第十三章 太阳系的成员（8）
八、木星
木星是太阳系中距离太阳最近的一颗类木行星，这些类木行星的体积十分巨大。同类木行星相比，类地行星看来就象是微不足道的碎块。
木星是太阳系中最大的行星，直径约14.3万公里，比地球大11倍，体积大1345倍，质量大318倍。木星的体积超过了太阳系中其他七个行星的体积总和。
木星虽然个子很大，奇怪的是它的自转速度却非常快，只要9小时50分钟就自转一周，差不多比地球自转速度快一倍半。因此，木星上的一昼夜只有约10小时，成为太阳系中自转最快的行星。正是这种快速自转，使它成为一个十分明显的赤道部分突出，两极向内缩进的扁球体。
木星由于体积大，反射太阳光的能力强，在通常的情况下，它比水星亮，仅次于金星、月亮和太阳，是全天第四颗最亮的星。
1.木星的大气
在望远镜里，木星是一个金黄色的大扁球。最引人注目的是它的表面上分布着一条条五光十色、不断移动的横向大彩带，和一些黄的、红的、淡绿色的斑点。这些斑点忽少忽多，忽隐忽现，给木星披上了一层变幻莫测的神秘色彩。特别有意思的是在这些大彩带中还夹着一块巨大的“红疤”。这块位于木星“南热带”的椭圆形大红斑，长达2万多公里，宽约1万1千多公里。自从1660年第一次发现它以来，300多年中，虽然它几度消失又几度出现，但除了颜色和亮度有时发生一些变化外，其形状和大小几乎没有什么改变。1890年，在这块大红斑的同一纬度上又发现一块大黑斑。大黑斑移动得很快，好像去追赶大红斑似的，不断向它逼进。人们不知道它们的“相撞”会发生什么意想不到的事情。天文学家们通夜守候在望远镜旁，唯恐漏掉了这个难得的机会。结果，什么事情也没有发生。看见的只是当大黑斑与大红斑相遇时，大红斑向旁边“让”了一下，等黑斑冲过去之后，它又安详地回到自己原来的位置上。
以后若干年，又相继发生了几次类似的现象，而每次都是“以礼相让”而告终。木星上这些奇怪的现象究竟是些什么东西呢?可惜，一层厚厚的大气包着它，实在难见“庐山真面目”。自从伽俐略时代以来，人们就采用可见光谱、红外光谱以及射电波谱等各种手段，对它进行了长期而耐心的观测，可是，在这片五光十色的大气下面究竟有些什么奥秘，始终无法知道。
2.流体星球
1972年，美国发射的先锋——10号航天器，经过21个月的长途飞行，于1973年12月第一次逼进距木星13.14万公里的位置，沿着木星赤道平面绕过木星的右侧。一年以后，1974年12月，另一个航天器先锋11号，又飞抵木星。这次逼进木星4万公里，从左侧掠过木星上空翻滚的云层。1979年3月5日，旅行者1号宇宙飞船，经过一年半左右的飞行，再次飞过木星。这些航天器先后发回了几千张关于木星的云层、木星的一些卫星的彩色照片以及磁场、高能质点、等离子体、红外线和紫外线等新资料，使人们第一次了解到一些木星的细节。
航天器探测表明，木星可能只是在中心有一个主要由铁和硅组成的小内核，内核之外是一层厚达7万公里的氢壳层，这个壳层几乎构成木星的全部质量和体积。根据组成这个壳层的物质——氢的不同性状，可以划分为内外两层，这两层虽然都是液体，但它们的物理状态却不相同。内层从中心向外伸展约4.6万公里，温度高达11000℃，压力约为300万个地球大气压，氢处于液化金属状态。这是一种在极高压环境中的产物。我们知道，当压力超过100万个大气压力时，氢原子就会碎裂而使其电子从原子核中分离，氢就变成了金属。大家相信，组成木星内层的就是这种奇怪的材料。外层厚约2.4万公里，这一层内主要是由分子状态的液态氢组成的。因此，直到今天人们才知道，木星竟然是一个流体行星，在这层流体表面外，包裹着一层厚约1000公里的、主要由氢和氦组成的大气层。
航天器上的紫外线仪测量证明，在木星的大气中，氢占大气总成分的82％，氦占17％，其余是乙炔、乙烷、甲烷和磷化氢等其它气体。
这种成分的组成，不禁使人想起了太阳。大家知道，在太阳的大气成分中氧占88％，氦占11％。难怪有些科学家始终怀疑木星是太阳系原始凝聚物的剩余物质，说它不像行星而很像太阳，也许它就是一颗“小恒星”，看来是有一定道理的。当然，航天器还告诉我们，木星的最高云层几乎都是由氨形成的雪片。
那么，人们以前观测到的大红斑又是什么呢？根据航天器拍摄的照片估计，看来它是高耸在木星上空10公里高处的漩涡状云块，性质可能是一团激烈上升的气流，有点象地球上的飓风。从先锋—11号航天器对它拍摄的高分辨率照片中看，其中似乎还有环状结构，说明它的动力过程要比地球上的风暴复杂得多。在它的下部还发现有闪电现象。
1973年，先锋一10号航天器在木星的北半球又发现一个形状与颜色都与大红斑相似的小红斑。可是，一年以后，先锋一11号飞过木星时，小红斑开始消失，说明它的寿命可能最多只有两年。这似乎也说明红斑的产生只是气旋扰动的结果。
至于为什么常常出现红色?可能是气流中含有红磷化合物的结果。
长期使人迷惑不解的是横向大彩带和那些不断变幻的斑点，看来也是由于木星快速自转而产生的大气环流和剧烈翻腾的漩涡造成的。
3.木星的热辐射
木星上的大气为什么会产生如此大规模的扰动?这个问题单用自转速度快来解释似乎是不够的，因为人们知道，地球上的云层也会不断地移动，产生这种移动的原因，主要是太阳辐射在地球表面产生的热差异而引起空气对流的结果。而木星离太阳的距离几乎五倍于地球，它所得到的太阳热能，显然不足以引起云层如此猛烈的扰动。哪里来的能量呢?航天器送回来的环境数据告诉我们，木星大气层的温度高得出乎意料，高层大气的温度为127．3℃，而低层大气的温度可能高达427℃左右。这样高的温度，说明木星一定另有热源，否则不会产生这样反常的现象。果然，航天器上的仪器测到木星向外辐射的热量大约是它接受太阳的辐射热量的2．5倍。这种支出多于收入的现象，证明了长期以来人们关于木星能够辐射热量的推测是存在的。剧烈翻滚的云层，就是由木星内部的热量从下面对流加热的结果。就象烧开水时是从壶的下面加热那样。至于表层看到的那些引人入胜的色彩，只能用大气的化学成分来解释。但是，光谱仪器证实，木星大气中的主要成分如氢、氦、氨、乙烷、甲烷等等都是无色的。正常情况下不会产生人们看到的那些五颜六色。因此，必定还有其他状态或新的物质有待于我们去继续发现。
木星内部辐射热量的事实，其意义远不止于解释木星表面这些美丽图案的成因。因为人们知道，太阳本来也是非常微弱的，它刚从星际气体和尘云凝聚的初期，中心温度并不很高，后来由于气体巨球不断收缩(相当于物质向中心坠落)而放出引力能转变为热，等中心温度到达几百万度以后，热核聚合反应才开始，才成为这个光芒万丈的大火球。木星是不是当年的太阳?是不是也正在收缩而成为一个可以自身发光的星球呢?将来会不会在太阳系内出现一对双星呢?当然，这种认识目前还有人反对。如果真是这样，将来太阳系的结构会发生什么样的变化?这也许是人们渴望了解木星状况的原因。
4.磁场和磁层
航天器还发现了木星的磁场和辐射带的情况。虽然早在50年代就知道木星可能和地球一样具有磁场，但对它的详细情况并不清楚。先锋号航天器飞越木星后，人们才知道木星的磁场强度比地球磁场强度高十倍以上(约为四高斯)，由于木星自转很快，总磁力估计是地球磁力的万倍以上。特别有趣的是，木星的磁极方向恰恰与地球相反，它的S极在南极附近，而地球的S极是在北极附近的。围绕着木星强磁场磁力线旋转着的高能粒子，形成了一个比地球强一百万倍的辐射带。先锋——10号逼进木星时，就遇到了超过35兆电子伏的大量粒子流，最高达每秒每平方厘米四百万个粒子。猛烈的辐射“暴风”，使航天器上的几台仪器也失灵了，严重地影响了飞船向木星逼进。这个现象提示人们，如果进一步对木星进行考察的话，这是一个值得认真考虑的问题。
木星具有很强的磁场，其磁偶极矩约为地球的20000倍。由于磁矩大，这里的太阳风比较微弱。由于木星的快速自转，木星磁层在赤道面附近有大尺度的盘状结构。整个磁层可分为3个区域。内区、中介区和外区。内区到木星的距离在140万公里以内，是偶极场，具有和地球范·艾伦带很相似的强辐射带。中介区到木星的距离在140万～420万公里，这里的磁力线被木星自转所产生的离心力，以及从木星大气顶部出来的等离子体流所歪曲，整个区域都按木星自转速度旋转。外区离木星420万～630万公里，这里磁场相当微弱，在磁层边界的地方，磁场趋向于零。
木星的磁场是偶极场，磁场的S极和N极正好和地球相反。也就是说，罗盘在地球上和在木星上，指针所指的方向正好相反。木星的磁轴与它的自转轴之间的夹角大约11度。
过去，人们只知道土星和天王星有环带。1979年3月，从“旅行者1号”航天器发回的照片分析发现，木星也有一个巨大的环围绕着它运转，这个由无数暗色碎石块组成的环带，宽约数千公里，厚约30公里，它在距木星中心约12.8万公里的位置上。围绕木星转一周约需七个小时。这一发现，使太阳系内有环带的行星增加到三个。科学家们认为，它对于进一步了解太阳系的起源，有着非常重要的科学价值。
5.木星的63颗卫星
木星庞大的卫星群恐怕是太阳系最为壮观的景象了。木星拥有63颗已确认的天然卫星，使它成为太阳系中卫星最多的行星。
1610年伽利略发现的这4颗卫星分别叫木卫一、木卫二、木卫三和木卫四，欧洲人把它们叫做伊奥、欧罗巴、加尼默德和卡里斯特，一般将它们统称为伽利略卫星。
1892年，美国天文学家巴纳德在望远镜中发现了木卫五，它是在木卫一轨道内运行的卫星。1904一年以后，用照相方法又陆续发现了8颗木星卫星。到1979年10月为止，人们已发现木星有13颗卫星。1979年3月5日和7月8日，“旅行者一1号”和“旅行者一2号”分别对4颗伽利略卫星拍摄了详细的近镜头照片，为人类研究木星卫星提供了宝贵的资料。“旅行者”宇宙飞船在木星附近旅游的时候，又发现了木卫十四、木卫十五和木卫十六，所以现在已发现木星有16颗卫星了。如果把木星和它的卫星组成的系统看作一个家庭，那么木星家庭是个“人丁”兴旺的家庭。
根据这些卫星距离木星的远近，可以划分为内外两群。靠近木星的一群，一共有五颗，称为内卫星，即木卫——1到木卫——5，其中四颗最大、最亮的是伽俐略发现的，所以又叫做伽俐略卫星，它们的共同特点是大而明亮。其中木卫——3直径达4900公里，比水星(直径4878公里)还大，比月亮大约三分之一。这群卫星围绕在木星赤道平面附近，沿着几乎圆形的轨道运转，自转周期与公转周期相同。因此，和月亮与地球的关系一样，也是永远一面朝着木星。距离较远的一群共有十颗，称为外卫星，即木卫——6到木卫——15，它们的体积都比较小。最小的木卫——13直径只有8公里，而且距木星的距离又远，平均达1，000多万公里。因此，不仅亮度很小，运行的轨道也不规则，独自走着与众不同的拉长的道路，运转方向也与其他卫星完全相反。有些人认为这些小卫星，可能原来是位于火星与木星间的小行星，后来，在木星与太阳的“拔河”比赛中，被木星强大的引力从太阳的重力场内抢过来的。至于它们还有些什么奥秘?在地球上就很难观测到了。
航天器所探测发现距离木星愈远的卫星，密度愈小，这和太阳系的行星，随着距太阳距离的加大而密度减小的情况完全是一致的。航天器还告诉我们，一些较大的卫星，不仅表面上覆盖着一层氨、氮、二氧化碳及水的冰状混合物，有的还包裹着一层稀薄的、但厚度达100多公里的大气层。直径达3240公里的木卫——1上面，还发现至少有六个活火山正在以每小时1600公里的速度，喷发着气体和固体物质，喷射物的高度达480公里，喷发的强度比地球上的火山大得多。这是太阳系中除地球外，第一次发现另外一个天体上的火山喷发，难道木星真是一个“小太阳系”吗？当然，现在要得出这种结论，显然还为时过早。不过，这些现象对于我们进一步探索天体的演化，无疑是极其宝贵的。
总的来说，目前人们对太阳系内这颗最大的行星，认识还是极其肤浅的。即是飞过它的航天器，也仅仅是在它几万公里的高空掠过。至于木星的表面或内部，现在都是不可接近的。不能象对金星、火星那样使航天器下降到那怕是木星大气层的底部去看看。要知道，巨大的压力足以把现阶段的任何航天器压成锡箔；何况流体的表面使任何着“陆”的想法都变得更加困难。当然，人就更加难以涉足其上了。那么，毫无办法了吗?不，科学技术总是在克服重重险阻中不断前进的。有人已经在设想，是不是可以发射一种耐高压的航天器漂浮在木星上进行探测?或者干脆在某一个木星的卫星上建立一个观测站来摸清他的秘密呢?当然，这些想法现在看来还相当遥远。但是，当我们想到从1903年出现第一架飞机到今天，人类只用了七十多年的时间就使自己登上了月球，并发射航天器飞出太阳系。那么，这些设想不是已经展现在我们的面前了吗?
知识点：光谱
光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。
光波是由原子内部运动的电子受激发后由较高能级向较低能级跃迁产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同．研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学。
发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱．发射光谱有两种类型：连续光谱和明线光谱。
高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，(或具有连续谱的光波通过物质样品时，处于基态的样品原子或分子将吸收特定波长的光而跃迁到激发态，于是在连续谱的背景上出现相应的暗线或暗带)，叫做吸收光谱。
由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成．这种方法叫做光谱分析．做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱．这种方法的优点是非常灵敏而且迅速．某种元素在物质中的含量达10^-10(10的负10次方)克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来．光谱分析在科学技术中有广泛的应用。例如，在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时，就要用到光谱分析．在历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素．例如，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的．光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用．十九世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许多暗线（参看彩图9，其中只有一些主要暗线）。最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱．仔细分析这些暗线，把它跟各种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。
延伸阅读
热辐射，热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。
温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300℃时热辐射中最强的波长在红外区。当物体的温度在500℃以上至800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。
关于热辐射，其重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4 个定律，有时统称为热辐射定律。
物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。但是，在热平衡状态下，辐射体的光谱辐射出射度（见辐射度学和光度学）r（λ，T）与其光谱吸收比a（λ，T）的比值则只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关。
上述规律称为基尔霍夫辐射定律，由德国物理学家G.R.基尔霍夫于1859年建立。式中吸收比a的定义是：被物体吸收的单位波长间隔内的辐射通量与入射到该物体的辐射通量之比。该定律表明，热辐射辐出度大的物体其吸收比也大，反之亦然。
黑体是一种特殊的辐射体，它对所有波长电磁辐射的吸收比恒为1。黑体在自然条件下并不存在，它只是一种理想化模型，但可用人工制作接近于黑体的模拟物。即在一封闭空腔壁上开一小孔，任何波长的光穿过小孔进入空腔后，在空腔内壁反复反射，重新从小孔穿出的机会极小，即使有机会从小孔穿出，由于经历了多次反射而损失了大部分能量。对空腔外的观察者而言，小孔对任何波长电磁辐射的吸收比都接近于1，故可看作是黑体。将基尔霍夫辐射定律应用于黑体，由此可见，基尔霍夫辐射定律中的函数f（λ，T）即黑体的光谱辐射出射度。