木星之水几何，孰可测之？结果何知？ NASA的朱诺号探测器观测结果更

NASA的朱诺号探测器观测结果更新了人们对木星大气中水含量的认知

文章图片
图解：朱诺号搭载的成像仪拍摄的木星赤道南部地区的图像，木星的两极在图片左右两侧没有显示出来的地方。该照片摄于2017年9月1日。图源：原文。
不久前， NASA的朱诺号任务组在《自然天文学（NatureAstronomy）》杂志上公布了其首个关于木星大气中水含量的科学结论，它表明木星赤道附近的大气中水分子数占总分子数的0.25%左右，这几乎是太阳的三倍。自伽利略号探测器抵达木星以来，人们一直认为木星的水含量可能极其小（和太阳相比，不过未直接比较液态水的含量，而是比较氢元素和氧元素的含量），但这个新结论首次打破了大家的认知，表明这些气态巨行星反而可能是富含水的。

文章图片
数十年来，准确估计木星大气中的水含量一直是行星科学家们的夙愿，因为这个隐藏在气态巨行星里的数字正是解开太阳系形成之谜的最后一块拼图。木星很可能是太阳系行星中最先形成的一个，它吸收了没有被太阳吸收的大部分物质，包括气体和尘埃。

文章图片
图解：朱诺号探测器画像。图源：NASA 。
搞清楚木星的含水量不仅是研究木星乃至太阳系形成过程的重要步骤，也是研究木星的气象过程（木星上的风是怎么刮的）以及内部结构的必需。虽然旅行者号以及一些其他探测器都在木星的大气里观测到了闪电现象隐隐透露出木星大气中可能蕴含着足量的水（因为闪电通常只在潮湿的环境下发生），但是人们暂时还是没有办法估计出它的准确含量。

文章图片
1995年12月，伽利略号探测器[1]在扎入木星大气层后打开降落伞缓缓降落，期间不断向地球发送探测数据，并在其被损毁前坚持了57分钟。在它下降了75英里（120公里）时，环境气压上升至约320磅每平方英寸（22千帕），其搭载的光谱仪便测量了木星大气层中的水含量。当这个数据被传回地球让科学家们看见的时候，大家都非常惊愕，因为该数值比预计值要少十倍之多。

文章图片
图解：朱诺号在大红斑上空测量数据并将其传回地球的示意图。图源：SwRI 。
更令人惊讶的是，在伽利略号尚能传回数据的最深的地方，大气含水量的测量值似乎仍有随深度增加而上升的趋势。按理说，这个地方的大气成分应当已经是被均匀混合的了，所以水成分的含量应该是不会变化的才对，应当相当接近于局部甚至整个大气中水含量的均值。种种迹象表明，伽利略号的运气不太好，刚好落在木星上一个特别缺水特别温暖的地方，这个论断也得到了地面望远镜的红外成像结果的支持。

文章图片
图解：木星的红外成像与可见光图像。图源：NASA 。
在高空中测量水含量
朱诺号探测器[2]于2011年发射升空，它是个太阳能探测器，在太空中边自转边前行。有了伽利略号的前车之鉴，该探测器的探测目的便改为在木星这颗巨大行星的不同区域测量大气的水含量。朱诺号搭载的微波辐射计（MWR）是一种新型行星高空探测仪器，它同时利用六根天线的传感信号来在木星上方的高空测量多个深度处大气的温度。这台微波辐射计的工作原理是水分子会吸收特定波长的微波，这和微波炉快速加热食物的原理是一样的。在木星深层大气中的水分子与氨气分子（这两种分子能吸收的微波波长相仿）吸收了微波辐射而升温后，人们就可以通过测量温度来推测它们在大气中的含量了。