木星上隐藏的风可能扰乱了它巨大的磁场

这张显示了木星在某一时刻的磁场。NASA/JPL Caltech/Harvard/Moore et al.

木星的磁场自20世纪70年代以来发生了变化，物理学家已经证明了这一点。

这并不奇怪。地球磁场是唯一一个我们有很好的持续测量的行星磁场，它一直在变化。但新的信息是重要的，因为这些微小的变化揭示了行星内部“发电机”的隐藏细节，即产生其磁场的系统。

在5月20日发表在《自然天文学》杂志上的一篇论文中，一个研究小组研究了过去四次木星任务的磁场数据（先锋10号，1973年到达木星；先驱11号，1974年到达木星；旅行者1号，1979年到达木星；尤利西斯号，1992年到达木星）。[我们最想参观的太阳系中的10个地方]

他们将这些数据与朱诺号宇宙飞船产生的行星磁场地图进行了比较，朱诺号宇宙飞船对这颗巨行星进行了最新和最彻底的探测。2016年，朱诺号绕木星非常近的轨道运行，从一个极到另一个极，收集详细的引力和磁场数据。这使得研究人员能够建立一个完整的行星磁场模型和一些关于它是如何产生的详细理论。

这篇论文背后的研究人员表明，来自这四个较老的探测器的数据，虽然更有限（每一个探测器只被行星摆动过一次），哈佛大学的朱诺科学家、论文的主要作者Kimee Moore在一份声明中说：

“在像木星磁场这样巨大的物体上找到这些微小的变化是一个挑战。”40多年的近距离观测基线为我们提供了足够的数据来证实木星的磁场确实会随着时间而改变。

一个挑战：研究人员只对木星内部磁场的变化感兴趣，但这颗行星也有来自其上层大气的磁力。木星最不稳定的卫星木卫一火山爆发产生的带电粒子最终进入木星的磁层和电离层（木星大气层外缘的带电粒子区域），也会改变磁场。但是研究人员开发了从数据集中减去这些影响的方法，留给他们的数据几乎完全基于行星的内部动力。

所以问题是，是什么导致了这些变化？木星的发电机怎么了？”研究人员观察了磁场变化的几种不同原因。他们的数据最接近于一个模型的预测，在这个模型中，行星内部的风改变了磁场。

这些风从行星表面延伸到超过1860英里（3000公里）深的地方，在那里行星内部开始从气体转变为高导电液态金属，”声明说，

事实上，研究人员无法看到木星那么深的地方，所以深度测量是最好的估计，有几个不确定性，研究人员在论文中写道。尽管如此，科学家们仍然有强有力的理论来解释风的行为。

“它们被认为会剪切磁场，拉伸磁场并将其带到行星周围，”声明说。

大多数由风驱动的变化似乎集中在木星的大蓝点上，木星赤道附近的一个强磁场区域。（这和大红斑不一样）蓝斑的北部和南部在木星上向东移动，中部的第三部分向西移动，引起了行星磁场的变化。

这是不可信的穆尔在声明中说：“一个狭窄的磁场热点，大蓝点，可能是木星几乎所有长期变化的原因，但数字证明了这一点。”随着对磁场的新理解，在未来的科学进程中，我们将开始绘制木星[磁场]变化的行星图。对于研究地球磁场的科学家来说，它可能也有应用，因为地球磁场仍然包含许多有待解决的谜团。

最初发表在《生命科学》杂志上

木星是什么意思

天王星木星是一颗非常奇异的星球，在地球上是无法想象的，它比我们地球的直径大111倍，外表覆盖着厚厚的彩色云层。

木星得到的光和热特别少，因为它离太阳非常遥远。然而它在空中显得非常明亮，这是因为它非常大，而且它的云层比陆地或水面能更好地反射太阳光。

我们只要凭借一架小小的望远镜，就能看到这个遥远星球上的许多特别有趣的景色。首先我们会看到木星披着明亮的彩带，这是它厚厚的大气层中一条条的云带。

有时我们可以发现这颗行星的视面上有一个红斑。天文学家们在300年前就发现了它，称它为“大红斑”。今天我们知道，“大红斑”是木星大气高层中一个猛烈的风暴，约有24100千米长，比地球大许多。我们还会发现木星并不是正圆的，而是中腰鼓起。它转动得特别快，转一周只需10小时，也就是说木星上的一天仅有10个小时！它厚厚的大气层顶端的云层，也随着以每小时约35400千米的速度转动，这样高的速度所产生的离心力把云层拉成一条一条的，因而造成行星沿赤道隆起。

在离木星特别近的地方，我们可以发现几颗极小的“星星”，实际上这根本不是恒星，而是卫星，木星有13颗卫星围绕它旋转，不过用小望远镜能发现的只有4颗。这是1610年意大利著名科学家伽利略观测到的。如果我们连续几个晚上标下木星及其卫星的位置，我们马上就会像伽利略在近4个世纪以前所做的那样，发现这些卫星环绕木星一周只需几天。

就算凭借特别大的天文望远镜，天文学家们也如我们用小望远镜一般，仅仅看到木星大气的顶层，要对这颗奇特的行星进行更具体的观察，就必须使用无人宇宙飞船。

第一艘探测木星的宇宙飞船是1972年发射的“先驱者”10号，接着是1973年发射的“先驱者”11号。这两艘飞船带回了木星大量近距离照片和有关情况。1979年3月又有一艘飞船飞近木星，这就是1967年发射的“旅行者”1号，而“旅行者”2号也在1979年7月飞向这颗巨星。

到目前为止，还没有宇宙飞行员冒险进入到木星的大气层，但科学家们认为，那隐藏在神秘云层和风暴下面的世界他们已能推断出。

在木星的天空下面翻腾着一片片红色、棕色和**的云海，漫无边际；天空一片漆黑，上面点缀着成千上万颗闪烁着的星星；在木星上看太阳，它只是一颗非常明亮的星星，它比从地球上看要暗弱27倍，但如果不带保护镜，它还是非常刺眼的。

和地球上一样，从木星上看到星星和太阳也是东升西落。而且由于木星短促的昼夜只有10个小时，所以太阳停留在空中的时间仅有5个小时！

在木星的天空中，最有趣的物体是它的13颗卫星。13颗卫星中有一部分看上去只是星际中昏暗的亮点，另一部分则非常明亮，就像我们的月亮那样每月变换着月相。

最外层的伽利略卫星——木卫四，由于被陨星撞击了约40亿年之久，它的表面布满了环形山。虽然它上面没有高山，但却有一个在太阳系中从未见到过的奇观：在一个巨大而平坦的圆形盆地，周围镶嵌着一圈圈同心的山脉，就像一圈冻结了的海啸（潮汐波）。表面现象并不一定完全不可相信：科学家们推测，由于一颗特大陨星的撞击，将木卫四表面的冰层融化了，使水从撞击处向四处扩展，但又快速重新冻结，因而形成了这些山脉。

邻近的木卫三也像木卫四一样，至少有一半是由水和冰构成，它有着平坦的山脊和看上去与地球上断层线相似的纵横交错的裂纹，这可能是由被某些地质学家称为“水震”的现象造成的。与木卫四相比，它表面的陨星坑较少，而且表层年代也只有木卫四的1/4，约为10亿年。鲜艳的、橘红色的木卫一差不多与木星一样别具一格。它和月亮大小相似，每天从空中掠过一次。它的表面布满了高原、高地、干燥的平原和断层线，还至少有一个可能仍然活动着的大型火山，其直径为48千米。

让人没有料到的是木卫一的表面异常地光滑，这表明它还相当年轻（1千万～1亿年）。它几乎没有陨星坑，没有这种痕迹的岩石体到目前为止仅发现一个。

直到现在，天文学家才发现最里层的木卫——木卫五，它仅仅是一个针尖大小的亮点。这颗微小的非伽利略木卫原来是一个奇形怪状的长形天体，它高约128千米，长约219千米。

最让人震惊的是，在木卫五的轨道里面存在着一股物质的溪流，这只能被解释为一个由大粒子所组成的光环。木星本身以前也曾被先驱者10号和11号宇宙飞船考察过，不过那时为什么没有发现木星的光环，这非常容易理解，因为这个光环差不多薄得像“纸”，大约厚1千米，从地球上无法看到它。

木星的上层大气主要是由透明的氢气构成。因为木星引力比地球引力强两倍半以上，假如在地球上重45公斤的物体，那么在木星大气层顶端就将重120公斤，在明亮的、**的云层下面，是地狱般的高温和无法忍受的气压，在这种异常的条件下人类决不可能生存。

木星天空呈蓝灰色，是一个由冻结了的氨结晶所构成的浓密的、黄白色的云海。那里的气温可达到-93℃！离地平线不远的地方，可以看到一个巨大的、红色的飓风在翻腾，它比周围的云层高出差不多8千米，这个风暴就是木星的大红斑！

继续下降到木星云层的深处，气温不断升高。太阳微弱的光线透过云星，比地球上的任何黑暗更黑。但是这里——木星大气层的深处，并不是静悄悄的，一种低沉的、地球上所听不到的隆隆声，从四面八方滚滚而来，这是旋转翻腾的风和云的吼声。

如果下降到1100千米，便会进入另一个氢的世界。这时，在极高的温度和压力的作用下，氢变成了液态的海洋！唯一的光亮是来自周围的巨大闪电，它们使地球上的闪电看上去只不过是大大的火花，而这里的雷鸣则是异常的震耳。

这个氢的海洋深达24900千米，而且越往深处就越黏稠越热，称得上是茫茫宇宙间可能存在的最为恐怖的情况。

在地球上，氢是一种清澈的气体，但在这里，在异常高的温度和压力下，液态氢就压缩得如金属一般，可以传导热和电！

假如再下降3200千米，温度则更高。若想到达木星中心的地方，必须从一层960千米深的液态氢的海洋中穿过。在木星中心，有一个比地球大10倍的岩石心。这里的温度约达17000℃，简直让人无法相信。64400千米高的大气层的重力也是在地球上所无法想象的。因为木星温度高，又有大量的氢，它与太阳非常相似，而与地球差异极大。如果木星质量再加80倍，那它就可以成为一颗恒星。

在如此“恶劣”的地方，人们也许觉得木星上不可能有任何生命存在。但是，木星实际上是太阳系中最可能发现新生命形态的地方！它厚厚的云层包含着无数有机化学物质，它呈现出各种各样的颜色。在某一区域，存在与地球相似的温度和压力。那里的云层与几十亿年前孕育着生命的原始地球大气层特别相似。

同时，许多科学家指出，如果木星的云层中有生命存在，它们决没有智能，它们甚至没有藉以生长的土地和岩石。然而，它们可能是在云雾中漂游并可以呼吸木星大层中粗糙的化学物质的原始生物。有些科学家认为这种生物或许可能约有1.5千米那么大！

木星，一个神奇而又充满敌意的世界，人类何时才能去访问呢？

木星和土星、天王星、海王星同属于巨行星行列。木星和土星、天王星、海王星这4颗行星与水星、金星、地球、火星有显著的区别。它们的质量更大，大气层也厚达几千千米，区别于水星等的几十千米厚大气。木星是太阳系中最大的行星。举例来说：如果木星是个金鱼缸，它将盛下1200颗地球大小的玻璃球。另一种说法是，把太阳系中的其他行星全塞到木星里，还会有剩余的空间。

当我们用望远镜观测木星时会发现木星上有稠密活跃的云系。各种颜色的云层像波浪一样在激烈翻腾着。由于木星有快速的自转，因此能在它的大气中观测到与赤道平行的，明暗交替的带纹，其中的亮带是向上运动的区域，暗带是向下运动的区域。虽然木星也和地球一样有铁核，可是它的85％是氢元素，其余15％主要是氦元素。其他元素只占1％。这是因为木星有强重力场，它保持了太阳系刚形成时期的大气组成。而地球的较弱的重力让它失去了大多数的原初元素。和地球上只有白色的云不一样，木星上的云五颜六色。这主要是因为木星大气中复杂的化合物造成的。

木星上的日子过得比太阳系中的任何行星都快。尽管木星是太阳系中块头最大的一个，可这并没有阻止它成为太阳系中自转得最快的行星。一个木星日只有不到地球上的10个小时。像太阳一样，木星表面不是固体，在不同的纬度，木星的自转速度不一样（较差自转），一天的长短也就不同。在赤道附近，一天有9小时50分（地球时）；在极地附近，一天有9小时56分（地球时）。

木星有“大红斑”。大红斑于1665年被法国的天文学家卡西尼发现。它位于南纬23°处，东西长4万千米，南北宽1．3万千米，可以和整个地球的大小相比。探测器发现大红斑是一团激烈上升的气流，呈褐红色。

木星有太阳系中最狂野的天气。由于温度太低，木星上会下氨雪。大气中会结成比整个地球还大的冰雹。在巨大的暴风雨中的闪电的能量足以把一个地球上的城市气化掉。地球上的天气主要是由太阳辐射的能量驱动的，太阳照射造成大气不同地方的温差从而形成风，太阳能把海水气化形成雨。而木星天气动力的来源则在它的内部，木星大气顶端的温度为-150℃，在核心处温度可高达上千度，这是因为木星有内部热源。

和地球不同，木星没有固体表面。从木星的大气层顶部下降到几千千米以下的地方，你会发现一个巨大的海洋。与地球上看得到的海洋不同，这个海洋不是由水组成的，而是由可以导电的液态金属氢组成的。它是氢在相当于几百万个地球大气压下形成的液体。在这个太阳系中最奇异的海洋下是由熔融状的铁和硅酸盐组成的木星幔和木星核。

太阳系中所有的行星都起源于46亿年前的一团炙热的的气体和尘埃。木星的表面能有那么高的温度，是因为它有内部能源在释放能量。科学家推测是木星的内部仍然在塌缩，在塌缩过程中，引力能转化为热能释放出来。火星巨大质量的核每年几厘米的下沉就会释放出足够多的能量维持木星表面难以置信的高温。结果是，木星每年辐射向太空的能量相当于它从太阳接受辐射能的2．5倍。

木星如果想变成一颗恒星，它的核心温度必须达到100万度，这才足以点燃热核反应（氢聚变成氦的反应），释放出巨大的能量。而要达到那么高的核心温度，木星的质量至少要比现在大100倍，而它没法从其他地方获得这么大的质量，所以它不可能成为一颗恒星。

过去有人猜测，在木星附近有一个尘埃层或环，一直未能得到证实。直到1979年3月，“旅行者1号”考察木星时拍摄到了木星环的照片。木星光环的形状像个薄圆盘，厚度约为30千米，宽度约为6500千米，离木星12.8万千米。它也围绕木星运行，每7小时绕木星转一周。它主要由许多黑色碎石构成，不反射太阳光，所以长久以来未被发现。

木星有强大的磁场。木星有铁核存在，使得那里好像有个条形磁铁埋在木星表层下。木星的磁场强度达3～14高斯（地磁场表面强度只有0.3～0．8高斯）。木星的磁场也束缚了许多太阳风中的带电粒子，形成了类似地球周围的范艾伦带的带状物。那些被束缚的粒子如果打到人身上会使人丧命，所以无人飞船仍将是今后探索木星的主力。

在1994年7月，木星受到重大撞击。当时电视台直播了整个撞击过程：20多块山一样大小的彗星碎片以13万千米／秒的速度撞击了木星，释放出的能量相当于几百万吨的TNT炸药爆炸释放的能量。撞击激起的激波有整个地球大小，由激波掀起的物质所组成的暗云在空中持续了长达1年的时间。

在1995年12月7日，经过6年的长途旅行，“伽利略”号飞船到达并进入了木星的轨道（它以前的“先驱者”和“旅行者”都只是从木星旁经过）。“伽利略”将发回至少2年的珍贵木星资料，并放出第一个人造机器人进入木星大气层探索。“伽利略”号的照片比“旅行者”有更好的地面分辨率，会提供更好的资料给我们。

“伽利略”放出的进入木星大气层的机器人在受到木星上高温高压环境影响前发回了1个小时的资料。结果分析发现，木星上的风速达到了335千米／秒，比科学家预期的200千米／秒要大。“伽利略”放出的机器人还发现了木星上没有科学家预言造成木星五颜六色云的多种化合物，如乙烷、磷化氢等。它还发现木星上的氦要比预想的少一些。不过，这还不足以否定科学家们以前的推测，因为这个机器人探测器只对木星大气的顶端进行了1个小时的探测，而不是全面的探测。当伽利略观测木星时，发现了木星两旁直线排列着4个亮点，连续的观测发现这4个亮点虽然会互换位置，可是它们一直在木星周围。伽利略正确判定它们是木星的卫星，并以他的研究资助方麦迪斯家族的人命名这4颗卫星。可是，后人均称这4颗卫星为伽利略卫星。这4颗卫星实际上比我们可以用肉眼看到的最暗的星要亮。可是直到望远镜发明我们才发现那4颗卫星是因为木星的光辉遮盖住了它们。在希腊神话中，宙斯是统领众神的上帝，木星代表着宙斯。所以，人们就形象地把那4颗卫星以宙斯的仆人和情人命名：卡利斯托、甘米迪、欧罗、爱莪。

自从伽利略发现木星的卫星以来，一共有60多颗卫星被发现。其中“伽利略”卫星是最大的4颗。它们围绕着木星以不同的方向运行，就像是一个迷你太阳系。其中有一些卫星已经被飞船近距离观测过，结果发现这些卫星之间的差异很大。最小的只有一般岩石大小，最大的比地球还大。

木卫四是一个“脏雪球”。木卫四直径为3000千米，比月球要大。它是水冰占1／2以上的冰卫星，表面很暗，陨击坑累累。木卫四最让人印象深刻的地质构造是被陨石撞击的瓦尔哈拉中央区，那下面可能可以开采出清洁水。木卫三直径5262千米，成为太阳系中最大的卫星，比水星还大。它是由冰雪层包围着岩石核组成的。木卫三有很多陨击坑，也有“海”、高地和冰峰，暗地貌区更多。

从木卫三向内继续航行就到达了木卫二。木卫二有2000千米宽，光谱显示其表面为较纯的水冰，地质上较年轻。它就像个台球，表面异常平坦，整个卫星的表面海拔相差也超不过几十米。木卫二的表面有纵横交错，绵延上百千米的条纹结构。这让科学家们联想起了地球上的海洋部分结成冰，然后融化过程中所形成的海洋冰的结构。所以有人相信在木卫二的表面下有海洋存在。由于可能存在水，木卫二也是太阳系中生命可能存在的候选天体之一。不久，飞船可能会把木卫二的一片冰带回地球进行研究。

木卫一以活火山和不断更新的彩色表面成为太阳系最美丽的天体。在“旅行者1号”飞船看到的8个火山喷发羽中，有7个又被4个月后的“旅行者2号”看到，像巨大的喷泉，升腾高大300多千米，宽达1000多千米。木卫一频繁的火山喷发可能原因是木卫一与木星和木卫二的潮汐作用。木卫一表面几乎没有陨击坑，其外壳也不存在冰。

为什么木卫一看上去如此奇怪？在“旅行者”号传回的木卫一的阴暗地区的深度曝光（为了显现出星星进而确认“旅行者”号是朝着正确的方向前进）的图像中，科学家们找到了答案。在那里，卫星边缘升起的是来自活火山的被喷到接近320千米高空的熔岩物质。很快的，又找到了其他超过6座的活火山，全部都在喷发大量的熔岩状硫磺。每一座火山都有法国大小。由于“伊娥”表面经常被其喷发出来的内部物质重新覆盖，所以它没有环形山。伊娥是太阳系中活动最剧烈的地方——一个几乎要把它自己翻出来的世界。

木卫一离大质量的木星很近是它有那令人难以置信的火山的原因。正像月球对地球施加潮汐力一样，木星也对“伊娥”施加这种作用。但木星是十分巨大的以至于它的潮汐影响是极端强的。就如一个网球在一个有力的夹子里会持续变形一样，在轨道上“伊娥”的表面也被迫的突出和凹进去90米左右。它就跟装在一个很薄的球壳里的巨大熔化状硫磺一样，冲破外壳的洞和裂缝，内部物质全爆发到附近真空中，产生了巨大的羽毛状火山烟尘。处于不同化学状态和不同温度的硫磺构成了“伊娥”表面的种种颜色。

20世纪70年代末，当“旅行者”号太空船在木卫一背面发现火山时，哈勃空间望远镜已经可以让我们持续地密切关注这个不平凡的世界。在1995年7月，一个新的黄白斑点在木卫一上出现了。接近320千米宽，几乎可以认为是另一个巨大火山的喷发物。在1996年5月，“伽利略”号空间船发现木星磁场的变化可归因于木卫一那大概1600千米宽的铁核——几乎有这个卫星它自己直径的1／2。因此木卫一成为第一个被我们所知的有自身磁场的卫星。木卫一是个“有点喜欢乱扔垃圾的人”。在木卫一围绕着木星运行并同时喷出它的硫磺烟雾时，它靠着在所过之处留下的硫分子云“弄脏”轨道。随着时间慢慢过去，这已经形成了一个完整的环绕着木星并描绘出木卫一整个轨道的圆环状云。

在我们逐渐接近木星时，它4个最大的卫星的密度会依次增加，内部温度也会依次逐渐上升。“卡利斯托”（木卫四）和“盖尼米得”（木卫三）差不多是一个“脏雪球”，与此同时“欧罗巴”（木卫二）在它薄薄的冰质外壳下基本上是海的世界。“伊娥”（木卫一）则几乎完全是由熔融态的硫和铁构成，表面根本没有环形山和一点水和冰。类似地，“卡利斯托”的表面完全是十分古老的，事实上没有迹象显示它有内部活动。对比之下，“盖尼米得”弯曲的山脉则证明一些地质活动正在那里进行。“欧罗巴”上的交叉的冰样也许说明了甚至可能一直到现在的重复的溶化和结冰过程，还有它的薄的或半溶状的冰质外壳在过去已经湮没了许多环形山的痕迹。最后，“伊娥”，由它那些喷发的火山，正持续地让它的表面“再铺”。事实上，“伊娥”有全太阳系“最年轻的面孔”。

木星是导致它的大卫星们之间的主要不同的原因。简单的说，一个卫星越接近木星，它所受的潮汐力越强，潮汐能越大。因此，远一点的地方（比如说“卡利斯托”和“盖尼米得”）是冰冻的固体，同时更接近木星的则比较温暖。这说明了一个卫星是固态、液态或者是熔融态，决定了卫星最初的水是在一个地方保持结冰状态还是很久以前就蒸发跑进太空了，留下重物质让卫星又更大的密度。

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