巨行星:木星和土星的卫星防御系统

伤我心太深

　　一、太阳系最大的行星：木星

　　按由近及远的顺序，木星是第五颗围绕太阳运动的行星。我国古代称它为岁星，西方人称它为朱庇特，它是罗马神话中的主神，即希腊神话中统治整个宇宙的天神宙斯。在太阳系的八大行星中，木星的亮度仅次于金星，通常比火星、天狼星还亮，最亮时达-2.4等。在木星的63颗卫星中，有一颗名叫欧罗巴(木卫二)的卫星尤其受人关注，因为它有可能存在生命。

　　1.木星概况

　　就质量和直径而论，木星这颗行星是太阳系中最大的行星。它的质量为地球的318倍;它的赤道半径是71370千米，体积为地球的1320倍。用一架小望远镜就可看到，这个行星的圆面呈现出很高的扁率。它在5.2个天文单位的平均距离上以11.86年为周期围绕太阳公转。

　　这颗行星覆盖着一层浓密的大气，这层大气排列成平行于赤道的不同形状和不同颜色的条带。正如太阳的大气那样，木星的大气随纬度的不同而有不同的自转周期，纬度越高周期越长，周期的变化幅度在赤道附近的9小时50分至高纬度处的9小时56分之间，在太阳系的八大行星中木星的自转是最快的。





　　在木星上，相邻条带之间的速率变化实际上是间断的。在这些条带中看得到通常很好找到的暗斑点和亮斑点。有些斑点存在数月乃至数百年之久。自1831年以来，人们就已确切看到了一个像大红斑那样的斑点。这个大红斑可能在1644年就为霍克所观测到。大红斑是淡红色的，呈卵形，长40000千米，宽13000千米，它围绕木星公转的周期是有变化的，比它所在条带的周期稍长一点，大红斑和另一些斑点实质上是一种半稳定的旋风状态的大气扰动，木星大气的光谱揭示出木星上有大量的甲烷和氨的存在。氢也存在。甲烷呈气态，但许多氨必定以结晶的形态存在，因为在阴暗的云层处温度约为-130℃，而氨的冰点为-78℃。木星辐射射电波。短而不热的辐射来自它的电离层。其余的射电波可能来自与地球的范爱仑带类似的、围绕这颗行星的辐射带。木星拥有一个强大的磁场，这颗行星的磁轴与自转轴之间的夹角为15°。其磁极性与地球的相反。


　　人们建立起各种不同的木星内部结构模型。这一些模型必须符合诸如质量、半径、木星的特定的扁率以及由它的内部结构所引起的轨道变化之类的观测资料。
　　早期的模型(约在1934年或1934年前)认为，木星有一个重核(密度=5.5×1000千克/立方米)，它被一层冰(密度=1000千克/立方米)所围绕，这层冰被一个固态的氢和氦(密度=350千克/立方米)的外壳所覆盖。大气就在这一层的上面。


　　后来的见解有了发展，认为木星的内部结构与类地行星不同，它没有固体外壳，在木星稠密的大气层之下是由液态氢组成的海洋。这个海洋分上下两层，上层是温度相对较低的液态氢分子层，下层是温度相对较高的液态金属氢层，这两层合称木星幔。固态氢物理学理论表明，如果一个氢行星的质量超过地球80倍，就应存在一个金属核。木星的质量是地球的318倍。所以，在木星幔之下有一个金属核，可能是由铁和硅组成的固体核。

　　来自这颗行星的全部热辐射约为从太阳那儿接收到的热量的2.5倍，对这种热源的一种解释是，木星仍在进行引力收缩，把位能转变为热能。实际上，天文学家确信的这一过程是恒星一生的早期阶段。在这方面耐人寻味的是，木星作为一颗行星是太重了，但它仍然是一颗行星。


　　2.木星的卫星系统与光环


　　木星有63颗已知的卫星。它们离木星中心的平均距离在18.1万-2400万千米之间。木星的四个大月亮，木卫一、木卫二、木卫三和木卫四，为伽利略所发现，通常作为伽利略卫星而被提到。它们在非常接近木星赤道面的近似圆的轨道上运行，其余的卫星要小得多。远望木星及其众多的卫星，宛如一个小型太阳系。




　　用一架小望远镜就能看到伽利略卫星的食、掩星和阴影凌日。它们围绕木星公转的周期是如此之短，其轨道平面与木星围绕太阳公转的平面是如此接近，以致上述现象时常发生，天文历书刊载了对这些现象发生的预报。正如从地球上所看到的那样，这些卫星显示出下列现象：木卫一产生的影子扫过木星的圆面;木卫二正从掩星后显露出来;木卫三正在被食;木卫四正被掩星。
　　科学家正是通过对这些事件所观测到的时间与预报的时间进行比较，推断出光速是有限的。虽然与伽利略卫星有关的精确的轨道资料，在旅行者号宇宙飞船飞临之前就已获得，但与这些卫星的物质组成有关的资料却是很粗略。现在情况己有显著的变化。


　　木卫一是最靠里面的卫星，其公转周期是1.76914天，轨道半径为422000千米，它的直径为3530千米，平均密度为3500千克/立方米，这些数值与地球的卫星月亮的相应数值3476千米和3330千克/立方米无多大差别。但相似之处仅此而已。月球是一个没有生机的死寂的世界，而木卫一是一个有持续活动的火山的世界，它那变化着的表面为硫和二氧化硫的多层矿石所覆盖。其内部大概是溶化的硅酸盐。有些火山生成物逃逸到宇宙空间，形成一个围绕木星并与木卫一的轨道大致重合的环状物。


　　在四颗伽利略卫星中，最受关注的是木卫二，因为它已被视为太阳系内最有可能存在地外生命的地方。木卫二的直径约为3120千米，略小于月球。木卫二的平均密度为3000千克/立方米。它离木星中心的距离为761000千米，公转周期为3.55118天，恰好是木卫一的二倍。它那明亮的球面就像玻璃球那样光滑，反照率高达64%。这是因为其表面被一层厚厚的冰覆盖着。最让人关注的是其表面有许多褐色的宽窄不一、纵横交错的裂缝，可能里面含有有机分子，因为有机聚合物都是褐色的。


　　根据美国伽利略号探测器于1996年6月所拍摄的照片，估计这颗卫星上面有一层厚为8至16千米的冰层，冰层下面是一片汪洋，蕴藏的水有可能比地球上的水还多，而汪洋中可能存在生命物质。科学家还猜想，木卫二的海底像地球的海底一样存在活火山口，火山喷发的热量足以使某些不需要阳光和空气的微生物或类鱼生命在那里存活。当然，这一切推测是否属实，还有待于今后的进一步考察。


　　木卫三是伽利略卫星中最大的一颗，直径为5220千米，它的体积不仅在太阳系所有的卫星中是最大的，并且比水星和冥王星还大。它的平均密度只有1900千克/立方米。其公转轨道半径和周期分别为1071000千米和7.15455天。这颗卫星呈黄色，夹杂着一些褐色的亮区和暗区，可能是冰和岩石的混合物。它的表面上有环形山、山脊和峡谷，说明它过去有过强烈的地质活动。尤其惊人的是在它上空835千米处发现有行星一般的磁场。大多数科学家认为，这颗卫星的内部可能有一个巨大的熔化的金属核，磁场就是由它产生的。


　　最靠外面的伽利略卫星木卫四在组成方面类似于木卫三，而不同于里面的两颗卫星木卫一和木卫二。它的平均密度为1800千克/立方米，直径为4900千米。其表面在这些卫星中最黑，并且陨石坑也最稠密，它被描写为类似于一团很脏的千疮百孔的烂稀泥。木卫四的轨道处于离木星中心1884000千米远的地方，其公转周期是16.68901天。

　　这四颗卫星的自转周期都等于它们的公转周期，所以它们正如我们的月球那样，总是以同一个半球面朝向它们的行星。除去卫星系统之外，木星还拥有一个轨道环绕木星的环，环宽约6500千米，其外边缘处在木星云层顶部最外边界的上方，距离只有5700千米，它可能只有几千米厚，并部分是由直径不大于几厘米的颗粒所组成。


　　3.令人惊心动魄的彗木相撞与木星对地球的保护作用


　　1992年7月8日有颗名叫苏梅克—列维9号彗星由于受到木星引力产生的潮汐力的作用，被撕裂瓦解成6个大块、15个中块和一些小碎片。最大的直径约4千米，平均直径约2千米。这颗彗星的21颗彗核不像通常那样分裂后就四散开去，而是排列成一列，如同一串巨大的糖葫芦。




　　1994年7月17日4时15分，它的第21号(A)碎块以每秒60千米的速度落入木星大气层。最后一块碎块(W)在7月22日16时过后不久撞击木星。在6天的时间内，绵延500万千米的21块碎块，相继飞过木星南极，撞击南纬44度地区。估计，第一块碎片撞击木星时产生的能量有2000亿吨TNT当量，相当于1945年扔在日本广岛原子弹爆炸产生的能量的1千万倍。这次彗木相撞释放的总能量相当于40万亿吨TNT爆炸的能量，相当于20亿颗日本广岛原子弹爆炸产生的能量，结果把木星撞出一个又一个黑斑状窟窿，其中最大一个面积是地球面积的80%，弄得木星伤痕累累，真是太令人震惊不已了。


　　木星每世纪有两三次俘获彗星的可能。苏梅克—列维彗星是木星几十年前俘获的一颗彗星。但像1994年这样的碰撞需要几千年才出现一次。自1610年使用望远镜以来，这还是第一观察到如此令人惊心动魄的大规模天体碰撞。由于木星的巨大引力对一些彗星、小行星的俘获作用，这类天体与地球发生碰撞的几率就大大减少了。地球有木星这个保护神保护着，把许多偶发的大大小小陨石吸过去，使地球在一亿年中才有一次毁灭性的陨石撞击。如果没有巨大的木星，地球在10万年中就可能性遭受一次剧烈的陨石碰撞，可供生物演化的时间就不够长了。


　　二、美丽的土星


　　按由近及远的顺序，土星是第六颗围绕太阳转动的行星，是人们用肉眼所能见到的最远的一颗行星。它拥有雄伟、美丽的光环。在土星众多的卫星中有一颗名叫提靼(木卫六)的卫星，是太阳系中唯一拥有浓厚大气的卫星，它与火星、木卫二同为太阳系内有可能存在生命的星球。我国古称土星为“填星”或“镇星”，罗马神话中用农神萨图恩称呼它，希腊神话中称它为克洛诺斯，是第二代统治整个宇宙的天神，后被他的儿子宙斯所推翻。土星是科学家和天文爱好者最喜欢观赏的星球之一。


　　1.土星概况


　　就体积和质量而论，土星仅次于木星，是太阳系中第二颗大行星。用肉眼看来，它呈现为一个明亮的淡黄色的天体。它的亮度虽不及木星，但它冲日时的亮度为0.4等，足以同天空中最亮的那些恒星媲美。


　　它的赤道半径60400千米，它的极半径为54600千米。在八大行星中土星是最扁的一颗行星。土星离太阳的平均距离为9.54个天文单位，其公转周期为29.46年。通过对土星的观测，确定土星的质量为地球的95.2倍。计算得到土星的平均密度为700千克/立方米。在所有的大行星中，土星的密度最小，比水的密度还小。如果把土星放到一个足够大的水域中，那么它就会飘浮在水面上。




　　对土星的望远镜观测显示出它有类似木星的斑点，但斑点不清晰，不能用来测定精确的自转周期。尽管如此，土星的自转周期已通过测量来自这个行星边缘的光的多普勒效应而完成了。这种测量表明，土星在赤道处的自转周期是10小时14分，这个自转周期越趋近两极越长，在两极处的自转周期为10小时38分。


　　与木星相仿，土星被一层又浓又厚的大气所包围，也是一颗气态行星。可以看到它也有一些平行于它的赤道的亮暗条纹，有时还会出现明亮的大白斑。土星的条纹不如木星的条纹鲜明，它们是因土星快速自转把大气中的云拉长所成的云带。土星的大白斑则被认为可能是土星大气下部的氨上升到空中所形成的云。土星大白斑的出现不甚稳定，通常寿命不过几个月。最著名的大白斑于1933年8月由英国天文爱好者用小型天文望远镜所发现。此大白斑最初位于赤道区，呈卵形，长度达土星直径的1/5，以后不断扩大，几乎蔓延整个赤道带。

　　对射电热效应的测量与考虑土星接收来自太阳的热所产生的温度很好地相一致。土星的温度约为-150℃。在土星光谱中，氨的出现不如在木星光谱中那样强。这可能是土星的一种低温效应，在-150℃的情况下，实际上所有氨的状态应是被冻结的。

　　土星的内部结构与木星类似，在土星的大气之下，也有一个液态氢海洋，其上层由分子氢组成，下层由金属氢组成。旅行者号宇宙飞船用红外扫描测量出土星的氢和氦的丰度比为9：1，恰好与木星的相应的值相同。此外，正如木星那样，土星辐射到宇宙空间中的能量比从太阳处接收到的能量更多。


　　2.土星的光环系统


　　土星是太阳系中观测到第一个在其赤道面上有光环的天体。这个现象首先为伽利略所观测到，但直到1655年这个光环的真实性质才被惠更斯说明。而后不久，卡西尼在1675年指出：这个环有一条缝隙。这个缝隙后被称为卡西尼缝隙。外环就是现在所谓的A环，内环就是B环。1850年邦德发现了光环的更精细的结构，当时在B环的内侧里发现了第三个薄雾状的或称丝绸状的光环，即现在的C环。1969年格林发现，这个丝绸状的光环也有结构，它的里面部分现在标记为D环。从那时起旅行者号宇宙飞船把其余的光环与这个分层光环里的大量精细结构一一揭示出来。


　　土星的赤道与其轨道平面的交角为26°44′，因为这个光环恰好在这颗行星的赤道面上，所以光环呈现在我们面前的模样极大地取决于土星在其轨道上的位置。从地球观测者看来，在标记为1和3的位置时，恰好看到土星光环以边缘对外，土星光环几乎消失;在标志为2和4位置时，看到了土星光环的全貌。由于土星的公转周期约为30年，所以土星从标记为1的位置走到标记为3的位置约需15年，也就说土星光环在我们面前每隔15年消失一次。土星光环模样的周期变化使土星视亮度变化大约达到70%。土环在其边缘向外延伸的方向上的实际消失表明，土环很薄，其厚度可能不到20千米。到某些时候，有可能透过土环看到亮星，因此证明它们的视厚度很小。


　　1895年基勒用分光镜证明，通过把分光镜的裂缝调置成与连接土星两极的直线相垂直，就获得一条光谱，其中心部分来自土星圆面，比较小的两端部分对应于土环系统的横截面。
　　对来自圆面中心的光束来说，多普勒效应等于零。


　　在此图中，下边缘远离观测者(谱线红移)，而上边缘趋近观测者(谱线紫移)。从圆面中心到边缘的多普勒位移的连续变化表明，这个天体是固体。来自土环的上部的光谱表明，光环各部分具有不同的相对速度，而内部比外部紫移，因而具有更大的趋近速度。在下部的光谱中，环的内部具有较大的退行速度。于是环的内部比外部具有更高的围绕土星转动的速度，所以这个土环系统不可能是刚体。


　　1850年洛希研究了一颗行星的起潮力对一颗大小有限的卫星的作用规律。他证明，如果这颗卫星离行星中心超过某一极限距离，那这颗行星仅仅是被瓦解;但若在这个极限距离，即所谓的洛希极限之内围绕行星运动，那么起潮力将克服这颗卫星各部分之间的引力作用，将它扯碎。这个极限距离R由公式R=2.44(ρs/ρp)1/3Rp得出，这里ρs和ρp分别是卫星和行星的平均距离，Rp是行星的半径。


　　我们发现，土星的最里面的卫星处在2.8个行星半径的距离上，正好处于那个行星的洛希极限之外，土星光环系统的外半径是土星半径的2.3倍，所以整个光环处于洛希极限之内。土星的起潮力能使它们避免结合成比较大的天体。较大的A环、B环和C环中的任何一个都是由数以百计的大致为椭圆的小环与包含小环的有层次的空隙所组成;卡西尼缝至少有5个小环。从光临土星的探测器所拍摄的照片可看出，土星环是由无数精细的环带组成，整个大环看起来就像一张巨大的高密纹唱片。

　　3.土星的卫星系统


　　现已知道，土星有64颗卫星，其中最大的卫星土卫六于1655年为惠更斯所发现。接下来的四颗卫星，土卫三、土卫四、土卫五和土卫八是由卡西尼在1671年至1678年之间发现的，而发现天王星的威廉·赫歇尔在1789年发现了两颗卫星：土卫一和土卫二。波德在1848年发现了第八颗卫星土卫七。皮克林在1898用照相术发现了第九颗卫星土卫九。旅行者号之前发现的卫星，除土卫六之外，都没有大气，并且呈现出太阳系生存史的早期暴力所造成的、特有的、杂乱分布着陨石坑的特征，在那时与大块残骸或其余较小的物体的碰撞是频繁发生的。这些卫星也呈现出弯曲的山谷和侵入地表的裂缝。其余新发现的土星卫星都很小，并且在许多情况下甚至比土卫七更形状不规则。


　　土星最大的卫星提妲(土卫六)是太阳系中第二大卫星，仅略小于木卫三，比水星和冥王星都大，是太阳系中唯一具有厚厚大气层的卫星。由于这颗卫星被一层厚厚的橘红色大气所围绕，所以行星探测器无法对其地表的景象直接进行观察。但是通过使用电磁波观测，就能窥测其地表的状况。目前已经了解到它的地表大气压约为地球表面大气压力的1.5倍，表层的温度为零下180℃。大气的成分以氮为主，其次为甲烷，此外还有少量的乙烷、乙烯、乙炔和氢，并确认还有水蒸气存在。像甲烷一样的碳化合物与水会成为形成生命的原料，这两种物质的存在使我们对这颗卫星能否有生命产生兴趣。


　　1997年10月，欧洲空间局的“惠更斯”号探测器由美国“卡西尼”号飞船携带发射升空。在经过7年、约35亿千米的太空飞行后，“惠更斯”号于2004年12月下旬与其搭乘的美国“卡西尼”号飞船脱离，只身飞往土卫六。在距离土卫六表面160千米处时，“惠更斯”号开始拍摄土卫六山川地貌，并将数据传回在土星附近飞行的“卡西尼”号飞船。在距离土卫六表面125千米时，直径3米的着陆伞打开，并最终引导“惠更斯”号降落到指定地点。尽管“惠更斯”号探测器在土卫六上只工作了3小时，但它通过“卡西尼”号飞船向地球传回的珍贵资料却足够科学家忙好多年。科学家们认为，“卡西尼”号飞船和“惠更斯”号探测器的探测结果有可能显示，土卫六很像早期的地球。“惠更斯”号登陆土卫六，虽然不能直接进行生命探测，但由“惠更斯”号探测器所作的土卫六的环境调查，也许可以对我们寄予极大关心的生命存在问题提供某种答案。