朱諾號發現木星之水的秘密


自1995年伽利略號任務(Galileo)後迄今,朱諾號(Juno)首度公佈其科學成果,探索並測量木星大氣中的水量。硏究指出:木星赤道地區的大氣中,約僅0.25%是水分子,這個量看起來很少,不過已經是太陽大氣的三倍了。

行星科學家肖想精確測量木星大氣中的含水量已經數十年了,因為他們認為這是有關太陽系形成最關鍵的一塊拼圖。木星很可能是太陽系裡第一個誕生的行星,主要由沒被太陽吸走的氣體和塵埃所組成。現行理論認為木星的形成是以它吸收的水量為基礎。而水含量多寡與木星的大氣氣象(環流)和內部結構有重要相關。航海家號和其他太空船曾偵測到木星大氣中的閃電現象,也暗示了木星大氣中有水的存在。雖然這種種都與水有關,但卻一直無法精確估計木星大氣中的水含量。

在1995年12月,伽利略號以衝入木星大氣自殺的方式結束任務之前,最後的任務就是一路以光譜儀偵測木星大氣中的水含量,總共傳送了57分鐘,直到木星大氣約120公里深、大氣壓22巴(bar)之處。不過分析偵測資料後所得結果,比科學家預期的水含量還少十倍左右,讓這些科學家不解而沮喪。(巴為大氣壓單位,地球表面1標準大氣壓為1.01325巴。)

還有更多意外:伽利略號在120公里深測到的含水量其實還在增加的趨勢線上,遠低於理論預測大氣應該會混合的地方。一個混合良好的大氣,同一區域內各處的水含量相差不大,甚至可能表現全球均一的模式。與地面望遠鏡的紅外資料綜合後,結果顯示伽利略號太空船不夠幸運,取樣的地方剛好是木星異常乾燥與溫暖的天氣區。但是,根據朱諾號最新觀測結果,木星大氣雲頂以下之處的混合程度並不好,事實上,水汽在此的變動可能很大。

朱諾號於2011年發射升空,目的之一就是能從木星上空測量大範圍的水含量。透過這艘太空船上的微波輻射計(Microwave Radiometer,簡稱 MWR)的六枝天線,可以同時測量不同深度的大氣溫度。WMR是利用水會吸收特定波長的微波輻射的原理來運作,如同微波爐能快速加熱食物一樣。而之所以要測量溫度,是希望能得出大氣深處的水和氨的含量範圍,這兩種分子都會吸收微波輻射。

這些科學家取用朱諾號最初8次飛掠木星的測量資料進行分析而得出上述結果。他們最初集中分析木星赤道一帶的狀況,因為他們認為赤道區的混合情況會比其他區域好,即使在大氣深處也是如此。朱諾號能探測至150公里深的大氣深處,此處大氣壓力約33巴,比伽利略號還深了許多。結果發現赤道區的水比伽利略號當初測得的還多許多,這些科學家表示:因為木星赤道區相當獨特,他們必須比對結果,才能知道其他地區的水含量有多少。

朱諾號環繞木星一週約53天,軌道會緩緩向北移,每繞一週,就能帶來更清晰的木星北半球測量結果。這些科學家渴望知道大氣中的水含量是否會隨緯度和區域不同而不同,以及氣旋豐富的極區能提供全木星水含量的線索,因此未來將繼續朝這方向努力。

【圖:美國太空總署;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】研究全文刊登在已經出版的《自然-天文學》期刊

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