朱諾號發現木星之水的祕密

作者 | 發布日期 2020 年 03 月 07 日 0:00 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


自 1995 年伽利略號任務(Galileo)後迄今,朱諾號(Juno)首度公布科學成果,探索並測量木星大氣的水量。論文指出:木星赤道地區的大氣,約僅 0.25% 是水分子,這個量看起來很少,不過已是太陽大氣的 3 倍了。相關論文發表在《自然天文》(Nature Astronomy)期刊。

行星科學家肖想精確測量木星大氣的含水量已經數十年了,因為他們認為這是有關太陽系形成最關鍵的一塊拼圖。木星很可能是太陽系裡第一顆誕生的行星,主要由沒被太陽吸走的氣體和塵埃組成。現行理論認為木星的形成是以它吸收的水量為基礎。而水含量多寡與木星的大氣氣象(環流)和內部結構有重要關係。航海家號和其他太空船曾偵測到木星大氣的閃電現象,也暗示木星大氣有水存在。雖然這種種都與水有關,但卻一直無法精確估計木星大氣的水含量。

▲ 朱諾號 2017 年 12 月 16 日飛掠木星時拍攝的影像。(Source:JPL

1995 年 12 月,伽利略號以衝入木星大氣自殺的方式結束生命之前,最後的任務就是一路以光譜儀偵測木星大氣的水含量,總共傳送了 57 分鐘,直到木星大氣約 120 公里深、大氣壓 22 巴(bar)之處。不過分析偵測資料後所得結果,比科學家預期的水含量還少 10 倍左右,讓這些科學家不解又沮喪(註:巴為大氣壓單位,地球表面 1 標準大氣壓為 1.01325 巴)。

還有更多意外:伽利略號在 120 公里深測到的含水量其實還在增加的趨勢線上,遠低於理論預測大氣應該混合的地方。混合良好的大氣,同一區域內各處水含量相差不大,甚至可能表現全球均一模式。與地面望遠鏡的紅外資料綜合後,結果顯示伽利略號太空船不夠幸運,取樣的地方剛好是木星異常乾燥與溫暖的天氣區。但根據朱諾號最新觀測結果,木星大氣雲頂以下處的混合程度並不好,事實上,水氣在此的變動可能很大。

朱諾號於 2011 年發射升空,目的之一就是從木星上空測量大範圍水含量。透過這艘太空船的微波輻射計(Microwave Radiometer,MWR)的 6 個天線,可同時測量不同深度的大氣溫度。MWR 利用水會吸收特定波長的微波輻射原理運作,如同微波爐快速加熱食物。之所以要測量溫度,是希望能得出大氣深處的水和氨的含量範圍,這兩種分子都會吸收微波輻射。

這些科學家取用朱諾號最初 8 次飛掠木星的測量資料分析而得出上述結果。他們最初集中分析木星赤道一帶,因為他們認為赤道區的混合情況會比其他區域好,即使大氣深處也是如此。朱諾號能探測至 150 公里深的大氣,此處大氣壓力約 33 巴,比伽利略號還深許多。結果發現赤道區的水比伽利略號當初測得還多很多,科學家表示,因為木星赤道區相當獨特,他們必須比對結果,才能知道其他地區的水含量有多少。

朱諾號環繞木星一週約 53 天,軌道會緩緩向北移,每繞一週,就能帶來更清晰的木星北半球測量結果。科學家渴望知道大氣水含量是否會隨緯度和區域不同而不同,以及氣旋豐富的極區能提供全木星水含量的線索,因此未來將繼續朝這方向努力。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:JPL