木星探测

初步成果

　　1973年4月6日，美国发射先驱者11号探测飞船，执行飞掠木星（1974年12月）和土星（1979）年的使命；1977年8月20日又发射了旅行者2号探测飞船，半月后又发射旅行者1号探测飞船。后发射的旅行者1号于1979年3月5日先行到达木星，同年7月9日旅行者2号也到达木星。

　　旅行者1号从木星云顶286000公里上空飞越，提供了木星系统的新信息。木星的大气是复杂的，由氢和氦组成的稠密大气层之上是色彩斑斓的云层；木星大气的运动比预计的更加汹涌，似乎受到云顶底下深处某种力的控制；足以容纳几个地球的大红斑，是一个巨大的大气风暴，每隔6天沿逆时针方向转动一次；已发现木星周围有一个29到30公里厚的薄环。最大的意外是，在木卫1这个木星卫星上至少有九座活火山，有些火山的火焰高达280公里。其他已调查的木星卫星包括木卫3、木卫2和木卫4。木卫3的直径达5200公里，比土星卫星土卫6大，是太阳系内最大的行星卫星。

　　旅行者2号从距木星云顶643000公里之内飞越木星，探测了条纹状的云、红斑、“白卵”、木星环（旅行者1号已发现的）和木卫1、木卫2、木卫4、木卫3和木卫5。另外旅行者1号和2号还发现三颗新的木星卫星、极光和像地球上特大闪电一样的云顶闪电。

　　木星的密度很低，只是地球密度的0.24倍，对木星的就近探测证实它的主要成份氢和氦。它是一颗由液态氢构成的巨大星球，除了有一个很小、可能是熔融的岩核以外，没有探测到任何的固体表面。

　　木星大气中，82％是氢，17％是氦，其他成份仅占1％左右。这层大气层厚度约965公里。在木星云顶层之下965公里处，气态氢在摄氏1999度的温度和巨大的压力下，变成了液态氢；大约在25000公里的深处，液态氢在摄氏11000度的温度和300万个大气压下，变成了固态金属氢。木星上的氢和氦挥发得很少，基本上保持了原始星云的化学组成，内部是处在高温高压下的液态氢。

　　虽然先驱者和旅行者姐妹探测飞船成功地拍摄了有关木星及其卫星外貌和大气层的大量清晰照片，把人类对木星的认识向前推进了一大步，但是由于木星的云顶比较厚，无法弄清大气下层气体的状态，无从了解大气层内部各种状态参数随高度的变化，至今仍有许多奇特的现象无法得到合理的解释。为此，美国决定设计枷利略号探测飞船，用它对木星系统进行更详细的就近考察和科学探测，以进一步揭开木星世界之谜。

　　木星探测飞船的任务

　　伽利略号木星探测飞船总重2550千克，由轨道器和大气探测器两部分组成，前者在木星的椭圆轨道上执行探测任务；后来深入木星大气层深处探测大气层的成份和物理特性。轨道器备有多种光学摄像装置，一个小型天线，用来向地球转发大气探测器发送来的数据。大气探测器总重为345千克，由制动防热罩和球形仪器舱组成。防热罩是个锥角等于 120度的钝头圆锥壳体，为防御进入大气层时的气动加热，表面覆盖一层很厚的碳—碳烧蚀防热层。防热罩重量占大气探测器重量的一半。球形仪器舱除了装备大气组分探测计、质谱仪、氦气浓度计、测云计、辐射计、高能粒子探测计等多种探测仪器外，还有降落伞系统、无线电发射装置和少量能源。

　　伽利略号木星探测飞船本预备在1986年5月由航天飞机施放。由于挑战者号航天飞机在1986年1月失事而未能按计划执行。

　　直到1989年10月18日，探测飞船才发送上天。预计将在1995年飞近木星。飞行路线是独特的：先在1990年2月飞越并探测金星，从金星获得额外推力，随后于12月飞近地球，进行照相和测量。按计划，它在1992年12月再次越过地球之前和之后，各遇上一颗小行星，借助引力跳板，最后踏上飞向木星的轨道，全部行程长达6年以上。在环绕木星运行时，伽利略号将对它进行20个月的观测；同时探测飞船还将利用木星卫星的引力作用做一系列环绕飞行以考察木星的其余卫星。人们期待着伽利略号探测飞船给人类传来有关木星和木星系统的详尽的新信息。

　　土星探测的收获

　　土星是一颗类似木星的行星，主要成份也是氢和氦，由于氢氦挥发得少，它基本上也保持了原始星云的化学组成。土星最引人注目的特征是它的环系。这些环从离土星约72000公里延伸到137000公里的距离，形成一个非常薄的盘，厚度只有几公里。有着漂亮光环的土星，是太阳系中最美丽的一颗行星。土星距离地球约12.7亿公里，非常遥远；它绕太阳的公转周期是29.46年，平均运行速度每秒9.64公里；它是太阳系中第二颗大行星，体积是地球的755倍，质量是地球的95倍，可平均密度只是地球密度的0.12倍，比木星还小。土星拥有10颗以上的卫星，因此自成一个系统，其中土卫6和地球一样也有空气，是太阳系唯一有大气的卫星，受到科学家的特别注目。该土卫6是在1665年由荷兰天文学家、物理学家惠更斯发现的。探测土星和土卫6，对了解和掌握太阳系的演变有重要意义。

　　美国发射的先驱者11号和旅行者1号、2号等探测飞船相继飞临土星系统进行就近考察，传来许多新信息。

　　1979年9月1日，先驱者11号从距土星云顶20200公里以内飞越，对土星拍照 10天，测量了这个带光环的行星，发现了两个新的外环和直径约400公里的土星的第11颗卫星，该卫星靠近土星环的外缘。这次探测还证实士星有磁场、磁层和辐射带。

　　1980年11月13日凌晨，旅行者1号探测飞船在距土星云顶124237公里处掠过土星，飞船摄影系统从8月开机，到12月19日关机，共向地球发回18000张关于土星及其光环和卫星的彩色照片和各种数据。从这些照片和数据中，科学家们了解到土星绚丽多彩的光环比以前认为的更复杂，它大大超过人们原先看到的6条，而有成百上千条环，形成一个光环群。这样密集繁多的光环，大小不等，形状不一，互不接连，形成一组环形彩带。在这些光环下面，还发现两条狭窄的短环，像发辫似地编结在一起，一股套一股，可能是由于电场或磁场对光环作用的结果。

　　1981年8月25日旅行者2号从土星最近点扫过，天文学家从它发回的照片中发现，土星光环一环套一环，犹如唱片中的纹道。

　　根据探测材料，科学家认为土星的光环是由无数大小不等砾石微粒踢成的。这些砾石微粒直径从几厘米到大约9米之间，以很高速度绕土星运转，这一奇特现象究竟是如何形成的还是一个谜，但是可以认为各环可能是在不同时期形成的。

　　在发回的照片上，还发现土星上斑点、晕圈、旋涡，并随风移动。土星表面新发现一个桔红色的卵形区，其宽度和地球直径差不多，科学家认为可能是一次巨大的飓风造成的。土星上最大风速出现的区域是在环绕着它的光环彩带中心，而彩带边缘几乎无风。

　　旅行者号探测飞船还发现 6个新的土星卫星，有一些是以前从未发现的，另一些虽曾报导过，但没有证实。特写观测照片显示土星的一些较小卫星是由“干冰”组成；有些卫星上存在亿万年来陨星撞击坑汇成的斑点；有些卫星表面比较平坦，说明较年轻。

　　旅行者1号探测飞船曾在离土卫约64000公里身旁飞越，因为它是被探测的重要目标。土卫6的直径不大于5120公里，并没有过去认为的直径5760公里那么大，因此不是太阳系最大卫星，但它是太阳系内唯一有大气的卫星，大气层厚达2700公里。大气层大部分是由氮气组成，而不像以前认为的那样是甲烷。氮约占98％，甲烷只占1％，其余还有少量乙烷、乙烯、乙炔和氢等。由于土卫6上温度很低，氮在低温下凝成液氮，因而在土卫6表面上有许多液氮湖。虽然土卫6上有孕育生命的氢氰酸有机分子，但由于温度在摄氏零下190度到201度之间，显然不可能形成有生命的东西。

　　靠近土卫6表面的大气压力比地球大气压力高50％，表面至少由28O公里厚的浓雾遮盖着。土卫6每16天绕土星运行一圈。有人幻想，如果未来的宇宙旅行家有机会来到土卫6上，将会欣赏到独特的景观：土星经常出现在天空中，像月亮在地球上空那样，周期性地变换着它的容貌，从圆到缺，从新月到满月，再加上那细微的光环，更是多姿多态，无限风光。

　　根据探测资料，美国和法国科学家有一个重大发现，就是土卫6上有反温室效应。由土卫6高层大气中一层厚的有机烟雾造成反温室效应，使土卫6的表面温度降低16华氏度。但是土卫6的温室效应使其表面温度增加38华氏度。科学家认为，土卫6的温室效应和反温室效应是同地球比较的极好的模型，研究土卫6可能会帮助我们搞清地球变暖或变冷的问题。

　　为进一步探测土卫6，1988年11月25日欧空局宣布将于1994年4月由美国宇航局发射一个探测器，并在2000年到达土星系统。这个探测器以“惠更斯”命名的着陆器进入土卫6大气后，速度减慢，然后打开降落伞，从距土卫6表面180公里处缓缓下降，在两三个小时内降到土卫6表面，其冲击力相当缓和，足以使它在失效前对土卫6表面样品进行分析。探测器本身绕土星飞行，充当无线电中继站，向地面转播由着陆器发来的土卫6样品分析数据。

　　探测飞船接近天王星

　　天王星，绕太阳公转周期84.01年，平均运行速度每秒8公里。它是太阳系内的第三颗大行星，体积是地球的52倍，质量是地球的14.5倍，平均密度小，是地球的0.28倍，从体积、质量和平均密度比较，它有点类似木星，因此把它归人类木行星。科学家们据此推测天王星也没有坚实的固体外壳，星体完全由气体组成，主要成份是氢和氮，还含少量的氮和甲烷。

　　天王星距地球约28亿公里，大约相当于地球到土星距离的两倍多，因为它太遥远，人类对它知道得太少了。然而，它一系列奇怪的天文物理现象和固有的内部构造激起了科学家对它就近观察的强烈愿望。据目前观察，它的自转轴差不多躺在公转轨道平面内，所以当它的一个极几乎垂直地接受日光照射时，另一个极却落在漫长的黑夜里，只有在特定的一、二十年时间内才能观察到它的赤道区和扁球形状。

　　“目前从地面望远锐观察到天王星有9条淡淡的光环，并拥有5颗卫星，令人奇怪的是和其他行星卫星不一样，这些卫星有的左旋，有的右旋。据科学家们推测，天王星犹如当年逐渐冷却和凝聚过程中之地球，就近考察天王星会获得珍贵资料与信息，有利于探索太阳的起源和进化。

　　1986年1月24日，风尘仆仆的旅行者2号探测飞船飞抵天王星近旁。飞船在距天王星中心 107020公里处，以每小时67820公里的速度飞越，对天王星进行了一系列科学探测和拍摄照片，获得大量科学资料。

　　飞船科学探测确认，天王星被汪洋大海所覆盖，其深度达8000公里，海水温度高达几千度。由于洋面上压着沉重的大气，因此超高温的海水未能沸腾；反过来，又恰恰由于这种超高温，才阻止了高压把海水“压凝”。天王星有极其丰富的大气，据探测资料，其大气层厚达几千英里，大气主要成份，确实是以前认为的那样是氢，其次是氦，占大气的百分之十到百分之十五，其余为少量其他气体。大天王星大气的云层中发现有向外喷射的气流，这种气流有毒。大气中还有猛烈的风暴，风速每小时达1600公里。此外，还发现天王星的大空中有“电辉光”，这在旅行者探测木星和土星时就曾有所发现。科学家们认为，电辉光可能和氢的存在有关。探测确定天王星自转周期为16小时58分，正负18分，而不是原来地面观测确认的23小时。

　　天王星的温度变化与地球大不相同。在地球上温度高低与阳光的直射、斜射关系甚大，而在天王星则不然。阳光普照的南极反而比阴暗的北极要低。南极太阳照耀下高层大气温度为1800℃，黑暗的北极高层大气温度竟达2400℃。探测结果还表明，天王星是彗星构成的，这点不同于其他的近邻土星和木星，后两颗星都是由旋转的星云组成的。这一认识也和原来对天王星的看法不同。据探测资料，天王星的大气在彗星中也同样存在。科学家们分析，目前远离太阳的彗星，原本在天王星和海王星轨道上绕太阳运行，由于在引力作用下飞离轨道，最后在遥远的地方形成云雾；而留在天王星、海王星轨道上的数百万个彗星相结合便形成了天王星和海王星。构成天王星的彗星本来是巨大的冰块，只是在行星形成时，由于受高压和冲击的强力作用产生了高温，于是巨大的冰球便成了高温的水球了。

　　旅行者2号探测还揭开了天王星的两个谜。第一个谜，天王星虽没有坚实的固体外壳，是厚密大气包围下的超高温水球，但它的内核是和地球差不多大小的熔化岩心，其构成和地球大不相同，地球是以铁石为主，故比重比天王星内核大得多。第二个谜，天王星也有磁场、不过强度较弱，过去认为天王星没有磁场，因而被认为是一个谜。天王星磁场扭曲而毫无规律，科学家认为，这可能是由巨大的海洋和岩心缓缓扰动而引起的。

　　探测天王星光环也有新发现，光环总数不是地面观测到的9个，而是20个左右。光环之间有环缝，环缝中有颗粒很小的填充物。从摄下的彩色照片看，天王星的光环颜色不尽一样，有红色的，也有蓝色的，但是整个来说，光环增多较暗。

　　对天王星的卫星也有新发现，在原来已知的30至70公里之间。飞船对原来的5颗卫星进行了测定，天卫一、二、三、四、五的直径现测定为：1180公里、1220公里、1620公里、1570公里和 480公里。这些卫星中最令科学家惊讶的是天卫五。旅行者2号飞船在距天卫五18000公里处飞过，共拍照片16秒种。这些照片表明，天卫五不是标准的圆球星体，它的地形极其复杂，至少有10种不同地貌。它拥有高耸入云的山峰、幽深的峡谷、又长又深的裂缝、横亘的大山梁、令人生畏的悬崖、错落分布的环形山以及“流淌”着的冰川等。天卫五地形如此复杂丰富多彩，简直可以把它看成太阳系内卫星的总代表。望着天卫五的照片，科学家惊叹的是，这种千奇百怪的地貌是怎样形成的呢？

　　探测海王星的奥秘

　　海王星是在1846年发现的，它绕太阳公转一周需要164.79年，平均运行速度每秒5.45公里。自从发现它到现在，它还未绕完太阳一周呢！海王星也是一个庞然大物，在太阳系内排在木星、土星、天王星之后居第四位，也是一颗类木行星。它的体积是地球的44倍，质量是地球的17倍，平均密度是地球的0.41倍，比其他类本行星大。海王星处在太阳系的边缘，离我们有45亿公里之遥，历来对它知之甚少；在地面上用望远镜观察它也不过是一个亮点。由于距离实在太远，用探测飞船对它进行探测也是一个棘手的问题。

　　旅行者2号探测飞船在太阳系翱翔了12年，行程72亿公里，终于在1989年8月25日迫近了海王星，不负科学家们所望，实现了对海王星的近距离考察，向地面发回6000多张海王星及其卫星的照片，揭开了这颗神秘莫测的蓝色行星的面纱。飞船抵达海王星的最近距离只有4827公里。在考察相会期间，先后发现了海王星的6颗新卫星，加上早先在地球上通过计算发现的海卫一和海卫二，使海王星的卫星总数达到8颗。

　　探测飞船还发现海王星有5条光环，其中2条明亮，3条暗淡。

　　美国科学家认为，海王星光环是由彗星碎片构成：在海王星最外层的一条光环中，有6到8个冰体，其中最大的不超过10至20公里宽。海王星南极周围有两条宽约4345公里的巨型黑色风云带和一块面积有地球那样大的风暴形成的大黑斑，类似木星的大红斑。这块大黑斑沿自身的中心轴逆时针方向旋转，每转一周需10天。海王星周围有一个被一辐射带包围着的磁场，而且大部分地方有像地球南北极光一样的极光。海王星磁极对海王星旋转轴倾斜50度。

　　科学家们认为，这可以解释为什么极光在该行星的大部分地方出现。海王星的大气动荡不定，大气层中含有冰冻的甲烷构成的白云和一股像地球那样大面积的气旋，跟在气旋后面的时速为640公里的飓风式风暴。

　　地面人员在处理飞船发回的新数据时，还惊奇地发现，海王星上空有与地球大城市上空一样的烟雾。科学家认为这是太阳光照射海王星大气中含量高的甲烷形成的。这种光化烟雾在海王星同温层底部形成了一层150公里厚的冰层。

　　旅行者2号对海王星的卫星海卫一的探测确认，它是太阳系中最冷的一个天体，表面温度为零下240摄氏度；它沿海王星自转方向逆行。对它有趣的逆行，天文学家根据探测资料研究后认为，它曾是一颗绕太阳运行的彗星，在某个时候与海王星的一颗卫星碰撞后，进入绕海王星运行轨道。

　　科学家根据探测信息还发现海卫一上有三座冰火山，而且有的还在活动，曾喷出过冰冻的甲烷或其他冰类物质。有时它喷出的氮冰微粒高达 32公里。这一发现使海卫一成为太阳系中存在活火山的第三个天体，其他二个是地球和木卫一。科学家认为，海卫一冰火山喷发是由海卫一内部升高的液氮压力引起的。探测还发现海卫一上到处有断层、山脊、低悬岩和各种冰结构，这表明某个时期海卫一上可能发生过地震。海卫一上空有一层稀薄的氮气组成的大气层，海卫一上可能存在液氮海洋和冰湖，所有这些证明，海卫一可能有过长达10亿年的活跃的地质活动期。飞船对海卫一的考察使科学家们兴奋不已，人们对海卫一的兴趣甚至超过了海王星本身。