朱诺号发现木星之水的秘密

自1995年伽利略号任务(Galileo)后迄今,朱诺号(Juno)首度公布科学成果,探索并测量木星大气的水量。论文指出:木星赤地道区的大气,约仅0.25%是水分子,这个量看起来很少,不过已是太阳大气的3倍了。相关论文发布在《自然天文》(Nature Astronomy)期刊。

行星科学家幻想精确测量木星大气的含水量已经数十年了,因为他们认为这是有关太阳系形成最关键的一块拼图。木星很可能是太阳系里第一颗诞生的行星,主要由没被太阳吸走的气体和尘埃组成。现行理论认为木星的形成是以它吸收的水量为基础。而水含量多寡与木星的大气气象(环流)和内部结构有重要关系。航海家号和其他太空船曾侦测到木星大气的闪电现象,也暗示木星大气有水存在。虽然这种种都与水有关,但却一直无法精确估计木星大气的水含量。

朱诺号2017年12月16日飞掠木星时拍摄的图片。(Source:JPL)

1995年12月,伽利略号以冲入木星大气自杀的方式结束生命之前,最后的任务就是一路以光谱仪侦测木星大气的水含量,总共发送了57分钟,直到木星大气约120公里深、大气压22巴(bar)之处。不过分析侦测数据后所得结果,比科学家预期的水含量还少10倍左右,让这些科学家不解又沮丧(注:巴为大气压单位,地球表面1标准大气压为1.01325巴)。

还有更多意外:伽利略号在120公里深测到的含水量其实还在增加的趋势线上,远低于理论预测大气应该混合的地方。混合良好的大气,同一区域内各处水含量相差不大,甚至可能表现全球均一模式。与地面望远镜的红外数据综合后,结果显示伽利略号太空船不够幸运,采样的地方刚好是木星异常干燥与温暖的天气区。但根据朱诺号最新观测结果,木星大气云顶以下处的混合程度并不好,事实上,水气在此的变动可能很大。

朱诺号于2011年发射升空,目的之一就是从木星上空测量大范围水含量。通过这艘太空船的微波辐射计(Microwave Radiometer,MWR)的6个天线,可同时测量不同深度的大气温度。MWR利用水会吸收特定波长的微波辐射原理运行,如同微波炉快速加热食物。之所以要测量温度,是希望能得出大气深处的水和氨的含量范围,这两种分子都会吸收微波辐射。

这些科学家取用朱诺号最初8次飞掠木星的测量数据分析而得出上述结果。他们最初集中分析木星赤道一带,因为他们认为赤道区的混合情况会比其他区域好,即使大气深处也是如此。朱诺号能探测至150公里深的大气,此处大气压力约33巴,比伽利略号还深许多。结果发现赤道区的水比伽利略号当初测得还多很多,科学家表示,因为木星赤道区相当独特,他们必须比对结果,才能知道其他地区的水含量有多少。

朱诺号环绕木星一周约53天,轨道会缓缓向北移,每绕一周,就能带来更清晰的木星北半球测量结果。科学家渴望知道大气水含量是否会随纬度和区域不同而不同,以及气旋丰富的极区能提供全木星水含量的线索,因此未来将继续朝这方向努力。