太阳系的真正强者：木星

太阳系的真正强者：木星 原创 中科院地质地球所 2019-06-19 07:40:17
太阳系相比于整个宇宙，犹如一粒微尘般毫不起眼；我们所在的蓝色地球相比于整个太阳系，也如同一粒微尘。我们人类，在这粒微尘之上，仰望星空，想象着有朝一日，能够遍访宇宙中的所有星球，能够游历宇宙中的每一个角落。
在之前的系列中，我们已经拜访过了太阳系的所有类地行星。类地行星都有鲜明的岩石圈边界，因此可以脚踏实地地去考察，这可是我们地质地球所的专长。然而太阳系八大行星的另外四颗——我们称之为巨行星——它们并没有一个类似于地面的东西，来让我们登陆拜访。
不过，航空、航天、航海，同样是地球科学研究的常见载体。四颗巨行星的复数个的岩石卫星，也有着值得考察的非凡特性。所以今天，我们就来看看离我们最近，也是太阳系最大的巨行星：木星。
木星：
太阳系的真正强者
木星是太阳系真正的强者。跟木星比起来，太阳系的其它行星都是DD。
壹
图注：真正的强者：木星
木星的质量，是太阳质量的千分之一，听起来似乎不大。但是实际上，木星的质量是太阳系其他七大行星的质量的总和的2.5倍还多，大约等于318个地球质量！而从体积上来说，我们所熟知的，木星的标志性景观现象——木星大红斑，完全可以容纳得下整个地球。
图注：木星与太阳、木星与地球的对比
木星体积很大，尽管离我们很远，它在夜空中也非常明亮，是夜空中第三亮的天体，仅次于月亮和金星。它的反光，甚至已经强到足够形成影子了。
图注：月亮旁边那颗亮星就是木星
按理说，按照小说的一致套路，大凡是身形庞大的家伙，行动必然迟缓。然而木星却是个“敏捷的胖子”。木星的自转周期大约是9.925小时，是整个太阳系中自转最快的行星。体积大，转的快，这就形成了一个显而易见的后果，这个胖子变得很扁。就算是用入门级的天文望远镜，也可以看出，其赤道要比两极直径更大，大约相差将近一个地球还多。
图注：描述木星需要用地球作为单位……
木星的很多特殊性质，都跟其硕大，庞大，巨大，宏大，伟大……总之非常非常大的体型，以及作为一个“敏捷的胖子”的本性有关。
木星很大，但是自转又很快，赤道地区的转速达到12.6km/s——这比脱离地球的所谓“第二宇宙速度”；11.2km/s，还要快，作为对比，地球赤道地区的转速只有460m/s，相差27倍。木星的大红斑，就是因为超高速的表面风，形成的一种湍流风暴。暴躁而充满破坏欲，这是木星这个平和的名字下隐藏的特性。
图注：旅行者1号拍摄的木星，
32天每10个小时拍摄一张图片的合成
高速自转的流体，就像线圈里流动的电流，使得木星具有了强大的磁场。这个磁场远比地球的磁场强，赤道地区约有0.42mT，两极地区则达到1.0-1.4mT。地球两极的磁场，大约只有0.06mT，弱了20倍。这样强的磁场，使得木星两极产生了绚烂的极光。
图注：哈勃望远镜拍摄的木星极光
这么狂暴的环境，木星恐怕是登陆不成。臣妾做不到啊.jpg
所以，我们先把目光转向木星的几颗卫星。看看要登陆考察那些卫星，大概需要什么条件。这绝对不是怂了，而是遵从心的呼唤。
图注：木星和它最大的四颗卫星
贰
木星的卫星
贰
假装是一个标题
假装是一个没有灵魂的副标题
木星已确认有79颗天然卫星，大小迥异。一般来说，我们最关心其中最大的四颗，也即木星的主卫星群，分别是木卫一：Io（伊奥）；木卫二：Europa（欧罗巴）；木卫三：Ganymede（盖尼米德）；木卫四：Callisto（卡利斯托）。
这四颗卫星于1610年前后，被伽利略（没错就是那个发明了伽利略望远镜的人）用30倍光学望远镜观测到并记录下来，因此也被称为木星的“伽利略卫星”（Galileo moons），这四颗卫星占到木星卫星总质量的99.999%。
四颗卫星中的前三颗，形成了1：2：4的公转周期轨道共振，他们可能是由木星的原始吸积盘形成的。
图注：伽利略卫星的轨道共振
1
木卫一：Io
图注：Galileo拍摄的木卫一真彩图像。
如果要说太阳系内什么地方最接近炼狱的话，那么木卫一可能就是这样一个地方。
木卫一是全太阳系已知的天体中最干燥的地方，含有最少的水分子。其表面已知有超过400座活火山，是太阳系地质活动最活跃的地方。上图中的那些黑点和孔洞，就是火山口。火山中流淌出来的岩浆，涂布在木卫一的表面，形成五颜六色的地表。活跃的地质活动，是由于木星，以及木卫二、木卫三、木卫四的引力潮汐，共同作用于木卫一上。木卫一内部的物质，像一个面团一般不停被搓圆捏扁，因此爆发出火山。
图注：仅仅八年，木卫一上地形就发生了很大的改变。
这样的地方对一般人而言是地狱，但对于地质学家和地球物理学家来说绝对是不可多得的实验室。火山，地震，潮汐在这里轮番上演，值得研究的事例必然多不胜数。
科学研究首先要做好防护，正所谓安全第一。
木卫一的表面，火山喷发出有毒有腐蚀性的气体，首先需要对这些挥发分和喷出物做好防护。
图注：新视野号探测器拍摄到的木卫一火山，将物质喷发到距其表面330km高空
此外，仪器和人员装具的耐高温性能也一定要好，这里四处岩浆横流。
图注：伽利略号拍摄的相关区域的岩浆流
木卫一几乎没有大气，其较小的重力，以及来自木星的强大的重力拖曳，也不足以让其维持住火山喷出的气态物质。那么这些物质去哪里了呢？
图注：月球、木卫一、地球的尺度对比
原来，这些物质在喷出木卫一之后，被木星的强大磁场（之前提到过）所捕获，形成一圈甜甜圈形状的等离子体环，这个等离子体环是目前空间科学的热点研究目标，如果感兴趣的话，欢迎大家报考地质地球所的空间物理专业。（因为打广告而被领导拖走）
图注：木星的甜甜圈状等离子体环
因为这个等离子体环的存在，木卫一表面被加速后的等离子体轰击。人员在木卫一的表面，还必须做好电离辐射的防护。
2
木卫二：Europa
图注：伽利略号探测器拍摄的木卫二
木卫二的名字，欧罗巴，来自于希腊神话神王宙斯的爱人Europa，宙斯在罗马神话里就对应着神王Jupiter。顺便一提，刚才的木卫一Io，以及接下来要提到的Callisto，还有Ganymede（是个男神，男的），也是宙斯这个渣男的爱人。
木卫二是四颗伽利略卫星中最小的一颗，比地球的月亮稍微小一点点。但与月亮不同，欧罗巴拥有太阳系最光滑的固态表面。目前认为，她的表面有一层薄薄的冰壳，冰壳下面则是对流的固态冰，或者液态的水——也就是海洋。
图注：木卫二的两种可能的表面结构
那么说到这儿就已经很明显了，去木卫二，我们需要带上最好的钻头，去钻取冰心样本。也要带上地震仪，去看看在这厚厚的冰盖下，到底有没有一片液态的海洋等待我们去遨游。
图注：坐上潜水艇去探索木卫二冰面下的秘密世界
如果幸运的话，我们随身携带的潜水服可能也会派上用场。之前在木卫一干渴得不行的喉咙，也可以在这里得到一些滋润——不过记得水还是要煮开再喝。
但是，由于木星磁场的影响，木卫二表面的辐射还是非常强！稍微暴露在外界就会导致严重的疾病，所以还是要做好辐射防护。
3
木卫三：Ganymede
前面的欧罗巴已经够“水”的了，可是还有更水的！
木卫三，盖尼米德，经过分析发现，木卫三大约由等量的硅基岩石和水组成！
图注：木卫三的圈层结构，两层冰夹一层水。
根据科学家的分析，Ganymede也许拥有全太阳系最大的海洋，水深可能达到800km。而由于潮汐和内部热源的作用，Ganymede的海底也许会比冰水二相点（在地球上是0摄氏度）高40摄氏度——这意味着生命可能也存在于这片海洋中。
此外，木卫三是整个太阳系最大的卫星，大于月球，甚至比行星水星还要大一点。较大的体积和质量，以及流体的内核，使他像地球一样，具备了内生的磁场。对于一颗卫星来说，这是极为难得的。
图注：木卫三的磁场结构图，
木星在右边，轨道方向为垂直纸面向外，磁场与木星磁场结合在了一起。
由于内生的磁场，木卫三上也有极光。
而这简直太棒了，也许这里就是人类的下一个家园呢？比如未来水世界？
所以需要带上什么还用得着说么？当然是带上全套家当啊~比如烤鱼用的炉子和煮汤用的锅……不是，我的意思是地质锤、罗盘、野簿，还有重磁电震的各类仪器！
4
木卫四：Callisto
图注：伽利略探测器2001年拍摄的木卫四
木卫四相比起前面的木卫三，木卫二，似乎就没有那么有趣了。
根据现在的调查，木卫四似乎并没有完全分异，各种组分在其圈层结构内混合在一起。在木星的磁场环境中，木卫四呈现出很高的电导率，一般代表它含有大量的水。木卫四显得有点离群索居，并没有跟前三位兄弟一起，跳起轨道共振的舞蹈。它的轨道半径比较大，距离木星很远。
但是这些特性，使其成为一颗很安全的天体。
由于圈层分异不显著，轨道又很外围，其地质结构非常稳定。距离木星很远，从而躲开了那个甜甜圈形状的等离子体环，辐射很低。同时岩石含水量又比较高。如果用电解水的方法来生产燃料，那么完全可以将这里改造为一个探索木星系的驿站。
图注：在木卫四上建立前哨驿站
也就是说，如果将来有机会拜访，地质学家们可能只需要带好身份证和信用卡，来这里享受热水、热汤、舒适稳定的床铺，以及价格公道的飞船加油服务。
听起来其实也很不错。
回到木星
叁
但是等一下，我们最终还是要探索木星的不是么？不能因为一点点困难就被吓倒！（12.6km/s的风呼啸吹过）
图注：Juno探测器拍摄的木星
木星笼罩在厚厚的云层下，其可能存在固态的核心，但是可能不是人类轻易能够到达的地方。其大气层的狂暴的风暴，也不是现在的科学技术能够哪怕想象出一种飞行器，来在内部航行的。最坚固的机翼会折断，最厚实的气球会被撕碎，火箭会迅速失去平衡。
科学家可能要像蜻蜓点水一样，在木星的大气层浅表轻轻一触，采集一点样本，然后立刻退出大气层。
所以各位读者有没有什么好的想法呢？（抄评论预警）
肆
按照惯例，总结一下
贰
假装是一个标题
假装是一个没有灵魂的副标题
为了探索木星这样一个丰富多彩，危险与机遇并存的世界，我们需要：
首先，做好防辐射的工作，以抵抗木星甜甜圈的伤害。
第二，请教一下夏威夷那边的科学家，在充满毒雾和岩浆的火山口，如何开展科研。
第三，带好镐头和钻机，还有潜水服，以便在木卫二和木卫三捞鱼吃。
第四，随身携带小水槽和碳棒，也许可以现场制取火箭燃料。
第五，详细询问本文的读者有没有什么好办法可以去木星本体上逛一逛。
最后，带好自己的毛巾！
然后跟志同道合的人一起，用好奇心，去战胜一切不可能！
美编：张 岳
校对：李玉钤

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