世界科技全景百卷书

  说到地球的形状,地球赤道半径平均为6378.139公里,  火星的极冠,这样每隔2年多地球和火星就要接近一次

  地球的形状

  火星的极冠

  地球是我们人类的故乡,是太阳家族中一颗蔚蓝色的行星。你可能了解了一些地球的知识,但我们这里要介绍的内容是把地球作为一个普通的行星,放在行星队伍中进行比较,看看它作为天体的特征。

  在天文望远镜中,天文学家还发现火星的两极呈白色,气温都在冰点以下。这些冰域称为极冠。过去科学家认为,极冠是由水结成的冰组成的,近来科学家确认,极冠不是由冰,而是由二氧化碳凝固成的干冰组成的。它的范围随季节有亮区和暗区的变化。火星极区一到冬季,由于气温下降,大气中的二氧化碳开始凝结,使得极冠加大,颜色逐渐变淡,北极可扩大到北纬65°,南极可扩大至南纬57°。一到夏季冰雪融化,极冠的范围也就缩小了,暗区就逐渐扩大和变暗。两极的极冠分别延伸到北纬80°和南纬84°。

  首先,地球是我们观察天体和认识宇宙的基地,地球的所有物理量都是我们衡量其他行星的尺子。比如,我们说水星公转周期是88天,这里所指的

  火星的亮暗区域引起了天文学家们的争论,争论的焦点便是火星上究竟有没有“火星人”和“运河”是否存在。

  “天”就是以地球自转定的天。冥王星绕太阳的公转周期是248年,这里的年也是以地球公转作为计量单位的。地球的运动被当作天文计时器。

  火星大冲

  说到地球的形状,你一定很熟悉。我们每天都可以看到中央电视台播放的地球形体。要知道,我们人类能看到自己所在星球的全貌,这还是近
30多年的事。在此之前,人类还处于“不识庐山真面目”的状况。现在不仅知道地球是一个球体,还精确地测出地球形体的基本数据。地球赤道半径平均为6378.139公里,极半径平均为6356.755公里。两者相差21公里,地球的扁率为1/298.257。也就是说,地球的赤道周长比两极方向的周长要长。同时,两极方向的半径也不是等长的。北极方向比正球体高出18.9米,南极方向比正球体凹进25.8米。地球的赤道也不是一个正圆,长半径比短半径长215米。长轴方向在西经35度左右。由此可见,地球的形状不是一个正圆球体,精确地说,地球的形状是一个略扁的旋转椭球体。夸大点说,地球的形状类似鸭梨。当然,恐怕凭我们眼睛是看不出来的。

  火星位于地球轨道之外,它绕日运动的轨道比地球绕日运动的轨道大,因此,火星绕太阳运行一周等于地球的2年。这样每隔2年多地球和火星就要接近一次。如果地球刚好在太阳和火星的中间,也就是火星与太阳的黄经度相差180°时就叫“冲”。火星冲日每隔2年多发生一次。如果火星在过近日点附近时恰好为冲的时候,它将最接近地球,这时称之为“大冲”。火星大冲平均每隔15年或17年才发生一次,而且总是在7月和9月之间。

  地貌和气候

  火星冲日是观测火星的有利时机。这时的天文观测有许多新发现,最著名的发现当推火星的两个卫星。1877年8月火星大冲,美国天文学家霍耳使用当时口径最大的66厘米折射望远镜,观测到火星的两个“小月亮”。上次火星大冲的时间为1986年7月10日。下次的时间为2003年8月27日,视直径为25.1″,位于宝瓶座,愿朋友们能在火星大冲时欣赏到火星表面那迷人的色彩变化。

  地球作为类地行星的样板,它的地貌结构有很重要的特征。地壳质量只占整个地球质量的0.2%左右。大陆地壳平均厚约35公里,已发现大陆最古老的岩石年龄为38亿年,平均密度为每方厘米2.7~2.8克。大洋的地壳平均厚度约7公里
(包括海水),大洋地壳岩石年龄不超过2亿年,平均密度为每立方厘米3~3.1克。大陆占整个地球表面5.1亿平方公里表面的29%,海洋占71%,可以说,地球是富水的行星。地球表面绝大部分都被茫茫的积水
(海洋、河流和湖泊)和连绵不断的植被所覆盖。这是其他行星所无法比拟的。

  火星运河

  类地行星的大气特征是多种多样的。地球大气层有
1000多公里厚,90%的大气质量都集中在距地面15公里之内。根据大气的物理性质,将地球大气从下向上分为对流层、平流层、中间层和电离层。地球大气的成分受地表生物的影响很大,氮占78%,氧占21%,还有其他少量的气体和水分。而水星所谓的大气主要受太阳风的作用,包含氢和氦的成分。金星和火星的大气成分主要是二氧化碳。

  早在1877年,意大利天文学家夏帕雷利用天文望远镜观测火星时,发现火星上密布着黑色线条,定名为火星上的河渠。然后又根据长期观测结果,绘制成火星图。谁能料到翻译者的一时疏忽,将意大利语“河渠”误译成英语的“运河”,以致“火星运河”一直被沿用至今。

  一般认为,行星上有适宜的温度、有合适的大气成分和比较丰富的水,这个行星上就很可能有生物圈存在。地球上到处是生机勃勃,气象万千。目前生存着大约150万种动物,30多万种植物,形成一个以人类为主宰的大生物圈。这是其他行星所望尘莫及的。

  火星上那些“有规则”的“运河网”,实际上并不存在。近年的火星考察发现,火星表面存在着大量长短参差不齐的干涸“河床”,这些奇特的“河床”纵横交错,达几千条之多,形成一个分布广泛的“河网”,其中最长的达1500公里,最宽的达60公里。

  地辐射带

  根据着陆火星表面的“海盗”号探测器发回的探测资料表明,这些宽阔的“河床”内,只有乱石和沙洲,连一滴水也未曾找到。但河床的结构不能排除它们是火星上古江河留下的痕迹,水分早已被蒸发或者流入乱石和沙洲之下的可能性。

  人造地球卫星发射成功后,获得的第一个重大发现便是在地球身边存在着由地磁捕获的大量的带电粒子组成的环状磁场,科学家们称它为地辐射带,也叫范爱伦带或范爱伦辐射带。范受伦是美国著名的空间物理学家,是美国第一颗人造地球卫星科学应用的设计者,又是地球辐射带的发现者。范爱伦是一位律师的儿子,从小受到严格的家庭教育。他在大学二年级时就参与对宇宙射线强度的测量工作。第二次世界大战后,德国的V—2火箭被美国运走。范爱伦领导一个小组利用这些火箭和气球开始了对近地空间的探测。1957年7月1日至1958年12月31日,这期间正是太阳活动峰年,被国际自然科学界定为“国际地球物理年”。美国和前苏联都表示要在此间发射人造地球卫星,借以显示自己的国威。结果,1957年10月4日,前苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星。美国政府感到极不光彩,因此,加强对人造地球卫星的研制工作。这时,范爱伦正在去南极洲考察的船上。美国政府召他立即返回,参加人造地球卫星科学应用的设计工作。1958年1月31日,美国终于成功发射第一颗人造地球卫星,命名为“探险者”1号。范爱伦对探测宇宙射线有浓厚的兴趣,他在这颗卫星上安装了测量宇宙线的仪器。但是,仪器失灵,未获结果。在1958年3月发射的卫星上又携带了他这个仪器,但仍无结果。范爱伦经过通盘考虑后认为,测量仪器上的计数器停止计数,并不是空间没有带电粒子,恰恰相反,是由于空间带电粒子太多,使计数器无法工作所致。1958年7月26日美国发射第4颗人造卫星的再次探测,验证范爱伦的判断完全正确。范爱伦作出如此大胆,如此正确的判断一直为后人所称颂。

  “河渠”被误译成“运河”后,一词之差竟引起了一场科学史上近百年的大误会。开凿运河者必定是高级智慧动物、能开挖如此庞大的火星运河的

  现在已经完全证实在地球的近地空间有辐射带和磁层包围着。地球在背着太阳的方向上还拖着一条长长的磁尾巴,这充分显示出作为行星的特征。为什么地球有辐射、磁层和磁尾呢?我们知道,在行星际空间存在着太阳风,地球强大的磁场很容易就俘虏了这些带电粒子流。这些粒子流在地球外围沿磁力线方向集聚,并不断辐射出电磁波,便在近地空间形成辐射带。辐射带又分内外两层辐射带。内辐射带在离地面高5000~12000公里;外辐射带位于离地面
17000~24000公里。地球极区外围没有辐射带。太阳风的力量很大,它能使地磁场在朝着太阳的方向前沿形成一个被压缩的包层;而在背着太阳的方向却延伸很长。这个被太阳风包围的地球磁场区域,就叫地球的磁层。朝太阳方向的磁层顶离地面约60000公里;背着太阳方向的磁尾,由于太阳风不能施加压力,使地球磁层延长到上百万公里,叫地球的磁层,类似彗尾,现在已知在太阳家族中,水星、地球、木星和土星都有固定的磁场,且具有自己的空间环境特征。

  “火星人”,自然地成为地球人关注的焦点。一时间天文学家纷纷把天文望远镜对准火星,渴望观测到火星运河和开凿运河的“火星人”。美国天文学家洛威尔甚至变卖了自己的家产,在远离市区的沙漠高地上建立私人天文台,连续观测火星10多年,声称看到了500多条火星运河,并绘制出火星河网图。20世纪40年代,前苏联学者季霍夫还在大学中开设“天体植物学”课程。甚至在1958年,前苏联一位教授作出了惊人之语:火星的两颗卫星是

  漫游火星世界

  “火星人”在史前时期为保存他们的文明而发射的“太空博物馆”。

  火星是一颗红色的行星,它缓慢地在众星之间穿行,时而顺行,时而又逆行,亮度常有变化,最暗的时候视星等约为+1.5等,最亮的时候比天狼星还亮得多,令人迷惑,所以,中国古代称为“荧惑”。

  随着空间探测技术的发展,有关“火星运河”和“火星人”的争论自然结束了。在火星表面工作了6年之久的“海盗”号探测器,发回了大量的实地勘察资料,经过分析研究,基本上否定了火星生命的可能性。

  火星是一颗最具传奇色彩的行星,有着许多令人神往的故事,然而,它并不像人们想象的那样美好。在干燥的火星表面上遍地都是红色的土壤和岩石。由于不断受到风沙作用,火星表面到处可以看到沙丘和类似河床的地形。这种河床地形分布在南半球及赤道附近,表明了距今大约30亿年前火星上曾有过像地球上一样的河川,有水流动。

  两个卫士

  火星表面满目荒凉,是赤色的不毛之地。大气中的微尘使天空呈现橙红色。火星的红色之谜一直困扰着人们。通过对火星泥土的分析,我们知道原来火星土壤中含有大量氧化铁,由于长期受紫外线的照射,铁就生成了一层红色和黄色的氧化物。夸张一点说,整个火星就像是一个生了锈的世界。

  环绕火星运转的有两颗卫星,即火卫一和火卫二。这两颗卫星于
1877年火星大冲时,由美国天文学家A·霍尔发现。火卫被发现后,一直受到天文学家们的关注。

  火星的运动

  “水手9号”就近观测了火星的这两个小月亮,拍摄了它们的特写镜头。原来它们是两块表面坑坑洼洼的大石头,很像两个病马铃薯,属于不规则卫星。它们几乎都在火星的赤道平面上运行。两者的轨道半长径分别为
9380和23500公里,相当于火星半径的2.8和6.9倍,说明它们的轨道接近火星。这两颗卫星环绕火星的公转周期与它们的自转周期同步。与月球始终以一面朝向地球的情况一样。火卫一的大小是:长28公里,宽23公里,高20公里;火卫二是:长16公里,宽12公里,高10公里。由于火卫一环绕火星的公转周期比火星的自转周期短,因此造成一种奇特的现象:从火星表面看来,火卫一每天西升、东落两次。“海盗号”探测器发现两个火卫上均有许多被撞击的陨石坑,甚至在一些老的陨石坑上还叠加有新的陨石坑。最大的陨石坑是火卫一上的斯蒂尼陨石坑,其直径约8公里。

  火星离太阳最近时只有2.065亿公里,最远时为2.491亿公里;绕太阳公转轨道的偏心率为0.09。在九大行星中,除冥王星外,火星的偏心率最大,其公转轨道为椭圆形。火星的轨道半长径约为1.52个天文距离单位,它绕太阳公转一周要686.98日,差不多比地球的一年长一倍;自转周期为24小时37分23秒,其一天的长度几乎和地球相同。火星的自转轴也有一个25°的倾角,与地球的23.5°差不多。因此,火星上也有四季变化,每季长度约相当于地球上两个季节的长度。

  关于火星卫星的起源,有两种学说,一种是俘获说;另一种是吸积说。

  火星在椭圆轨道上运行时,与地球的距离有较大的变化。火星与地球的会合周期是779.87天,即大约每隔两年两个月,火星接近地球一次。当地球和火星运行到太阳的同一侧,并差不多排列在一条直线时,称为火星冲日。冲日前后火星与地球的距离最为接近,但每次的距离又各不相同,在
5570万至 12000万公里之间变化。由于火星的椭圆轨道偏心率大,每隔15~17年有一次与地球相距特别近的冲,称为大冲,那时是观测火星的最佳时刻。

  这两颗火星卫星是地——月系之外最容易被人登陆的地方。不久的将来,人类的足迹将踏上两颗火星卫星的表面。

  荒凉的火星世界

  火星大尘暴

  火星的赤道半径是3332公里,只有地球半径的一半,它的体积只有地球的1/7,质量为地球的1/9;表面重力加速度为地球的2/5。在火星上,以每秒5公里的速度抛出的物体就能脱离火星。由于火星上物体的脱离速度小,火星难以束缚住许多大气分子,因而火星大气非常稀薄。火星大气的主要成分是二氧化碳,约占
95%,其余是氮、氩、一氧化碳、氧、臭氧和氢;水汽的数量很少,平均约为大气总量的
0.01%。表面大气压为7.5百帕,相当于地球30~40公里高处的大气压。

  用天文望远镜观测火星时,有时能看到像黄色云那样的东西,云的形状和大小是变化的,而且往往是由大气低层向高层,由局部向更广阔的区域发展开去,甚至发展到半个乃至整个火星表面,使火星变得昏暗和面目模糊,朦胧一片,什么也看不清楚。这就是所谓的火星大尘暴。

  火星上受到的太阳辐射只有地球上受到的40%,因而火星的表面温度比地球要低30℃以上,昼夜温差超过100℃。在火星赤道附近,中午的温度也只升到20℃左右,晚上又下降到-50℃以下;在两极地区的夏季气温只有-70℃,冬季可下降到-139℃。望远镜发明以后,17世纪,荷兰学者惠更斯发现火星的南北两极都有白色的极冠,其大小随着季节不同而变化。当北半球是冬天时,北极冠增大;此时南半球是夏天,南极冠减少。当北半球到了夏天,北极冠的面积也随之缩减,和地球上的冰雪在夏季融化的情况一样。

  地球上某些地区有时也发生尘暴,飞沙走石,遮天蔽日,只是地球上最大的尘暴也远比不上火星的尘暴。据估计,一次火星大尘暴扬起的尘埃总量可以大到100亿吨以上。

  100年前,意大利天文学家乔·斯基亚巴雷利在观测了1877年火星大冲后宣称,他在望远镜中观测到火星表面有几百条“河流”样的黑暗条纹,并发表了手绘的火面图。在将意大利文的“河流”翻译成英文时,被译成了“运河”。在以后的几十年内,观察火星表面的“运河”成了火星研究的重要课题。本世纪50年代,前苏联有位天文学家从颜色变化上认为火星表面一些地区的光谱从地球上高寒地带某些植物的分光特征相似,从而推论火星上有耐寒植物。这些都曾使科学幻想作家的思维插上了翅膀。在他们的笔下,栩栩如生的怪物——“火星人”跃然纸上。

  火星大尘暴的时间之长,也远非地球上的尘暴所能相比。1971年8月,是10多年来观测火星的一次最好机会,那年5月底,以探测火星为主要任务的“水手9号”探测器发射成功,开始奔向探测目标。当时,远在好几千万公里之外的火星的气象条件是相当不错的。7月份,探测器才上路一个多月,只走了约1/3的路程,地面观测发现火星面上出现了黄云,表明那里开始刮起了大风,是即将出现大尘暴的迹象,表面变得一天比一天更加昏暗和模糊。11月,“水手
号”到达火星附近时,大尘暴已经发展成为全球性的,从9火星表面直到七八十公里的高空,统统被尘埃笼罩着。火星表面风尘滚滚,什么也看不清楚,更不要说观测细节了。

  为了探测火星的真面目,1962年以来,美国和前苏联先后发射了15个火星探测器,其中美国发射了8个,前苏联发射了7个,对火星进行了就近观察、就近探测和实验,取得了许多珍贵的科学成果。

  那时,火星上的风速特别大,大致为每秒180米以上。在地球上,一般把风力极大的台风定为12级,它的风速在每秒35米左右,即使是18级特大台风,风速也只有每秒60多米,与火星上的风速相比,真是天壤之别。

  1965年7月14日,美国的“水手4号”飞掠火星,第一次实现了人类就近一瞥红色近邻的夙愿。“水手4号”在离火星9600公里处拍摄了22幅电视图片。它发回来的图片显示出火星表面分布有许多环形山、火山和沙漠。1969年飞临火星的“水手6号”和“水手7号”不仅把地貌电视图片扩大到全球表面的10%,还用紫外分光仪器和红外分光仪器设备分析了火星的大气成分和表面结构。1971年发射的“水手9号”于11月进入环绕火星的轨道,成为火星的人造火星卫星,在环绕火星的轨道上观察火星及其卫星。1975年8月和9月,美国的“海盗1号”和“海盗2号”相继上天。它们的主要任务是探索火星上的生命之谜。

  “水手9号”探测器只得在环绕火星飞行的同时,耐心地等待着,一直等了两三个月,这场大尘暴才慢慢平息下来,火星大气重新恢复宁静,表面也变得清晰可见。1971年的这场尘暴是迄今所观测到的最大尘暴,也是在其他行星上从未见过的。

  前苏联从1962年11月至1973年8月共发射了7个“火星号”探测器,并依次编号为“火星1号”、“火星2号”、……“火星5号”等。“火星号”探测器的主要任务是探测火星及其周围空间以及行星际空间。“火星2号”曾把刻有前苏联国徽图案的金属片投掷在火星表面;“火星3号”放出着陆舱,首次实现在火星表面软着陆;“火星2号”、“火星3号”和“火星5号”都先后进入环绕火星的轨道,成为火星的人造卫星。

  火星大气非常稀薄,密度还不到地球大气的
1%。在这种情况下想要形成一定的风力,而使尘粒移动和上升,风速至少也得有每秒四五十米。

  探测器发回的探测结果表明,火星随季节变化的极冠既有水冰,又有干冰
(固体二氧化碳)。北极冠大部分由水冰构成,南极冠则是由冻结了的二氧化碳构成。据估计,极冠中大约保存有大气中20%的二氧化碳,而保存的水则比大气中的要多得多。极冠中的水冰,如果全部融化并均匀分布在火星表面,就会形成一个10米厚的水层。

  谁能做到这一点呢?

  火星大气中常有一种形状像黄云的尘暴。局部的尘暴经常出现,大的尘暴在地球上用望远镜可观测到;特别大的尘暴
(如
1971年的尘暴)能笼罩火星全球,并持续数月之久。尘暴是由火星低层大气中卷着尘粒的大风构成

  一些人认为是这样的:由于火星上空气稀薄,又很干燥,昼夜的温度差本来就不小。火星绕太阳的公转周期是687天,每隔这么一段时间,火星运行到轨道近日点时,太阳对它的加热作用达到最大,比在远日点时大一半左右。其结果是空气得到更多的热量,温差变化更大,空气更不稳定,热空气上升导致扬起尘埃的开始。而一旦升在空中,它们就会吸收更多的热量,变得更热,更急剧上升。别处的空气也就以更快的速度跑来补充,形成强劲的地面风。地面风把更多的和更大的尘粒吹起来,形成更大的尘暴。尘暴就这样由小变大,向四面八方蔓延开去,形成罕见的大尘暴。

  8  10的。据估计,每次大尘暴覆盖在火星南半球的尘埃达10~10吨之多。

  当尘暴把整个火星都笼罩起来后,由于尘粒的阻挡,太阳对低层大气和火星表面的加热作用显著减小,表面附近的温差减小,风必然减弱,尘暴也就开始衰退。风逐渐减小乃至完全平息下来,飘浮在空中的各种不同大小的尘粒,也就逐渐沉降到表面上来。由于大量尘粒的迁移,局部地形会有所改变,但一次尘暴就这样的烟消云散地过去了。

  火星表面的
75%布满了沙漠,成分是硅酸盐、褐铁矿等铁氧化物,所以远远看去,火星是一个橙红和棕红的世界。火星的表面被划分成两个截然不同的半球,被一个大约倾斜于赤道30°的大圆所分开。大圆的南部半个球面崎岖不平,且布满环形山;最大的环形山直径约为1600公里;某些地区环形山的密度可以和月面相比;大圆的北部半个球面比较平坦,但也是满目荒芜,石块、沙丘和酷寒的山峰装点着它的表面。火星上还有一些火山和峡谷。最大的火山是一座称为“奥林匹斯之雪”的火山,其底部的直径约500公里,火山口的直径也有72公里,大约有25000米高,几乎是珠穆朗玛峰的3倍。火星上最大的峡谷是“水手9号”发现的水手谷,峡谷绵延5000多公里,宽200公里,比周围地面低6~7公里,谷壁十分陡峭,它比地球上最大的峡谷——科罗拉多河峡谷(长46公里、深约1.8公里)大得多。火星表面不存在液态水,但探测到数千条干涸的河床,最长的达1500公里,宽约60公里。主要的大河床分布在赤道地区,是由比熔岩流更少粘带性的液体造成的,说明火星从前曾有过水,美国“海盗号”探测器选择了生命存在可能性最大的地方着陆,对采取的土样进行实验和分析,结果表明火星表面上存在生命的可能性极其微小。

  在火星极冠边缘和亚热带高地等处,风比较强的一些地方,区域性的尘暴时有发生。在每个火星年当中,这样的区域性尘暴有可能达到百次左右,一般都要好几个星期才平息。这真可以看作是火星上的一大特征和奇观。

  火星是一个冷酷的、没有生命的世界。其内部构造与地球相似,有核、幔和壳。核中含有硫,几乎全部的铁都成了硫化铁。核的半径约1300~2000公里。外壳由大量硅和铝及少量镁等所形成的较轻的岩石组成,厚约50公里。

  从区域性尘暴发展成为全球性大尘暴,每个火星年中有一二次。使人感兴趣和纳闷的是,尘暴的发源地多数都是在火星的南半球,而特大尘暴的发源地似乎更是局限在几个特定的地区,像海腊斯盆地以西几百公里的诺阿奇斯地区。有人解释为火星北半球地势比较高,南半球就自然成为一个高度逐渐降低的斜面,由于南、北两半球之间存在的温度差,每当北半球高纬度地区形成了一股强风,它就会沿着斜面向南半球劲吹,尘埃就随着强风滚滚而来,风越刮越大,尘埃也越来越多,终于在南半球形成可以席卷全球的大尘暴奇观。

  干涸的火星

  上述解释大体上讲了大尘暴是什么样的,但没有完全讲清楚为什么是这样的,因此不是令人十分满意的。

  1877年,意大利天文学家斯基帕雷利,发现火星上有一些纵横交错的暗线条,并进一步观测到它们似乎还有季节性变化。消息传开之后,立即引起了极大的轰动。许多人认为它们是火星上的运河,是“火星人”为灌溉土地而特地开挖的。几乎在长达一个世纪里,都有不少人相信火星上有生命和大量的水。

  按说,火星大气的密度那么稀薄,对扬起尘暴、特别是大尘暴,是个不利因素,每秒数十米到上百米的大风怎么会那么容易刮起来呢?不仅风速之大,而且时间之长,都达到了我们几乎无法理解的程度。这究竟是怎么回事呢?

  观测表明,火星上确实存在着水,只是水量比地球上要少得多。如果把火星大气中所含的水蒸汽全部凝结成水,并把这水平均覆盖在表面上,这层水薄膜的厚度大致是1/100毫米。火星大气中也飘浮着云,云主要由水和二氧化碳组成。

  再说,那些与特大尘暴有关的特定区域,究竟是些什么样的地区呢?是由于地形特殊,还是由于其他什么原因,而成为多数尘暴的发源地呢?真正的、具体的原因是什么?

  火星大气非常稀薄,气压只有7个毫左右,大体相当于地球高空30~40公里处的大气压。在这样的环境中,水在0摄氏度就会沸腾,变为蒸汽逃逸掉。火星赤道附近的最高温度可以达到20摄氏度左右,那里有可能短时间内存在液态的水。火星表面的水主要集中在两极地区,那里常年的温度都在0摄氏度以下,极夜最低温度可以下降到零下139摄氏度,不用说水早已结成冰,就连二氧化碳也会凝结而成为干冰。两极极冠在极大时,可以一直扩展到纬度60度左右的地区,说明它们含有一定量的水,把这水平均铺在火星表面上的话,水层可有10米厚。

  另外,如果说火星运行到轨道近日点时会发生大尘暴,那么,并非每个火星年的同一时候,都发生全球性的大尘暴,而所发生的大尘暴,其发展速度和规模等也不尽相同。可见,尘暴发源地所提供的条件一定是受到了某些因素的影响,这是些什么因素呢?

  无疑水也会储存在火星表面以下各层中。在纬度高于45度的地区,表面以下的地层终年都是非常寒冷的,会形成冰层,类似于地球两极地区的永冻层。1973年,美国科学家发现,在赤道附近的“太阳湖”地区,日落后气温下降得比周围地区慢,夜间气温则显得略高。数年后,“海盗号”探测器发现这片地区上空大气中的水蒸汽含量,也比别的地方要多。有人认为,这片区域的地下可能存在着一个有着一定温度的液态水水库。

  这些,都需要根据已经掌握的资料,作进一步的分析和论证,科学家期望着今后发射的新的火星探测器和着陆器,能够提供更加能说明问题的数据和证据。人类登上火星,进而在那里建立基地,并不是可望而不可及的事情了。21世纪的某个时候,人类的足迹真的踏上了火星,大尘暴的种种谜团最终会得到揭穿,我们期待着这一天的早日到来。

  与地球拥有的水相比,火星上的水量是微不足道的,但火星上毕竟有水,这是最主要的。

  木星

  据估计,在火星的全部历史中,蒸发和逃逸了的水如果全部重新回到火星上来的话,火星表面将被笼罩在一圈50~100米厚的水层中。可是,火星现在所拥有的全部水却不多,那么,或者是大量的水都散逸掉了,或者是火星上从来就没有过那么多的水。

  在太阳系中最惹人注目的行星是木星。它素以
(体积和质量)巨大而成为九星之王。它是天空中亮度仅次于金星的一颗亮星,通常比火星、天狼星还亮。我国古代称它为“岁星”。西方用古代神话中的大神之名称呼它,意思是主宰天上诸神的“宙斯”。

  说火星上曾经有过大量的水有什么根据呢?

  液态行星

  科学家们认为,在地球发展的早期历史阶段,曾经有过频繁的火山喷发,而地球火山喷发出来的最丰富的气体是水和二氧化碳,地球上的水就是这样从内层深处释放出来和积累起来的。经过几十亿年的发展和演化,地球从内部向外这样释放水的过程早已结束。正因为如此,现在的火山喷发活动中,已经很难找到这种释放水了。

  木星的内部结构与众行星不同,它没有固体外壳,在浓密的大气之下是液态氢组成的海洋。

  其他行星包括火星在内,它们的火山喷发情况大概也是这样,火星上的大量水想必也是从自己内部,通过其面上星罗棋布的火山而来到表面的。火星表面充满着火山频繁活动的证据,这是现在已经充分肯定了的,这些火山在已往的岁月里为火星大气提供了大量的水和其他挥发性物质,这是无可怀疑的。

  用天文望远镜观察木星,突出的特性是它那扁球形的外貌。其赤道半径与极半径相差近5000公里。木星的赤道半径为71400公里,为地球的11.2

  1971年发射成功的“水手9号”火星探测器,所看到火星表面景象是一片荒凉,毫无生气。它没有探测到表面上有液态水,但却发现了许多蜿蜒的河床。这些河床与所谓的火星“运河”完全是两回事,也与地球上和月球上的熔岩河床不同。有充分的证据可证明,在火星历史的早期,频繁的火山活动等因素使得火星表面比较温暖的时候,液态水曾经在这些河床里流动,掀起阵阵波浪。也有人认为,那时火星绕轴自转的情况跟现在不一样,自转轴要比现在倾斜得多。这样,南北两极冠就有更多的机会融化成水,并蒸发成水蒸汽,水蒸汽后来又凝结成雨落在赤道地区,形成河流。至于极冠融化而产生的二氧化碳气体,则进入了大气。

  30倍。体积为地球的1316倍。质量为1.9×10克,为地球质量的317.90倍,比太阳系所有的行星、卫星、小行星等大小天体加在一起还重1.5倍。木星

  从分布情况来看,河床也并不像假想的“运河”那样散布在整个火星面上,主要的大河床是在常年温度最高的赤道地区发现的。最大的河床长达1500公里,宽60公里甚至上百公里。大河床与众多分支流结合在一起,形成脉络分明、自然流畅的水道系统,而那些分支流几乎无例外地朝着大河床的下流方向流去。

  3的平均密度是1.33克/厘米 ,比水稍大。这说明,木星的大部分物质处于

  有的大河床看来是由水的冲刷作用形成的。在火山活动而喷发出数量可观的水和二氧化碳等的同时,如果相应地区的地热把地下冰融化了,就会形成一股或者多股有相当威力的水流。在它们的冲刷下,火星表面会很自然地形成大小河床。

  2气体状态。木星两极的表面重力加速度为23.22米/秒 ,赤道上为27.07

  河床的形成原因可能有多种多样,但是,河床里流动着大量的水,基本都一样。我们要问,经过几十亿年的演变,现在火星面上竟然是涓涓小溪未见一股,潺潺水声未闻一声,它的浩森大水、万顷碧波究竟到哪里去了呢?

  2米/秒 。在木星表面上,物体要有
61公里/秒的速度才能脱离木星。所以木星能束缚住大量气体而不让它们跑掉。

  前面曾提到过,火星大气、极冠和地下都保存着部分水。但是,尤其是大气和极冠,所保存的水量是极其有限的。

  木星和其他行星一样,也围绕太阳在椭圆轨道运动,轨道半长径约为5.2天文距离单位(即与太阳平均距离约为7.78亿公里),绕太阳公转一圈为11.86年,木星虽然在太阳系中体积最大,但却是太阳系中自转最快的行星,赤道部分自转一周为9小时50分30秒。由于自转速度快,使得它的形状很扁,大气条纹沿赤道伸展。

  在火星表面火山活动减少之后的那段时期里,火山喷发出来的气体减少,并在太阳光的作用下逐渐分解。其中比较轻的元素就会成批地脱离火星大气,逃逸到空间去;而那些比较重的元素,则与有关成分结合。火星大气变得越来越稀薄、干燥、寒冷,留在地面上的水也就很快变成水蒸汽逃逸掉。这可能是火星水的一种去向。

  木星有稠密的大气,主要成分为氢和氦,还有甲烷、氨、碳、氧及少量的铁和硫。通过天文望远镜,我们看到木星有一些明暗交替的带纹平行于木星的赤道。这些带纹是木星快速自转而产生的大气环流。它们有上千公里厚,因而使我们看不见木星的表面。带纹中有时出现寿命长短不一的亮斑或暗斑。在木星赤道以南,有一个大红斑,它于1665年被法国天文学家卡西尼发现,至今已存在300多年了。大红斑呈蛋形,宽14000公里,长30000公里。其宽度似乎不变,长度却由发现之初的30000公里逐渐延伸为40000公里,现又缩到二万多公里。大红斑不但大小有变化,而且颜色也有变化,它有时浓艳,有时暗淡。大红斑是一个含有红磷化合物的大气漩涡,朝逆时针方向旋转,温度似乎比周围的木星大气低些。

  其余没有逃到空间去而剩下来的那部分水,有的可能藏在火星表面长而深的裂痕中。火星大部分地区都散布着不少环形山,不论环形山的形成是由于火山喷发还是陨星袭击,都会在火星表面一定的深度范围内,造成若干空隙和裂痕,由此产生像地道网那样的多孔表层。真是这样的话,这无异是个地下大水库。

  对木星的辐射探测使我们得知,虽然木星不发光,但它发射的总辐射却是所受太阳辐射的2.5倍。这说明木星除了反射太阳的光和热之外,还具有内能源,其核心处于高温高压状态,但还不足以产生热核反应。科学家认为,木星过剩的能量是木星形成之初,从原始星云中聚集的热能。

  在赤道及其附近地区,由于温度有时较高,水冰有可能变成液态水,以河流、湖等形式存在于好几公里深的地下。在含盐量较多的地区,或者在有足够量放射性元素的地区,也可能出现这种情况。

  为了探测太阳系外围空间的物理情况,迄今为止,共发射了4艘宇宙飞船,即“先驱者”
10号、 11号,“旅行者”
1号和2号。它们都肩负着美国宇航局的重大科学考察项目。“先驱者10号”于1972年3月2日上午,一路上考察了行星际物质;1973年12月3日与木星会合,在离木星13万公里处飞掠而过,探测到木星规模宏大的磁层,研究了木星大气,送回300多幅木星云层和木星卫星的彩色电视图像。“先驱者11号”飞船于1973年4月6日发射,1974年12月5日到达木星。它离木星表面最近时只有4.6万公里,比“先驱者10号”近两倍。送回有关木星磁场、辐射带、重力、温度、大气结构以及4个大卫星的情况,并按地面指令调整航向,飞越在地面因视角不合适而难于观测的木星南极地带。“先驱者11号”在完成任务后,向着土星飞去。1977年8月20日和9月5日,美国又相继发射了“旅行者1号”和“旅行者2号”飞船。这两艘飞船在仪器设备方面比“先驱者”10号和11号先进。“旅行者1号”于1979年3月飞临木星,在3天之内探测了木星和4个伽利略卫星,以及木卫五,拍摄了数以千计的彩色照片,并进行了一系列科学考察。“旅行者2号”于1979年7月飞临木星,对木星进行了考察。两艘飞船在离开木星后,还要继续探测土星、天王星和海王星,然后飞出太阳系,到茫茫的宇宙中去寻找知音。

  由于长期的风吹日晒等作用,火星表面和组成火星壳层的各种岩石,都会受到破坏而发生所谓的风化作用,呈现出颗粒状结构,风化层的厚度达到1公里并不罕见。风化层是储水的好地方,而且在所有的纬度上都可以发现这样的风化层,都储存大量的水。

  宇宙飞船发回的考察结果表明,木星有较强的磁场,表面磁场强度达3~14高斯,比地球表面磁场强得多(地球表面磁场强度只有0.3~0.8高斯)。木星磁场和地球的一样,是偶极的,磁轴和自转轴之间有
10°8′的倾角。木星的正磁极指的不是北极,而是南极,这与地球的情况正好相反。由于木星磁场与太阳风的相互作用,形成了木星磁层。木星磁层的范围大而且结构复杂,在距离木星140万~700万公里之间的巨大空间都是木星的磁层;而地球的磁层只在距地心7~8公里的范围内。木星的四个大卫星都被木星的磁层所屏蔽,使之免遭太阳风的袭击。地球周围有条称为范艾伦带的辐射带,木星周围也有这样的辐射带。“旅行者1号”还发现木星背向太阳的一面有3万公里长的北极光。1981年初,当“旅行者2号”早已离开木星磁层飞奔土星的途中,曾再次受到木星磁场的影响。由此看来,木星磁尾至少拖长到6000万公里,已达到土星的轨道上。

  我们地球的大气中含有一种叫“氩”的化学元素,这是一种稀有的气体元素,在大气中的含量极少,不到
1%。氩几乎全都是从地球内部来的,据认为,它跟二氧化碳和水的释放量有一定的关系。现在知道,从地球内部释放出来的二氧化碳和水,分别是氩的2000倍和40000倍。1973年8月发射,半年之后到达火星区域的前苏联“火星6号”探测器,在进入火星大气层时,测得大气中氩的含量高达30%,如果所得到的数据是准确无误的话,那么从火星内部释放出来的二氧化碳和水蒸汽的数量,必定是非常之大。即使是有相当数量的水在过去的漫长岁月里散失到空间去了,火星的风化层中和表面下的地层中,有可能目前仍含着比一般估计的数量多得多的水。

  过去有人猜测,在木星附近有一个尘埃层或环,但一直未能证实。1979年3月,“旅行者1号”考察木星时,拍摄到木星环的照片,不久,“旅行者2号”又获得了木星环的更多情况,终于证实木星也有光环。木星光环的形状像个薄圆盘,其厚度约为30公里,宽度约为6500公里,离木星12.8万公里。光环分为内环和外环,外环较亮,内环较暗,几乎与木星大气层相接。光环的光谱型为G型,光环也环绕着木星公转,7小时转一圈。木星光环是由许多黑色碎石块构成的,石块直径在数十米到数百米之间。由于黑石块不反射太阳光,因而长期以来一直未被我们发现。

  木星有一层厚而浓密的大气层,大气的主要成分是氢,占80%以上,其次是氦,约占18%,其余还有甲烷、氨、碳、氧和水汽等,总含量不足1%。由于木星有较强的内部能源,致使其赤道与两极温差不大,不超过3℃,因此木星上南北风很小,主要是东西风,最大风速达
130~150米/秒。木星大气中充满了稠密活跃的云系。各种颜色的云层像波浪一样在激烈翻腾着。在木星大气中还观测到有闪电和雷暴。由于木星的快速自转,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,暗纹则是较低和较暗的云。

  木星的大红斑位于南纬23°处,东西长4万公里,南北宽1.3万公里。探测器发现,大红斑是一团激烈上升的气流,呈深褐色。这个彩色的气旋以逆时针方向转动。在大红斑中心部分有个小颗粒,是大红斑的核,其大小约几百公里。这个核在周围的反时针漩涡运动中维持不动。大红斑的寿命很长,可维持几百年或更长久。

  由于木星离太阳平均距离为7.78亿公里,因此木星的表面温度比地球表面温度低得多。从木星接受太阳辐射计算,其表面有效温度值为-168℃,而地球观测值为-139℃,“先驱者11号”宇宙飞船的探测值为-150℃,均比理论值高,这也说明木星有内部热源。

  “先驱者    
号”探测器对木星考察的结果表明,木星没有固体表面,11是一个流体行星。主要是氢和氦。木星的内部分为木星核和木星幔两层,木星核位于木星中心,主要由铁和硅构成,是固体核,温度达3万K。木星幔位于木星核外,以氢为主要元素组成的厚层,其厚度约为7万公里。木幔外就是木星大气,再向外延伸1000公里,就到云顶。

  大红斑

  木星表面的大多数特征变化倏忽,但也有些标记具有持久和半持久的特征,其中最显著最持久,也是人们最熟悉的特征要算大红斑了。

  大红斑是位于赤道南侧、长达2万多公里、宽约1.1万公里的一个红色卵形区域。从17世纪中叶,人们就开始对它进行时断时续的观测,1879年以后,开始对它进行连连续的记录,并发现它在1879~1882年,1893~1894年,1903~1907年,1911~1914年,1919~1920年,1926~1927年,特别是在1936~1937年,1961~1968年,以及1973~1974年这些年代中,变得显眼和色彩艳丽。在其他时间,显得暗淡,只略微带红,有时只有红斑的轮廓。

  大红斑是个什么结构?为什么是红色的?如何能持续这么长的时间?要了解这些问题,仅凭地面观测实在是无能为力的。

  1957年,第一颗人造卫星的发射,为人类进一步了解繁花似锦的宇宙竖起了一架天梯,开创了空间天文学的研究领域,使“九天揽月”的梦幻变成了事实。

  1973年12月3日,美国宇航局发射的第一个木星探测器“先驱者10号”到达木星,一年之后,它的姊妹飞船“先驱者11号”于1974年12月2日飞掠这个巨行星。这两个探测器取得了探测外太阳系天体的非同一般的成就。它们传送回来的彩色图像,第一次向我们展示了木星云层系统的复杂性,揭示了大红斑中的气体运动,在木星的全球性云系的细微结构方面,给人一种引人入胜的新概念。

  在“先驱者”之后,美国宇航局又在1977年8月20日和9月5日先后发射了“旅行号2号”和“旅行者1号”。由于两个探测器飞经的轨道不同,

  “旅行者1号”于1979年3月5日先到达木星,“旅行者2号”于同年7月9日相继到达。它们拍摄了成千幅奇妙而美丽的图片,积累了大量的木星大气结构和动力学的资料。

  按照科学家雷蒙·哈依德的理论,大红斑是位于其下面的某种像山一类的永久特征所造成的大气扰动。但是“先驱者”发现木星表面是流体,完全排除了木星外层具有固态结构表面的可能性,上述理论也就是自然被扬弃了。

  “旅行者1号”发回的照片使人清晰地看到,大红斑宛如一个以逆时针方向旋转的巨大漩涡,其浩翰宽阔足以容纳好几个地球。从照片上还可以分辨出一些环状结构。仔细研究后,科学家们认为,在木星的表面覆盖着厚厚的云层,大红斑是耸立于高空、嵌在云层中的强大旋风,或是一团激烈上升的气流所形成的。

  在木星上,类似大红斑的特征还有一些。譬如,在大红斑的偏南处,有3个白色卵形结构,它们首次出现于1938年。另外,1972年,地面观测发现木星的北半球上出现一个小红斑,18个月以后“先驱者10号”到达木星时,发现其形状和大小几乎同大红斑相似。再过一年,“先驱者 11号”经过木星时,这个红斑竟踪迹皆无,看来这个红斑只存在了两年左右。

  木星上的斑状结构一般持续几个月或几年,它们的共同特点是在北半球作顺时针方向旋转,在南半球作逆时针旋转。气流从中心缓慢地涌出,然后在边缘沉降,遂形成椭圆形状。它们相当于地球上的风暴,不过规模要大得多,持续时间也长得多。

  木星云的绚丽多彩,证明木星大气有着十分活跃的化学反应。在探测器拍摄的照片上,可以看到木星大气明暗交错的云带图形。从南极区到北极区依稀可辨17个云区或云带。它们的颜色、亮度均不相同,也许是氨晶体所组成;褐色云带的云层要深些,温度稍高,因而大气向下流动;蓝色部分则显然是顶端云层中的宽洞,通过这些空隙,方可看到晴朗的天空。蓝云的温度最高,红云的温度最低。据判断,大红斑是一个很冷的结构。令人不解的是,如果按平衡状态而言,所有的云彩都应该是白色的,只有当化学平衡被破坏后,才会出现不同的颜色。那么,是什么破坏了化学平衡呢?科学家们推测,可能是荷电粒子、高能光子、闪电,或是沿垂直方向穿过不同温度区域的快速物质运动。

  另外,木星云的颜色还涉及到木星大气中的化学成分。从光谱分析证认出木星大气中含有5种物质:氢、氦、氨、甲烷和水,此外还推测有氢的硫化物存在。这些都是无色的。云带出现颜色,必定有其他着色物质,如硫化铵、硫化氢铵以及各种有机化合物和复杂的无机聚合物。“旅行者1号”曾在木星云层上面发现过闪电,这表明,那里可能存在着相当复杂的碳氢化合物分子。此外,在木星的背阳面,还发现了30000公里长的极光,证明木星大气受到很多高能粒子的袭击。

  科学家认为,染色是一个微妙的过程,它包含偏离平衡状态的信息和化学成分的示踪。据推测,云的颜色与高度的相关性,可以反映形成化学反应的过程。例如,较高的区域接收到更多的日光照射和更多的荷电粒子流。某些区域会有更多的闪电,另一些区域则是垂直方向运动特别强烈的地带,等等。

  大红斑的橙红色一直使人困惑不解。有人认为是大红斑中上升气流形成的云中放电现象。为此,美国马里兰大学的一位名叫波南贝罗麦的博士做了一个有趣的实验。他在一只长颈瓶中放上木星大气中存在的一些气体,如甲烷、氨、氢等,对这些气体施加电火花作用,结果发现原先无色的气体变成云状物,一种淡红色的物质沉淀在瓶壁上。这个实验为人们解开大红斑颜色之谜似乎提供了某种有益的启示。相当一部分天文学家认为,磷化物可以说明大红斑的颜色。

  自从卡西尼发现大红斑以来,到今天已有300多年了,它为什么能持续如此长的时间呢?有人认为木星的大气又密又厚是大红斑长寿的主要原因,但这只是一种猜测。

  大红斑和木星上其他卵形结构的长寿,主要包含两个问题:一个是这些斑状结构必须是稳定的,不然它们只能存在几天;另一个就是能源问题,一个稳定涡流如果没有能源维持,很快就会下沉。

  关于能源,天文学家提出了一系列模型。“旋风”模型推论说,像大红斑这种卵形结构是巨形对流槽,它们从下面的凝聚气体中提取能量。“切变不稳定性”模型认为,它们从处于其中的区域性股流内抽取能量。还有一种模型,假设它们从较小的、由浮力驱动的涡流中获取能量。再有,就是设想大型卵形结构通过吸收小型涡流来得到能量。此外,还有孤立波理论,等等,但争议都很大。要想形成正确的理论模型,看来还要对“旅行者”的资料作进一步的分析、研究,并最好能对木星大气再作一次深入的实地考察。

  伽利略是世界第一架天文望远镜的发明者和
4颗木星卫星的发现者。1989年,美国宇航局发射了以他的名字命名的一个木星探测器,预定在1995年12月飞抵木星。据说,它是迄今发射的最复杂、最先进的行星探测器。

  科学家赋予“枷利略”探测器三项使命:(1)探测木星大气层,包括化学组成、同位素比例、木星大气层垂直结构的轮廓图;木星大气层温度、压力轮廓图;木星云层的位置和结构;大气辐射能的平衡;木星闪电的出现频率及其特征等资料。(2)木星的卫星情况,提供木星系形成与演化的研究资料。
(3)了解木星磁层结构的特征。

  为了完成这些科学考察任务,“伽利略”探测器由木星轨道器和木星大气层探测器两部分组成。后者是为深入木星大气层考察而设置的,它将在到达木星之前5小时与轨道器分开,然后在木星的巨大引力作用下,出入木星赤道附近的大气层进行探测,考察一些表征大气性质的要素,如大气层的温度、压力、大气结构等。它还将通过大气中氨冰云、氢硫铵云和水冰云,进入大气深处探测。限于观测条件,它只能工作一个小时,取得资料后发给绕木星运行的轨道器,然后由轨道器转发回地球。

  在子探测器考察木星大气的同时,轨道器对木星本体磁层和4颗枷利略卫星进行测量。

  “伽利略”探测器不负众望,圆满完成各项考察任务,为揭示木星大大小小的谜提供第一手资料,为提高和深化人们对木星大红斑、大气、木星本体,乃至整个木星系的认识,作出历史性贡献。

  候补的“太阳”

  木星难道仅仅是行星吗?为什么不能把它看作是颗未来的恒星,看作是正在向恒星方向发展的天体呢?读者也许会惊讶:这样提问题是否太荒唐了?本世纪80年代初,前苏联科学家苏切科夫提出木星也许是颗正在发展中的恒星这种新见解之后,确实遭到了不少非议。但是,苏切科夫的意见也并非“空中楼阁”,毫无依据。他的主要观点是:木星内部在进行热核反应,它有自己的热核能源,应该归到“能自己发热、发光”的恒星类天体里去。

  事情真是那样子吗?

  木星离太阳比地球远得多,它接受到的太阳辐射也少得多,表面温度理所当然要低得多。根据计算得出的结果,木星表面温度应该是零下168摄氏度。可是,地面观测得出来的温度是零下
139摄氏度,与计算值相差近30摄氏度,这无论如何不可能是由误差造成的。让探测器在木星附近进行测量,准确程度理应更高些。“先驱者11号”于1974年12月飞掠木星时,测得的木星表面温度为零下148摄氏度,仍比理论值高出不少,说明木星有自己的内部热源。

  对木星进行红外线测量也反映出类似情况。如果木星内部没有热源,它吸收到的热量和支出的应该达到平衡,地球和水星等类的行星的情况正是这样。木星却不然,它是支大于入,约大1.5~2.0倍,这超支的能量从哪里来呢?很明显,只能由它自己内部的热源予以补贴。

  木星是一颗以氢为主要成分的天体,这与我们的地球有很大的差异,而与太阳相似。木星与太阳这两个天体的大气,都包含约90%的氢和约10%的氦,以及很少量的其他气体。关于木星的内部结构,现在建立的模型认为它的表面并非固体状,整个行星处于流体状态。木星的中心部分大概是个固体核,主要由铁和硅组成,那里的温度至少可以有30000度。核的外面是两层氢,先是一层处于液态金属氢状态的氢,接着是一层处于液态分子氢状态的氢;这两层合称为木星幔。再往上,氢以气体状态成为大气的主要成分。

  具有如此结构的天体,其中心能否发生热核反应而产生出所需的能量来呢?许多人认为是可疑的,甚至不可能的。况且木星的质量并没有达到太阳质量的0.07。

  比起太阳来,木星确实有点“小巫见大巫”。称“霸”其他行星的木星,体积只有太阳的千分之一,质量只及太阳的1/1047,即约0.001个太阳质量,而中心温度也只有太阳的五百分之一。有人认为,这并不妨碍木星内部存在热源,因为它是在木星形成过程中产生并积累起来的。

  前苏联学者苏切科夫等的意见是颇为新颖的,他认为木星内部正进行着热核反应,核心的温度高得惊人,至少有28万度,而且还将变得越来越热,释放更多的能量。释放的速度也将进一步加快。换句话说,木星在逐渐变热,最终会变成一颗名副其实的恒星。

  我国学者刘金沂对行星亮度的研究,从一个侧面提供了证据。他发现在过去很长的一段历史时期里,水星、金星、火星和土星的亮度都有减小的趋势,唯独木星的亮度在增大。如果前述四行星的亮度减小与所谓的太阳正在收缩、亮度在减弱有关,那么,木星亮度增大的原因一定是在木星本身。刘金沂得出的结论是:在最近2000年中,木星的亮度每千年增大约0.003等。这无异对苏切科夫等的观点作了注释。

  此外,太阳不仅每时每刻向外辐射出巨大的能量,同时也以太阳风等形式持续不断地向外抛射各种物质微粒。它们在行星际空间前进时,木星自然会俘获其中相当一部分。这样的话,一方面木星的质量日积月累不断增加,逐渐接近和达到成为一个恒星所必需的最低条件;另一方面,在截获来自太阳的各种粒子时,木星当然也就获得了它们所携带的能量。换言之,太阳以自己的日渐衰弱来促使木星日渐壮大,最后达到两者几乎并驾齐驱的程度,使木星成为恒星。

  这样的过程据说大致需要30亿年的时间。那时,现在的太阳系将成为以太阳和木星为两主体的双星系统;也有可能木星在其“成长”的过程中,把一些小天体俘获过来,建立以自己为中心天体的另一个“太阳系”,与仍以现在太阳为中心天体的太阳系,平起平坐。不管是哪种形式的变化,目前太阳系的全部天体,包括大小行星乃至彗星等,都将有较大辐度的变动。

  这种大变迁会带来什么后果呢?特别是地球和地球上的人类该怎么办呢?一种观点认为,事物发生变化那是必然的,至于是否像前面提到的那样,木星变成恒星那样的天体,这只是一家之见,何况还有30亿年的漫长岁月呢!

  像木星内部结构之类的问题,本来就是一个假说不少、争论颇多的领域,苏切科夫等人的观点只不过使得争论更加热烈而已。在目前的观测水平和理论水平不完善的情况下,像“木星是否正在向恒星方向演变”之类的重大自然科学之谜,不仅现在无法解答,即使是在可以预见到的将来,恐怕也未必能理出个头绪。它无疑将会在很长的一段历史时期里,一直成为科学家们孜孜不倦地探讨的课题。

  木星的卫士

  在宇宙飞船探测木星之前,人们知道木星有13颗卫星。科学家们从“旅行者2号”发回的照片上又发现了3颗,共有16颗木卫。按距离木星中心由近及远的次序为:木卫十六、木卫十四、木卫五、木卫十五、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、木卫十三、木卫六、木卫十、木卫七、木卫十二、木卫十一、木卫八和木卫九。它们都围绕着木星公转,离木星最远的木卫九与木星的距离比地球和月亮的距离远60倍,它绕木星公转一周需要758天。

  木卫一、木卫二、木卫三、木卫四于16I0年由伽利略发现,称为枷利略卫星。1892年巴纳德用望远镜发现了木卫五,其他卫星都是1904年以后用照相方法陆续发现的。“旅行者号”飞船于1979年发现了木卫十四,1980年又先后发现木卫十五和木卫十六。除四个伽利略卫星外,其余的卫星半径多是几公里到20公里的大石头。木卫三较大,其半径为2631公里。

  木卫可分为三群:最靠近木星的一群——木卫十六、木卫十四、木卫五、木卫十五和四颗伽利略卫星等8颗,轨道偏心率都小于0.01,顺行,属于规则卫星;其余均属不规则卫星。离木星稍远的一群卫星——木卫十三、木卫六、木卫十及木卫七,偏心离为0.11~0.21,顺行。离木星最远的一群——木卫十二、木卫十一、木卫八及木卫九,偏心率0.17~0.38、逆行。

  木星的四个伽利略卫星和木卫五的轨道几乎在木星的赤道面上。“旅行者1号”对这五颗卫星作了考察。

  木卫五是天文学家巴纳德于1892年在木卫一的轨道内发现的,形状呈卵形。“旅行者1号”发现它为浅灰色,上有一个长约130公里、宽200~220公里的微红区域。木星光环正位于木卫五的轨道里。

  木卫一是16颗卫星中最著名的一颗,离木星很近,平均距离约42万千米。它的体积并不是很大,直径约3640千米,密度和大小有些类似月球,呈球状,整个表面光滑而干燥,有开阔的平原、起伏的山脉和长数千千米、宽百余千米的大峡谷,还有许多火山盆地。它的颜色特别的鲜红,比火星还红,可能是太阳系中最红的天体,上空由稀薄的二氧化硫大气及钠云所包围,并有很频繁的火山活动。旅行者1号探测器在木卫一的表面共发现了9座火山,火山的喷发高度为70~300千米,喷发速度平均每秒1000米,比地球火山爆发大。这些火山不断地喷出由二氧化硫组成的烟,降落在木卫一的表面。这些烟是本星磁层中许多粒子的主要来源,也就是木星磁层中辐射带最强的部分。木卫一是迄今在太阳系中所观测到的火山活动最为频繁和激烈的天体,这一发现给天文学家对太阳系天体的研究提供了新的启示。

  木卫二是一颗体积比月球小,但密度和月球差不多,表面非常光滑,被大量的冰覆盖着,好像是一个冰与奶油巧克力混合而成的大球体。所以从望远镜中看是一颗显得非常明亮的天体。木卫二的另一特征是冰面上布满了许多纵横交错、密如蛛网的明暗条纹,很可能是冰层的裂缝。在木卫二的表面覆盖一层50千米厚的海洋,海洋的上面又覆盖着一层约5千米厚的冰层,也许这就是木卫二的表面如此光滑,反照率又这么高的原因。

  木卫三是木星最大的一颗卫星,它的体积比水星大,表面呈黄色,可分为盖满冰层的明亮区和冰上堆积着岩质灰尘的黑暗区,并有几处横向错开的断层、线状地形、互相平形的山脊与深沟。这些线状地形互相重叠,显示它们形成的年代不同。因此,天文学家推断,木卫三可能曾经发生过类似地球的板块活动。

  木卫四的表面布满了密密麻麻的陨石坑,最明显的特征是一个像牛眼似的白色核心,外面被一层圆环包围着,类似同心圆盆地,直径达600~1500千米。木卫四除了坑洞以外再也找不到其他特殊的地形,因而推断它是太阳系中最古老的卫星表面,在很早以前就终止了内部活动。

  每颗伽利略卫星都有自己的特点,它们的表面、颜色、地壳构造和我们熟悉的行星很不相同。通过对伽利略卫星的研究,我们对太阳系有了更新的认识。

  1610年1月,大物理学家枷利略用望远镜首先观测到木星的4颗卫星,即木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。后人统称它们为枷利略卫星。以后很长一段时间,人们没有再发现木星的卫星,直到1892年巴纳德才发现了木卫五。尔后又陆续发现木卫六、七……。1974年,发现了木卫十三。1979年,

  “旅行者”探测器遨游木星时,又发现了3颗木星卫星。这16颗卫星连同木星一起,组成了一个庞大的系统,称为木星系,不少人认为它是一个微型太阳系,对研究太阳系形成和演化的天文学家来说,它是一个令人心驰神往的世界。

  木星的4颗枷利略卫星和木卫五的轨道几乎都在木星的赤道面上。1979年,探测器“旅行者1号”对这5颗卫星一一起进行了考察,其中对木卫一的考察尤其详细,并第一次发现了地球之外的火山爆发现象。

  木卫一离木星很近,平均距离约42万公里,它的直径约3640公里,质量为89亿亿亿克。无论从大小、质量以及离行量的距离来看,木卫一都和地球的卫星——月亮比较相似。木卫一的视星等只有4.9等,而且又被木星的光辉所淹没,因此用肉眼是无法看到它的。

  在发射“旅行者”之前,天文学家就觉得木卫一有些奇怪。首先是它的颜色,红得十分耀眼,比火星还红,可能是太阳系中最红的天体。其次,从它的红外线或雷达的反射特征上来看,在某些年份里,它似乎不断在在发生着某种变化。再有,就是不知什么原因,木卫一在运行轨道上遗落下一些硫、钠和钾的微粒。正因为如此,天文学家对木卫一的探测特别感到兴趣盎然。

  当探测器接近木卫一时,发现它的表面五光十色,这种奇特景象在太阳系的其他星球上是绝无仅有的。木卫一与小行星区相邻,照理说,它应受到小行星区散落物的不断冲击而变得伤痕累累,斑迹重重,但从“旅行者1号”所拍摄的照片来看,木卫一上根本不存在直径大于1公里的撞击陨石坑。这就奇怪了。我们知道,在太阳系许多行星和卫星表面,陨石撞击的坑穴比比皆是,尤其是在像水星和月球这些没有空气的行星和卫星上。我们地球表面上早期也存在着大量的陨石坑,只是由于水、风等因素的长期侵蚀和风化作用,才使许多陨石坑逐渐消逝,但现在仍然可以发现一些。据有的科学家考证,江苏的太湖可能就是一个陨石坑。而木卫一上很冷,根本没有流动的水,也没有稠密的大气,因此也就谈不上水蚀和风化作用。另外,从“旅行者2号”拍摄的照片来看,木卫二的外貌有些像月球,即使在低分辨率的照片上,也能分辨出许多撞击陨石坑。同样是木星的卫星,又处于近乎相同的空间环境,为什么两者在地貌上会有如此大的差异呢?

  看来,木卫一受陨星轰击是在所难免的,一定是某些更激烈的活动过程毁坏了或掩盖了陨星坑。不少天文学家想到了这种激烈过程可能是火山,由于经常发生规模巨大的火山爆发,不断把地下物质带到卫星表面,形成新的表面物质,所以木卫一的表面看起来好像是昨天才形成的,十分年轻。

  在“旅行者1号”到达木星之前不久,木卫一的一种新的能源被证实,那就是斯坦顿·比尔和他的助手们提出的潮汐生热。在以前,人们几乎从来没有重视过这个潜在的巨大能源。根据比尔等人的计算,木卫一内部的大部分物质,由于潮汐生热过程而熔化成为液态。比尔等认为,木卫一上应该有喷发的火山。木卫一内部的硫磺,在表面附近熔化、集中后,在火山的作用下,形成了液态硫地下海。当固态硫加热到大约
115℃时,就会熔化,而且会改变颜色。加热的温度越高,颜色就变得越深。假如熔化的硫磺迅速冷却,又会恢复它原来的颜色。我们在木卫一上看到的不同颜色,很像火山口喷出的液态硫:火山顶端的呈黑色,温度最高;火山附近形成的河流状态硫,呈红色及桔黄色;遍布在平原部分的硫呈黄色。

  木卫一本身不发光,要想直接观测木卫一上的火山爆发现象,活动火山必须位于卫星明暗交界处附近。这样,阳光可以照亮在黑暗天空背景衬托下的火山喷发物,即使是“旅行者”探测器也不例外。

  1979年3月9日,“旅行者”号飞行控制组的一位名叫莫拉比图的女工程师,通过计算机强化木卫一边缘图像时,发现一股耀眼的烟云正从卫星表面喷射出来。不久,她就确定了喷出物的位置正好在一个被推测的火山口上。比尔等人的预言证实了,“旅行者”号发现了地球之外的第一个活火山。以后又陆续发现了8个正处于不同程度的连续喷发之中的火山,从而使木卫一荣获“拥有最多活火山的天体”的称号。

  木卫一火山爆发时所形成的羽毛状“喷泉”,给人们留下难忘而又美好的印象。由于木卫一的引力很小,又不存在空气,使火山喷出来的气体、尘埃抛得很高,然后缓缓地落下,形成一种对称的伞形结构。即接近中心的部分密度高;离中心越远,密度越低,因而称为伞形羽状物。科学家就是从“旅行者1号”拍摄的8个羽状物中,获得木卫一上有火山活动的直接证据的。

  与地球相比,木卫一的火山活动规模是十分壮观的。在已经发现的羽状物中,最大的一个直径为1000公里,喷射高度达280公里,仅中央喷流的底部直径就有37公里。从分布上说,8个羽状物中有7个集中在赤道±30°左右,而沿经度方向大体上是随机分布的。据猜测,这种分布可能同木星对本卫一的潮汐作用相关。

  这些羽状物有着共同的特征:中央部分有一个暗黑的区域,喷发物即由此被抛出,核心部分有一圈不规则的或圆形的亮环围绕着,在亮环外围是一片范围更大的扩散区域。科学家仔细地分析了“旅行者1号”的观测资料,发现木卫一上的许多区域都有这种特征。有的火山位于边缘附近,但没观测到羽状物喷发;有的不是在边缘找到的,因而更无法判断是否有过火山爆发。但不能否认,这些地区在不久前可能有过爆发。照这么说来,木卫一上的火山活动不仅规模大,而且所涉及的区域也是相当广泛的。

  在根据“旅行者1号”观测资料所绘制的木卫一地图上,可以找到大大小小300多个不活动的火山口,其中直径大于20公里的有200来个,最大的竟达250公里。它们深浅不一,最深的达1公里,它们在木卫一表面上近乎随机分布。地球的陆地总面积是木卫一总表面积的3.5倍,但直径大于
20公里的火山口一共只有15个左右,相比之下,木卫一上火山活动的剧烈程度就不难想象了。

  科学家对木卫一的一些现象产生的疑惑和不解,随着木卫一上火山活动的发现而释然了。

  由于经常发生大规模的火山爆发,木卫一表面的更新速率非常高,可以

  “随时”把撞击陨石坑掩埋掉。根据观测估算,由于火山爆发,平均每年可以在木卫一表面覆盖一层厚约1毫米的物质,所以木卫一的表面看起来总是那么年轻。

  木卫一表面的另一特征就是与火山密切相关的火山流,它们一般出现在卫星表面的橙黄色区域。大部分火山流又长又窄,呈暗黑色,很显然,它们是从破火山口放射出来的暗流。许多火山流是由硫构成的,硫的熔化温度较低,再加上木卫一地壳的热导率很低,于是火山流蔓延得很长、很远,最长可达300公里。由于硫的染色作用,使木卫一成为太阳系里最红的天体。

  由于木卫一上火山喷发得非常高,非常远,以致它们的部分喷发物可以直接进入太空,围绕木星运动。处于木卫一轨道上的那些微粒环的来源可能就是这些火山喷发物。一种意见认为,这些微粒,盘旋着逐渐移向木星,覆盖了在木卫一轨道内侧而靠得很近的木卫五,遂使木卫五也变红了。照这样推测,木卫一喷发的物质中,相当一部分很有可能历尽坎坷最后汇入到木星的环形系统。

  关于火山喷发的热源,科学家大都同意比尔等人的理论:木卫一处于木星的强大引力场中,可能由相邻的其他木卫的潮汐摄动引起,这与地球上的火山可能靠放射性元素的蜕变,加热地核这些因素不同。

  木卫一是迄今在太阳系中所观测到的火山活动最为频繁、最为激烈的天体,这一发现使天文学家对太阳系,特别是对木星系的认识丰富了不少,为今后太阳系天体的研究提供了新的启示。但是关于木卫一火山爆发,人们还存在着一些至今尚未解决的问题,譬如木卫一喷射出来的是富硫的硅酸盐物质呢,还是一种新型的、完全由硫和硫化物组成的物质?