朱諾號的發現:木星水之謎

2020-12-06 解仁江

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作者（編輯）：Tony Greicius

翻譯：張硯斌

校對：王茸 尼安吉 王婧彧

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦

朱諾號飛行器上的JunoCam相機在2017年9月1號捕捉到的木星南部赤道區域的圖像。

Credits: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

這張圖像所展示的濃厚的白色雲層出現在木星赤道區域。在微波頻率下，這些雲是透明的，所以朱諾號微波輻射計就可以測量木星深層大氣中的水。這張圖片是2017年12月16號朱諾號近距離飛越木星時拍攝的。

Credits: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

朱諾號提供了木星大氣中水含量的第一手科學結果。根據最近發布於自然天文學期刊上的朱諾號探測結果估計，木星赤道區域水分子大概佔了木星大氣中分子的0.25%——相當於太陽中的三倍。這也是自從1995年伽利略任務暗示木星可能和太陽一樣極度乾燥（比較的並不是根據液態水而是水的組成成分—氧元素和氫元素）之後，第一次發現氣態巨行星的水含量（豐度）。

對木星大氣中的水分總含量的準確估計已經在行星科學家的願望清單上存在了數十載：因為這顆氣態巨行星的數據對解開太陽系形成之謎具有關鍵意義。木星很可能是太陽系中第一顆形成的行星，它包含了絕大多數太陽組成之外的氣體和塵埃。

關於它的形成的主要理論依託於這顆星球吸收的水分。水含量（豐度）對於氣態巨行星的氣象（比如木星上風的流動）和它的內部結構也有重要的意義。雖然旅行者號和其他太空飛行器探測到了通常由水汽引起的閃電，揭示了水的存在。但是關於木星大氣中的水含量依然是個謎。

1995年12月，就在伽利略探測器停止傳送，墜入木星之前57分鐘，它通過無線電傳送出木星大氣層以下120公裡的水含量的光譜測量數據。此處的大氣壓力可以達到每平方英寸320磅（22巴，即22000hPa）。從事於研究數據的科學家們感到沮喪，因為這個水含量比預期的要少10倍。

更令人意外的是：伽利略探測器所測量的水含量在最深處可能繼續增加，而這一深度遠遠低於在理論上均勻大氣的深度之下。在均勻大氣中，水的含量是恆定的並且更能體現全球平均水平；換句話說就是，這樣更加具有代表性。當和同時期通過地基望遠鏡獲得的紅外地圖一起觀察時，這個結果暗示探測器任務也許只是不那麼幸運，選中了木星上一塊很乾很暖的氣象點作為抽樣。

「正當我們認為我們已經把事情搞清楚的時候，木星卻在提醒著我們還有很多東西要去了解」，聖安東尼奧市西南研究所的朱諾號首席研究員Scott Bolton 說道。「朱諾號的驚喜發現說明在雲頂下面大氣層依然沒有均勻混合依舊是一個我們需要去探索的謎題。沒有人能夠猜測到整個星球的水分是如此多變。」

從上部測量水分

朱諾號這臺可旋轉的太陽能飛行器於2011年發射。根據之前伽利略號的經驗，這次任務於是就成為巨型行星大範圍區域的水含量（豐度）測量。朱諾號的微波輻射探測器（MWR）是一臺新型行星探測設備。它可以通過六條天線從上部觀測木星，同時測量多個深度的大氣溫度。微波輻射探測器充分利用了水吸收固定微波輻射波長的原理，這和快速加熱食物的微波爐是同一個道理。測量的溫度被用於確定深層大氣中水和氨的含量範圍，因為這兩種分子都會吸收微波輻射。

朱諾號科學團隊通過朱諾號前八次飛掠木星收集的數據得到了這個發現。他們最初只關注赤道地區是因為這個區域的大氣相對比較均勻，即使是在深處也是如此。與伽利略探測器（93英裡（150公裡），壓力達到約480 psi（33巴，33000hPa））相比，朱諾號的輻射計從其軌道高處能夠收集到木星大氣層更大深度的數據。

「我們發現在赤道的水分含量比伽利略探測器測量的要大，」一位加州大學伯克利分校的朱諾號科學家Cheng Li說道。「因為赤道地區是很特別的，我們需要和其他區域的水分測量結果進行比較。」

邊界北移

朱諾號的53天飛行軌道正在按照計劃慢慢地向北方移動，每一次近距離飛行都會為大家比較關心的問題帶來更多關於木星北半球的數據。科學團隊期盼著看到大氣水分含量在不同的緯度和區域會有多大變化。氣旋頻發的極地也可以告訴他們關於氣態巨行星的全球水含量分布（豐度）。

朱諾號的第24次近距離飛行在2020年2月17號，下一次近距離飛行在2020年4月10號。

「朱諾號的每一次近距離飛行都是一次發現之旅，」Bolton提到。「因為是木星，所以一直都會有新的發現。朱諾號教給了我們重要一課：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。」

原文連結：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/findings-from-nasas-juno-update-jupiter-water-mystery

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版面編排：琇 茹

責任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

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