NASA「朱諾號」為木星的水之謎提供了新發現

2021-01-19 NASA愛好者

2017年9月1日，美國國家航空航天局（NASA）的朱諾號（Juno）木星探測器上的JunoCam成像儀捕捉到了這幅木星南部赤道地區的圖片。由於該圖像是定向拍攝的，因此木星的兩級（不可見）從左至右分布在框架內。

版權：NASA/噴氣推進實驗室-加州理工學院（JPL-Caltech）/美國西南研究院（Southwest Research Institute, SwRI）/馬林空間科學系統公司（Malin Space Science Systems, MSSS）/凱文•M•吉爾（Kevin M. Gill）


NASA的朱諾號任務提供了其關於木星大氣中水含量的首次測量結果。根據近期發表於《自然天文學》（Nature Astronomy）期刊上的朱諾號探測器的測量結果估計，在木星的赤道地區，水分子佔大氣中分子的0.25%左右，幾乎是太陽的三倍。這也是自1995年NASA的伽利略號（Galileo）任務提出木星相對太陽而言可能是極其乾燥的（該對比並不基於液態水，太陽中存在的氧氫的含量）以來，首次發現該氣態巨行星上富含水分。


幾十年來，行星科學家們一直希望能夠準確估計木星大氣中的水分總量。該數據是太陽系形成之謎中一個關鍵的缺失部分。木星很可能是太陽系中形成的第一顆行星，它包含了許多沒有被太陽捕獲的氣體和塵埃。


關於木星形成的主要理論是基於其吸收的水量。水的豐度對這顆氣態巨行星的氣象（例如木星上的風如何流動）和內部結構同樣具有重要意義。儘管由旅行者號（Voyager）和其他探測器在木星上所探測到的閃電（一種典型的由水汽引起的現象），暗示著木星上水的存在，但對木星大氣層深處的水含量的準確估計仍然是難以實現的。


1995年12月，在「伽利略」號探測器停止傳送，向木星表面下降之前57分鐘，它用無線電發出了木星大氣中深度約為75英裡（120公裡）處的水含量的光譜測量數據，那裡的大氣壓達到了約320磅每平方英寸（22巴）。研究這些數據的科學家們驚訝地發現，水量僅達到了預期的十分之一，


更令人意外的是：在測量到的最大深度下，伽利略號探測器測量到的水含量似乎仍在增加，遠低於理論上所認為的大氣應該混合良好的深度。在均勻大氣中，整個區域的水含量是恆定的，且更有可能體現全球平均水平；換句話說，更可能是整個木星水含量的一個體現。結合同時期由地面望遠鏡獲得的紅外線地圖，結果表明探測任務可能只是運氣不好，在木星上採集到了一個異常乾燥且溫暖的氣象點。


位於聖安東尼奧的西南研究所朱諾號首席研究員斯科特•博爾頓（Scott Bolton）表示：「就在我們認為已經把事情搞清楚了的時候，木星卻提醒我們仍然還有很多東西需要了解。朱諾號關於即使在雲層之下大氣也沒有均勻混合的驚人發現，依舊是一個需要我們去解開的謎題。沒有人能夠猜到木星上的水分會如此變化無常。」


從高空測量水含量


在這張由JunoCam拍攝的木星赤道區域中出現了濃厚的白色雲層。在微波頻率下，這些雲是透明的，這使得朱諾號的微波輻射計能夠測量木星大氣深層的水。這幅圖像是於2017年12月16日朱諾號飛掠木星時所拍攝的。

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


朱諾於2011年發射升空，是一艘採用自旋穩定的太陽能飛船。基於伽利略號探測器的前期經驗，朱諾號任務的主要目標是獲得這顆巨行星上大片區域的水豐度測量值。朱諾號上搭載了一種用於深空行星探測的新型儀器：微波輻射計（Microwave Radiometer，MWR）是，它能夠利用6根天線同時測量多個深度的大氣溫度，實現從高空測量木星上的水含量。MWR利用的是水吸收特定波長的微波輻射這一事實，這與微波爐快速加熱食物的原理相同。因此，它所測量的溫度能夠用於確定深層大氣中的水和氨的含量範圍，因為這兩種分子都能吸收微波輻射。


朱諾號科學團隊通過朱諾號前八次飛掠木星時所收集的數據，得出了上述發現。他們最開初的關注點在木星的赤道地區，因為那裡的大氣似乎比其他地區混合得均勻，即便在深處也是如此。從其軌道位置上來看，朱諾號的輻射計能夠從比伽利略號探測器更深的地方收集數據，深度可達到93英裡（150公裡），那裡的壓力達到了480磅每平方英寸（33巴）。


加州大學伯克利分校的朱諾號科學家Cheng Li表示：「我們發現赤道地區上的水含量高於伽利略號探測器的測量值。因為木星的赤道地區非常獨特，我們還需要將這些測量結果與木星上其他區域的水含量進行對比。」


向北移動


朱諾號的53天飛行軌道正按計劃緩慢向北移動，每次飛越都會使木星北半球上的更多區域變得更加清晰。朱諾號科學團隊迫切希望了解木星的大氣含水量如何隨緯度和地區而變化，以及富含氣旋的極地能夠告訴他們的關於這顆氣態巨行星的全球水豐度。


2月17日，朱諾號第24次飛掠木星。下一次科學飛行擬於2020年4月10日進行。


博爾頓表示：「每一次科學飛行都是一次重大發現。木星總是給我們一些新的發現。朱諾號給我們上了重要的一課：我們需要通過和一顆星球的近距離親密接觸來驗證我們的理論。」


NASA位於加利福尼亞州帕薩迪納市的噴氣推進實驗室負責為聖安東尼奧西南研究所的首席研究員斯科特•博爾頓（Scott Bolton）管理和執行朱諾號任務。朱諾號是NASA「新前沿」計劃（New Frontiers Program）的一部分，該計劃由位於阿拉巴馬州亨茨維爾的NASA馬歇爾太空飛行中心為NASA科學任務理事會進行管理。義大利航天局（Italian Space Agency, ISA）為朱諾號探測器提供了木星紅外極光繪圖儀（Jovian Infrared Auroral Mapper , JIRAM）和Ka波段翻譯系統（Ka-Band translator system）。位於丹佛的洛克希德•馬丁太空公司建造了這艘太空飛行器，並提供飛行操作。


關於朱諾號的更多信息，請戳閱:

https://www.nasa.gov/juno

https://www.missionjuno.swri.edu


關於木星的更多信息，請戳閱:

https://www.nasa.gov/jupiter


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來源：

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

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