探索木星

探索木星

木星是太阳系中最大的一颗行星，数百年来人类一直关注着木星，长期的观测使人们对木星有了一些初步了解：如木星是个椭球体，其表面有与赤道平行的或明或暗的条纹，没有高山和陆地，只是液态氢的“海洋”；环绕木星的光环，远不如土星那样美丽；在木星周围有四大卫星等等。尽管如此，还是有许多疑点得不到解答，如云为什么是黄色的？木星大气层的成分是什么？木星雷电的成因是否与地球雷电的成因相同？作为行星的木星为什么会从其内部发出能量？著名的木星大红斑的本质是什么？为什么木卫一有那么活跃的火山爆发？

为了使人类进一步了解木星，近几十年来人类已向木星发射了“先驱者10”号（1973年）、“先驱者11”号（1974年）、“旅行者1”号和“旅行者2”号（1979年）共4颗航天器。它们从木星周围飞过，考察了木星和它的卫星，发回了许多宝贵的图像和测量资料。但由于木星大气层的掩盖，有关它的许多问题仍是个谜。要想回答这些问题，必须进入木星大气层内进行探测。为了对木星有更深入的了解，获得更丰富的资料，美国国家航宇局研制了更先进的“伽利略”探测器，它由轨道飞行器和木星大气探测器两大部分组成。“伽利略”轨道飞行器的主要任务有：①接收并储存木星大气探测器测定的木星大气的温度、压力、成分等物理量以及它们随高度变化的情况，然后将信息发送回地球的测控中心。②在今后2年内，环绕木星11圈，对木星大量卫星及其周围环境作近距离考察，在环绕木星运行的轨道飞行器上装有多种先进设备，固体摄像机、紫外分光仪等遥感设备可以获得木星及其卫星的详细图像，分析木星表面物质的化学成分、大气组成和来自木星表面的辐射能；磁力计和尘埃计数器则可监测木星周围环境，了解木星磁层和幅射带的结构及木星周围尘埃的分布情况。在木星大气探测器上装有许多观测仪，以测量和研究木星大气的化学成分、温度、压力、云的高度、能量的传递、由雷引起的发光放电现象。

“伽利略”号探测器对木星展开探测

耗费13．5亿美元的“伽利略”号探测器计划开始于1977年，经过12年的开发研制，终于在1989年10月由“亚特兰蒂斯”号航天飞机将“伽利略”号探测器送入太空。“伽利略”号探测器在到达木星前对其他星球进行了大量的探测活动。包括对地球和月球的大量探测。按原计划，该探测器将直接飞往木星，行程只需2年，后来因故改变了计划。“伽利略”号探测器离开地球后，首先向太阳飞去，1990年与金星相遇，被加速后沿更大的绕日轨道飞行，同年12月首次飞过地球，受地球重力影响，其飞行速度增加到14万千米/时以上。在这期间，“伽利略”号探测器拍摄了金星、地球、月球的图像。在随后飞往木星的途中，于1991年10月和1993年8月分别从95号小行星“伽斯帕拉”和243号小行星“艾达”附近飞过，距离“伽斯帕拉”星是1800千米，距离“艾达”星是2400千米，首次取得小行星的特写图像，并发现小行星“艾达”也有自己的卫星。1994年7月，“伽利略”号探测器直接观测了“苏梅克—列维”9号彗星撞击木星的情况，并把它记录了下来。1995年1月，“伽利略”号探测器发回了完整的“苏梅克—列维”9号彗星的观测图像，其中包括W碎片冲击的部分时序图像，这一冲击持续了26秒。地面工作人员还收到了从光偏振辐射仪、红外测试仪、紫外测试仪得到的R碎片冲击数据，并对此加以了分析。

“伽利略”号探测器在经过大约36亿千米和长达6年多的空间旅行后，于1995年7月到达木星轨道，随后释放的木星大气探测器以预定的角度进入木星大气层，顺利完成了飞向木星的艰难任务，同时，轨道飞行器开始了对木星为期2年的探测活动。

“伽利略”号探测器向木星发射的木星大气探测器重339千克，于1995年12月7日飞进环境恶劣、飞速旋转的木星大气层，执行一次有去无回的探测任务，首次实现了人类对外太阳系大行星的实地大气测量。木星大气探测器以高于17万千米/时的速度冲入木星大气层，减速度力相当于地球重力强度的230倍。在减速过程中，一个热防护罩保护了探测器的科学仪器，其后，一个巨大的降落伞打开以保障探测器缓慢而受控下降。虽然大气探测器在木星云端下方130～160千米运行，但仅能探测到木星大气层上部很小一部分。该探测器的任务是探测稀薄而炽热的大气层的1/5。在木星大气层更深处，温度和压力变化太大，影响仪器的正常工作。在130千米的深处，大气压力超过地球压力的20倍，尽管仪器设计得很先进，但不得不向恶劣环境屈服。美国国家航宇局证实，该探测器在向木星大气层内下降约640千米，在被20倍于地球大气压力的木星大气压力摧毁之前，向地球传送了大约57分钟的数据（比预计的时间缩短了18分钟）。首先它把获得的数据传送到位于其上方20多万千米的轨道飞行器上储存，然后传送回地球。与此同时，轨道飞行器已进入环绕木星的椭圆轨道。

12月7日，在木星大气探测器进入木星大气层的同时，轨道飞行器则掠过多火山的木卫一，并抓拍了被认为是最清晰的图像。和我们熟悉的月亮一样，一些木星的卫星被撞击坑所覆盖，陨石在那里撞入地面。而木卫一被数百个连续向外喷出火山喷射物的火山口所覆盖，据分析，每100年可将木卫一覆盖一遍。一部分火山喷发物被强有力的木星磁场所捕获。令人惊异的是，木卫一火山喷发产生的是充满等离子气体环的被电离的材料。等离子气体环是木星磁场的一个小的组成部分，木卫一特有的橘黄色来自硫；那么木卫一的火山是如何喷发的呢？它们的化学成分是什么？它们喷发的频率如何？木卫一的壳体是厚还是薄呢？它对火山喷发起什么作用？科学家希望应用“伽利略”号探测器获得的资料来回答这些问题。1995年12月7日，轨道飞行器与木卫一实现了唯一一次近距离交会，这是因为木卫一深深地处于木星的辐射带内，强烈的射线环境对航天器的电子设备是有害的，使其不可能第二次在严重的木星辐射环境下通过木卫一轨道。近距离交会后，航天器可工作2年。

“伽利略”号探测器正在绕木星飞行

轨道飞行器还花费了若干天时间深入到木星的辐射带。“伽利略”号探测器的工程师们一直非常关注该辐射带对航天器的影响。该辐射带是由高速运行的带电粒子组成，并处于木卫一轨道附近，它的能量足以致人于死地。

美国宇航局的科学家们在1995年12月10日收到“伽利略”号轨道飞行器从37亿千米以外的太空发回的第一批木星数据，使人类第一次有机会看到庞大的木星的特写照片。科学家们根据发回的数据首次测定这颗巨大星球的大气层特性，如大气构成、气候和大气形式等。“伽利略”号轨道飞行器第一次向地球发回总共57分钟的探测数据，这些数据的传输一直持续到1995年12月13日。57分钟的数据，地面接收站直到1996年2月才全部收回。

经过对“伽利略”号轨道飞行器发回的最初数据进行的初步分析表明，木星大气结构与过去科学家们预想的有很大不同，它已经提供了一系列新的发现，这些最初的发现正在促使科学家们重新考虑他们的木星形成理论和行星演变过程的特性。这些新发现包括：

（1）探测器经过的木星大气层区域比预想的要干燥，与1979年从木星飞过的“旅行者”号航天器发回的数据所作的推测相比，水含量要少得多。

（2）探测器的仪器发现，虽然个别雷电的能量比地球上类似的雷电能量大10倍，但总的来说，在木星上的雷电量是地球上同样大小区域发生雷电量的1/10。

（3）探测器对木星南端的大气层进行了探测，并未发现多数研究者一直认定的三层云结构，而仅仅是有一个特殊的云层（按地球的标准说就是稀薄的云层）被观察到。该云层可能是含氨和硫化氢的云层。过去曾推测它由3个云层组成，上层是氨晶体层、中层是氨和硫化氢层、下层是水和冰的晶体组成的薄层。

（4）最有意义的是，在木星大气层中氦和氢的含量比例已和太阳相当，这说明，自木星数十亿年前形成以来，基本成分没有改变。在行星演化理论中，氦与氢质量之比是一个关键要素。对太阳而言，氦值约为25%，对探测器氦含量监测仪得到的结果进行的更全面的分析，已经把木星的这一数值提高到24%。“伽利略”号探测器项目科学家里查德·扬说，被改变的氦含量意味着，重力引起的朝向内部的氦沉积并不像在土星上发生的那样快。对土星氦氢质量比的估计值为6%，于是可以确定，木星的温度比土星的温度要高得多。

（5）木星大气探测器在穿过稠密的木星大气层时探测到极强的风和强烈的湍流，木星风的位置始终比探测到的云层要低得多。这就为科学家们提供了证据，说明驱动木星大量的有特色的环流现象的能源可能来自这颗行星内部释放的热流，而不是像过去预想的是照射木星上层大气的阳光，或者是位于木星大气层中部的水蒸气引起的化学反应产生的热能。据科学家分析，在木星上，天气的影响范围也许不止在木星表面，在热力驱动下，风从这颗行星的云端一直刮到它充满气体、翻滚搅动的表面下16000千米处。木星风即使在云层下161千米处（这是探测器所能探测的最深处）速度也超过644千米/时。

（6）探测器还发现了一个新的强辐射带，大约在木星云层上方5万多千米没有雷电的地方。在探测器高速进入木星大气层阶段，对大气层上部进行的测量结果显示，大气密度比期望的要大，相应的温度也比预先估计的要高。

“伽利略”号轨道飞行器于1997年12月7日向地球发回最后的信号，然后飞进木星大气层烧毁。