于阿拉巴馬州亨茲維爾）替美國宇航局科學任務理事會（Science Mission Directorate）管理。意大利航天局為此提供了木星紅外光測繪儀（the Jovian Infrared Auroral Mapper）以及Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器。洛克希德·馬丁公司（位于丹佛）建造了航天器本身并且負責相關(guān)運行操作。

BY: Tony Greicius

FY: 浪漫主義學派

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