木星

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發現

在史前時代它就被發現了,當時人們視為是一顆明亮的“漫遊星星”。在1610年,當時伽利略運用望遠鏡,發現了木星的四大衛星,伊奧(Io)歐羅巴(Europa)甘尼米得(Ganymede)、卡力斯多(Callisto),並且將它們繞行木星的週期給紀錄下來。而且這個發現也支持了哥白尼「日心」的學說,他們都不認為地球是行星的中心。

第一次對木星探訪的是在1973年的拓荒者10號,陸陸續續接著的還有拓荒者11號,航海者1、2號,尤里西斯號。現在仍然有在對木星進行觀測的是─伽利略望遠鏡。

木星位於距離太陽第五遠的行星,約是地球距日的5.2倍。木星的體積非常龐大,需要填充1316個地球才有辦法補滿,由此,我們不難想像他的巨大。也因如此,反射陽光的能力也就很強,雖然比起地球和火星,他距離太陽是遠得多,但卻僅次於金星,是行星中第二亮的。除此之外,他的質量也是不容忽視的,相當於太陽系其他行星總合的兩倍半。

    中國古代把它叫做歲星,用它來紀年,因為已經知道它的公轉周期近于12年。至於自轉一周所需的時間,則是太陽系九大行星中最短的,只需九時五十五分而已,而地球自轉一周需時二十四小時,等於地面上的一點每秒移動四百七十公尺,但是在木星上每秒竟移動達五千二百公尺!相當於一顆炮彈速度的十倍!其離心力之大實難想像,木星受此高速自轉的影響下,赤道因而向外突出,以致於木星的赤道比兩極要大一千七百多公里──有個凸出的小肚子!

    木星離太陽比較遠,表面溫度低達攝氏零下150度,要不是他的內部會自己發出熱源,如果只靠太陽的熱來加溫,表面溫度還會再低20度。

內部結構

    對於木星的內部構造的了解不是直接的,科學家根據空間探測器拍攝的照片和發回的資料,推估木星內部結構。它的核心部分溫度高達30000℃,雖然如此,但由於木星中心的壓力很大,所以核心由固體組成,而核心之上則是金屬氫,厚約36000公里,溫度11000;再往外是由液體氫組成,約有24000公里厚,在這樣的深度,壓力比地球表面上的壓力大三百萬倍,造成了此一獨特的構造─液態金屬氫,這層液態金屬氫對木星產生的最大影響,就是其導電性為木星帶來強大的磁場,是木星極具特色的地方,它的溫度是5500℃。

 

 

大氣結構

木星的大氣構造可分為數層,最上層是懸浮物質,向下深入為氨晶所構成的雲帶,再向下深入,由於壓力的增加及溫度的降低,氣體逐漸變成液體,因而出現了氫氧化銨所構成的雲,再更深入,水蒸氣成為冰晶,在冰晶的下方為液態冰晶。由於這些冰晶和微粒都有下降的現象,因此木星上有氨雨、氨雪、雨和雪等現象,但是它們的高度都不會降得很低,在雲層下面一點就被蒸發掉了。大氣成分包含89.8﹪的氫和10.2﹪的氦及其它氣體,這些氣體包括了:氨、甲烷、乙烷、水蒸氣、磷化氫、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫氨等,科學家由舒梅克李維9號彗星撞擊木星後,檢測出木星的大氣還有硫的成分,而這些化合物受太陽紫外線輻射和頻繁的雷電作,平均每年約有250次。在複雜的大氣化學過程中產生了木星表面多變的色彩。

                                                                                                                                                                                                  

特色

條紋帶

由於木星快速的自轉和對流作用使雲氣不斷地變化,構成平行於赤道的雲帶,其中淺色的稱為帶(Zones),而深色的稱為帶紋(Belts),各個線條上的輕微化學及溫度的變化,造就了木星美麗的表面。雲帶的顏色來自有機物或硫化物,因木星的大氣中含有極微量的甲烷、乙烷之類的有機成分,加上打雷的現象,因此這些微量有機成分藉由雷或帶電粒子等的能量合成為有機物,展現出由紅、棕至藍色等的顏色。

木星和其它的氣態星球一樣有著速度很快的風,每個鄰接的線條是不一樣的風向。從這些美麗的條紋可以推測出木星大氣中的風向平行於赤道,除此之外,不同的區域交互吹著東風和西風;在赤道附近,由於受到自轉的影響,吹著秒速100公尺的西風,但是在緯度20度左右的地區卻吹著秒速50公尺的東風,到了緯度30度一帶又是西風鼎盛的地區,這樣的現象和地球上的大氣似乎有雷同之處,不過我們也可以發現,木星的表面並不是以一個整體的單元在轉動,赤道以內的區域轉動速度比南北條紋的轉動速度都要來得快。木星上的風速達每小時640公里可深入其頂雲內數千公尺;而木星表面單獨的小雲很少維持超過幾星期,可是有些白色的橢圓形雲卻可維持長達半世紀。

             木星風向

大紅斑

木星表面最大的特徵,首推大紅斑,早在300年前(17世紀)就被天文學家CassiniRobert Hooke所發現,從未消失過。它是個直徑12,000km* 25,000km的橢圓,大到可放進兩個地球。在1973年以前,無人能解釋這紅斑存在的原因;直到美國的先驅者10號太空船拍攝到那紅斑內部雲層,人們才明白那是大氣層內的一個氣旋騷動─螺旋狀暴風雲。體積小一些的斑也已經被發現有幾十年了。由紅外觀測和它的自轉方向來看,大紅斑是比周圍大氣高的高壓性旋渦,大紅斑北側的大氣由東向西流動,南側的大氣則相反地由西向東流動,使得大紅斑成為逆時針方向旋轉的上升流,而且,大紅斑有自己的轉動速率,它每小時比環繞在他周圍光亮的物質慢41/2哩,大約6天會逆時針轉一週,在經度方向也有飄移的現象,因此可以肯定它不是一個完全固定的表面特徵。大紅斑的顏色有時是磚紅色,這樣豔麗的色彩科學家認為是包括紅磷在內的化學元素所致的,有時它又會變成灰色,好像消失一樣,只能從它鄰近南方赤道帶的一個顯著凹口(紅班凹口)來加以辨認。

至於大紅斑的形成,目前尚無定論,而大部分的書籍所討論到有關大紅斑生成的理論,主要是因為木星的固態氫表面有一塊地形起伏的地方,由於受到行星自轉的影響,濃密的大氣會繞著這塊地方流動,而產生了一個氣體相當停滯的區域,稱為泰勒柱區(Taylor column),而一直向上延伸,到達了發光的氨雲頂端,因而形成大紅斑。至於引起大紅斑的這個地形特徵,目前還沒有有力的證據支持,但是仍有幾種可能性:1.木星的內部擠壓出固態氫形成山岳2.彗星或隕石的撞擊3.地表下的熱源將固態氫轉化為足以支撐泰勒柱區的氣體;此外,為什麼大紅斑能存在那麼久呢?有說法認為:木星的大氣稠密,而下面又沒有固體的摩擦阻尼,氣旋能量耗損小,因此透過氣體的對流獲得充分的能量補給而得以保存平衡狀態。

但無論任何一種說法都需等待更進一部的探測才能加以確定!

                     

大紅斑形成示意圖(資料來源:牛頓雜誌)          這木星是由太空總署的哈柏太空望遠鏡所取在二月131995.提供三白的橢圓的暴風點及唯一個躺西南大的紅色點; 這外部白色暴風雨形成在的1930後期。

 

 

光環          

木星和土星一樣,有一圈光環。木星有一個薄、暗的主環,裡面有個朝向行星延伸的微粒所形成稀薄光環,它們是由粒狀岩石質構成。據從地面進行光譜觀測的結果顯示,木星薄環的成份可能是岩石(矽酸鹽類),不過尚未確定。

木星的光環系統在1979年3月4日被旅行者一號發現

名稱

距離(公里)

寬度(公里)

厚度(公里)

反射率

暈環(Halo)

92 000

30 500

20 000

5%

主環(Main)

122 500

6 440

<30

5%

內暗環(Inner Gossamer)

128 940

52 060

無資料

5%

外暗環(Outer Gossamer)

181 100

40 000

無資料

5%

 

極光

木星擁有非常大的磁場,表面磁場的強度超過地球的10倍。木星的磁氣圈分佈範圍比地球磁氣圈的範圍大上100多倍,是太陽系中最大的磁氣圈。由於太陽風和磁氣圈的作用,木星也和地球一樣在極區有極光產生。

 

二零零一年六月 June 2001

最近,南歐洲天文台發表了在二零零零年十一月拍攝到木星上極光的照片,和木星兩極上空的煙霧,這是科學家第一次清楚拍攝到木星兩極的情況。

科學家指出,極光是環繞木星的磁軸(magnetic axis),而這些煙霧,是環繞著木星的旋轉軸(rotation axis),是在極光環之下;煙霧是受到木星上的地帶風(zonal winds)影響,這些地帶風是在同一緯度(latitude)上移動的;科學家相信,木星以十小時一次的迅速自轉,也會影響兩極上空煙霧的移動。

                                                         

氨 冰 雲

二 零 零 零 年 十一 月
天文科學家相信木星(Jupiter)
含有氨氣(ammonia),但看見氨冰雲(ammonia ice cloud)還是首次。美國太空總署(NASA)的伽利略號太空船(Galileo spacecraft)用紅外線繪制分光計(infrared mapping spectrometer),觀察到氨冰雲的紅外線斑點影像。氨冰雲是由於一股相反方向的強烈橫流(cross-current),把下面的氨氣拉到上面,形成一大團的氨冰雲。

 

木星是地球生命產生的先決條件
二 零 零 一 年 四 月 April 2001
  
科學家指出,雖然許多人認為水、熱能和有機化合物是地球生命產生的主要成分,但是,除這些之外,木星也是生命產生的先決條件之一,尤其是高等生命如人類;木星的質量,是地球的三百一十八倍。

美國太空總署(NASA)的布斯博士(Dr. Alan Boss)解釋說,木 星(gravity)的龐大引力(gravity),可以保護地球,避免受到彗星(comet)和小行星(asteroid)的碰撞;雖然在六千五百萬年以前,地球受到一個巨大的彗星擊中,令地球上的恐龍(dinosaurs)死去,但 是,科學家認為,假使沒有木星,將會有更多的彗星擊中地球。

此外,木星離太陽(Sun)約是地球和太陽的距離的五倍,亦即 五個天文單位(astronomical units),在太陽和木星之間的空間,木 星的龐大引力為這空間提供了一個穩定的環境,讓這空間內的行 星有足夠時間和溫和的環境,產生各種不同的生命。

 

右下圖是天文學家在 1993 年元月, 觀測到一顆被命名為修梅克李維九號 (Shoemaker-Levy 9) 的彗星被木星的強大重力撕碎成 20 多塊, 預測次年 (1994 ) 7 月這 20 多個彗星碎塊將一塊塊地撞上木星表面, 上圖木星右下方成串的暗斑正是此彗星碎塊如期撞上木星表面的證據

                                          

世紀之吻被天文學家稱做「珠鍊」的彗星(Shoemaker-Levy 9)碎塊已於台北時間一九九四年七月十七日至二十二日陸續撞上木星。扯碎後之Sfoemakcer-levy9碎塊圖片。哈柏望遠鏡分辨出彗星的廿一個碎塊。

背向太陽的方向所呈現的明亮微塵, 是因受到太陽風的吹襲而朝遠離太陽方向流動, 這些微塵反射著太陽光所形成像似「拂塵」的景觀。

科學家由舒梅克-李維9號彗星撞擊後釋出的大氣成份檢測出硫,得知木星大氣含有硫的成份。

                                                                                                                                                           

衛星

                                         

根據2004年二月的資料,目前發現木星的衛星共有63顆,其中有38顆已經命名,其他最近發現的則尚未命名。較大的四顆衛星統稱「伽利略衛星」,是在公元 1610 年時,伽利略首度用天文望遠鏡所發現的。這四顆衛星環繞在離木星四十萬至一百九十萬公里的軌道上,由內而外依次是伊奧(Io)歐羅巴(Europa)甘尼米得(Ganymede)、卡力斯多(Callisto)    

木星和其衛星

一、伊奧(IO)

奧」以每秒鐘十七公里的速度環繞木星,繞木星週期約為1.77個地球日(即1.77天環繞木星一次),「奧」平均距離木星約42.1萬公里處運行,直徑約 3643 公里(約地球直徑的0.28倍),質量約地球的0.015倍。

 

 

奧」主要由熔化矽酸鹽組成。根據伽利略的資料指出,「奧」可能存在著一個半徑至少900 公里的核心,其成份由鐵組成 (也許是鐵與硫化物的混合物) 。

「伊奧」的大小和月球差不多,卻擁有眾多的活火山。當木星和其他衛星是在「伊奧」同一方向時,它們 的引力會令「伊奧」上的火山熔岩上升高達一百公尺

 

二、卡力斯多 (Callisto)

    卡力斯多平均距離木星約 188.3 萬公里,繞木星週期約為 16.69 個地球日。卡力斯多直徑約 4800 公里(約地球直徑的0.38倍),質量約地球的0.018倍。地表形狀滿佈流星撞擊的坑洞,地表溫度在攝氏零下 175 度至零下 120 度間,使得冰水恆凍已達四千五百萬年之久。

 

  卡力斯多大約是由 40% 的冰和 60%的岩石或鐵組成,其表面相當古老。 四十億年來,除了偶爾受到撞擊外,並沒有產生多大的變化。

 

根據探測發現此衛星有氫原子(Hydrogen atom)逸出,這表示衛星的冰層可能有氧氣存在。科學家推測可能是因為「卡力斯多」上的冰層受到太陽光照射,從而分解成氫原子及氧原子的原故。

 

三、歐羅巴(Europa)

歐羅巴平均距離木星約 67.1 萬公里,繞木星週期約為 3.56 個地球日。羅巴直經約 3130 公里(約 0.25 個地球直徑),質量約 0.008 個地球質量。歐羅巴的地層構造是由矽酸鹽組成,地表由一層大約厚50公里的冰地殼所籠罩。歐羅巴表面布滿了無數條紋路花紋,地表幾乎看不到隕石坑。卓文博士認為是歐羅巴的地質活動湮滅了大部分的撞擊痕跡,所以歐羅巴是年輕的星球,可能只有數百萬年。但卡爾博士(Dr. Michael Carr)卻認為「歐羅巴」的表層年齡應該有十億年,因為木星的火山活動頻率比地球/月球的為低。

四、甘尼米得(Ganymede)

甘尼米得平均距離木星約 107 萬公里,繞木星週期約為 7.16 個地球日。甘尼米得直徑約 5265 公里(約 0.41 個地球直徑),質量約 0.025 個地球質量。

甘尼米得擁有岩石的核心,冰和水組成的地函以及由冰和石組成的地殼。甘尼米得地理環境十分複雜,表面有高山、山谷、隕石坑和融岩流跡。地表上多處呈現成串的隕石坑洞,偵測出地表比較暗的地方為遠古的隕石坑,較光亮的表面則是一些高低不平的地勢,而且較為年輕。

哈伯太空望遠鏡探測到甘尼米得表面有臭氧,但其厚度比地球的要薄得多。科學家認為臭氧的形成是因為木星磁場所發出的高能量粒子,分解地函中的水份而形成臭氧。

衛星上的生命

一、歐羅巴(Europa)

伽利略號太空探測器顯示歐羅巴地表上密佈冰凍的深溝谷,地層之下可能存有水。科學家在觀察了歐羅巴表面裂縫的照片之後認為,歐羅巴冰凍的表層比較薄,表層裂縫可以使得氣體、熱量和有機物質接觸到表層下面可能存在的水。科學家都認為在有水、有火山提供的熱力和適當的化學物質混合的情況下,歐羅巴可能會有生物存在。

二、甘尼米得(Ganymede):

科學家們就從“伽利略號”太空探測器所取獲的磁讀數,推測甘尼米得的冰凍表面200公里以下,可能隱藏著大面積的液體水,於是認為有可能誕生生物。