木星的磁層

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木星的磁層
Jovian magnetosphere vs solar wind.jpg
木星的磁層
發現[1]
發 現 者: 先鋒10號
發現日期: 1973年12月
半徑: 木星 71,492 公里
磁矩 1.56 × 1021 T·m3
赤道的場強 428 μT (4.28 G)
偶極傾斜 ~10°
磁極經度 ~159°
自轉週期 9h 55m 29.7 ± 0.1s
速度: 400 km/s
行星際磁場的強度 1 nT
密度 0.4 cm−3
磁層參數[6][7][8]
弓形震波距離 ~82 Rj
磁層頂距離: 50–100 Rj
主要的離子 O+, S+ and H+
電漿源 木衛一
質量載荷比 ~1000 kg/s
最大電漿密度 2000 cm−3
最大微粒能量 up to 100 MeV
光譜 電波、近紅外線紫外線X射線
能量 100 TW
無線電發射頻率 0.01–40 MHz

木星的磁層是木星巨大且強大的磁場太陽風中創造的空腔(太陽風低密度區域),在朝向太陽的方向上延伸7百萬公里,在背向太陽的方向上則幾乎到達土星軌道。木星的磁層太陽系行星中最巨大和最強的,並且是在太陽系內僅次于日球的最大連續結構。比起地球的磁層,木星的磁層更寬且更扁平,而且強了數個數量級,它的磁矩是地球的18,000倍。早在1950年代,木星磁場的存在就已經被無線電觀測所推斷出。1973年,先鋒10號太空船直接測量到了木星的磁場。

木星內部的磁場是由主要成分為金屬氫的木星外核的電流流動所引起的。埃歐的火山爆發使大量的二氧化硫氣體進入太空,形成了圍繞著木星的巨大環面。木星的磁場迫使這些環面以與行星自轉相同的方向,和以相同的角速度旋轉。這些環面荷載了與電漿一起的磁場,延展成類似薄餅結構的磁盤。實際上,木星的磁層由埃歐的電漿和它自己的自轉提供動力,而不是像地球的磁層一樣由太陽風提供。磁層內的強大電流在木星的極軸附近產生了永久性的極光,和強烈多變的無線電輻射,這意味著木星可以被看作一個微弱的無線電脈衝星。木星的極光幾乎涵蓋了所有的電磁波頻譜,包括紅外線可見光紫外線軟X射線

木星的磁層有捕獲粒子并使粒子加速的作用,產生類似于地球的范艾倫輻射帶,但强数千倍的高能粒子捕獲帶。高能粒子與木星最大的伽利略衛星表面產生的交互作用對衛星們的物理和化學性質產生了明顯的影響,這些粒子同樣的也影響到木星環內稀薄的粒子運動。輻射帶對太空船和太空人都會造成巨大的危害。

構造[编辑]

木星的磁層有著複雜的結構,其組成包括弓形震波磁層頂磁尾、磁盤和其他的部分。環繞木星的磁場來自一定數量的不同來源,包括在行星核心流動的循環(內部的場)、環繞著木星的電漿和磁層邊界流動的電流。電漿被運載著行星際磁場太陽風埋置入磁層內.[10]

內部的磁場[编辑]

體積龐大的木星磁場,像地球一樣,是由外核循環流動的導體所引起的內部發電機維持的。不同的是,地球的核心是由熔解的鐵和鎳構成的,木星的核心則是由金屬氫組成[3]。如同地球一樣,木星的磁場主要是偶極,磁南極和磁北極分別在唯一磁軸的兩個尾端[2]。然而,木星偶極的北極位於行星的北半球,並且偶極的南極位於南半球,相對於地球,它的北極在南半球,而南極在北半球[11][note 1]。木星的場也有四極八極和更高的組合,但是它們的強度少於十分之一[2]

偶極相對於木星自轉軸的傾斜大約是10°:這個傾斜度與地球相似(11.3°)[1][2],它在赤道的強度約為420μT (4.3G),這對應於偶極磁矩大約是1.6 × 1020 T·m3。這使木星磁場的強度是地球的10倍,並且磁矩大約大了18,000倍[3][note 2]。木星的磁場在大氣層之下有著相同的自轉,其週期為9小时55分。自從先鋒號太空船在1970年代中期首度測量後,迄今在強度和結構上都未曾觀測到變化[note 3]

大小和形狀[编辑]

木星內部的磁場阻擋了散發自太陽被電離的微粒流,即太陽風,並且牽制了行星免受它的影響。通过與木星大氣層的互動,木星有效的創造了自己的磁場區域,稱為磁層。它由與太陽風不同的電漿組成[6]。木星的磁層是如此的巨大,足可以容纳太陽和它可見的日冕在這個合適的環境中[12]。如果某人能在地球上观察到木星的磁層,儘管距離比月球遠了1,700倍,但看起來仍比滿月大上5倍[12]

如同地球的磁層,將太陽風的電漿和木星的磁層分離的邊界稱為磁層頂,從磁層頂至木星中心的距離在日下點—一個不固定的點,在該處的觀測者會看見太陽出現在頭頂的正上方,是45至100 Rj(此處Rj =71,492 公里,是木星的半徑)[6]。磁層頂的位置取決於太陽風施加的壓力,換言之就是隨著太陽活動而變[13]。在磁層頂的前緣(距離木星的中心從80至130 Rj)橫梗著太陽風與磁層碰撞形成的弓形震波,有如擾流干擾造成的尾跡[14][15]。在弓形震波和磁層頂之間的區域稱為磁層鞘[6]

藝術家概念下的磁層,此處電漿層被描繪成環狀和片狀。

在行星的背陽面,太陽風使木星的磁力線舒展成為長長的磁尾,有時候可以充分延伸越過土星軌道[16]。木星磁尾的結構與地球的相似,它包含兩個瓣狀(圖中藍色的部分),在南半球瓣內的磁場指向木星,北半球瓣則背向木星。兩個瓣之間被一層薄薄的,稱為尾電流片的電漿分隔開(在中間的橘色層)[16]。像地球一樣,木星的磁尾也是來自太陽的電漿進入磁層內部的渠道,此處衝激並且形成的輻射帶在距離木星至少10 Rj之處[17]

木星磁層的形狀被描述是由持續的中性電流片維繫著(亦稱為磁尾電流),它隨著木星的自轉通過尾部的電漿,尾電流,這些電流在磁尾的外邊界抗拒著木星的自轉,並且磁層頂電流(或是查普曼-費拉洛電流),在白天側的磁層頂抗拒著自轉[11]。這些電流創造的磁場抵銷了內部領域在磁層之外的磁場[16],它們與太陽風也有極大的互動[11]

木星的磁層傳統上被分成三部分:內磁層、中磁層和外磁層。內磁層位於距離10 Rj之內,磁場在這個範圍內依然近似偶極,因為來自磁層赤道的電漿電流片流動的貢獻還小;在中磁層(從10 到 40 Rj)和外磁層(超過40 Rj),磁場不再是偶極,並且因為與電流片的交互作用而受到嚴重的干擾(參考後面的磁盤)[6]

木衛一的角色[编辑]

埃歐(木卫一)與木星磁層的交互作用,黃色是木卫一的電漿環。

雖然木星的磁層整體形狀類似地球,但鄰近行星的結構是非常不同的[13],因為有著活躍火山活動的衛星埃歐本身就是電漿的一個強大來源,每秒鐘就可以裝載多達1,000 公斤的新物質進入木星的磁層[7]。在木衛一上強大的火山爆發散發出大量的二氧化硫,大部分都被太陽的紫外線輻射解離成為原子和離子,產生離子的硫磺氧氣:S+、O+、S2+ 和 O2+[18]。這些離子從衛星的大氣中逃逸,並且形成木衛一的電漿環,一個環繞著木星並且是相對低溫的厚實電漿環,位於接近木星的軌道上[7]。在環內的電漿溫度是10–100 eV(100,000–1,000,000 K),遠低於在輻射帶中微粒的—10 keV(1億 K)。在環中的電漿被強迫與木星同步轉動,也就是說兩者有著相同的轉動週期[19]。木衛一的環從根本上改變了木星磁層的動力學[20]

由於各種各樣的過程,電漿會逐漸逃離木星,主要的逃逸機制是擴散和交換不穩定性(詳見下文)[19]。當電漿進一步在行星內移動時,在它內部流動的電流會使它的速度增加,維持它的同步轉動[6]。這些輻射電流也是磁場水平分量的來源,它的結果是扭轉和對抗自轉[21]。這些電漿微粒的數量密度從在木衛一環的大約2,000 cm−3衰減到距離35 Rj處的0.2 cm−3[22]。在中磁層,與木星的距離大於20 Rj處,同步轉動逐漸消失,電漿的轉動開始比行星緩慢[6],最後在距離大於40 Rj 處(在外磁層),電漿完全逃離磁場,並且通過磁尾離開磁層[23]。當冷而密實的電漿離開,取而代之的是來自外磁層熱而稀薄的電漿(溫度20 keV(2億 K)或更高)[22]。這些電漿在接近木星時被絕熱的加熱[24],形成在木星內磁層的輻射帶[7]

磁盤(Magnetodisk)[编辑]

地球磁場的形狀大致是淚珠形,木星的則較平坦,像是一個相對於軸做周期性"擺動"的盤子[25]。這種像盤子配置的主要原因是來自同步轉動電漿的離心力,它舒展了木星的磁力線,形成平坦像薄煎餅的結構,通常就稱為磁盤,距離行星中心大於20 Rj[26]。磁盤在平面的中央有一個薄的電流片[18],大約就在磁赤道的位置。磁力線從平板的上方離開木星,並從下方接近木星[13]。從木卫一卸載的電漿使木星的磁層擴張了許多,因為磁盤創造額外的內部壓力使得太陽風的壓力得到平衡[14]。如果沒有木卫一,在日下點的位置,從行星中心至磁層頂的距離不會超過42 Rj,而它實際上的平均距離是75 Rj[6]

磁盤的領域由在水平方向的環狀電流維護(與地球的環狀電流不同),它們經由赤道的電漿片產生轉動流[27]。這股電流與行星內部磁場交互作用的結果產生勞侖茲力創造的向心力,使得要從行星逃逸的電漿維持著同步轉動。估計在赤道電流片的總環狀電流在90–160百萬安培[6][21]

動力學[编辑]

同步轉動和輻射電流[编辑]

木星的磁場和同步轉動強制的電流。

木星磁層主要的驅動者是行星的自轉[28],在這樣的關係上木星像是一部稱為單極發電機的設備。當木星自轉時,由於偶極磁矩朝自轉的方向指向[11],它的電離層相對的向行星的偶極磁場移動,勞侖茲力是這種運動產生的結果,驅動著負電的電子至極點,同時帶正電的離子被推擠至赤道[29]。結果是,極區變成負電核,而靠近赤道的區域是正電。因為木星的磁層充滿了高度導電的電漿,通過的電路是閉合的[29]。一種稱為直流電[note 4]的電流,沿著磁力線從電離層到赤道的電漿片。這股電流然後在行星的赤道電漿片內輻射向外,沿著與極點相聯的磁力線抵達磁層的最外面,最後再回到行星的電離層。沿著磁力線的電流通常稱為場準直電流或白克蘭電流[21]。輻射電流與行星磁場的交互作用發生勞侖茲力,在自轉方向上加速了磁層的電漿,這是維持在木星磁層內讓電漿同步轉動的主要機制[29]

當相對應部分的電漿片轉動得比行星慢時,從電離層流向電漿片的電流會特別強[29]。如上所述,同步轉動在距離木星20和 40 Rj的位置會衰減,這個區域對應於磁盤,該處的磁場是被高度舒展的[30]。流動至磁盤的強大直流電起源於非常有限的緯度範圍內,大約是來自磁極附近16 ± 1°,這個狹窄的圓形區域對應於木星主要的極光橢圓(參見下文)[31]。從磁層迴流的電流超越50 Rj,進入木星電離層的極區附近,成為封閉的電路。估計在木星磁層的總輻射電流在60–140 百萬安培[21][29]

電漿的加速進入同步轉動導致能量從木星的轉動傳輸成為電漿的動能[6]。這樣,木星的磁層從行星的自轉獲得能量,而地球的磁層主要是由太陽風供給動力[20]

交換不穩定性和重連接[编辑]

在解釋木星磁層的動力學上遭遇到的主要問題是重而冷的電漿如何從在6 Rj處的木卫一環,傳輸到距離超過50 Rj的外磁層[30]。這個機制的精確過程還不知道,但是它被假設是肇因於交換不穩定導致的電漿擴散,過程類似於在流體動力學中的瑞利泰勒不穩定性 [19]。在木星磁層的情況下,離心力在重力中扮演的角色,重的液體是來自木卫一冷且密度高的電漿(也就是與埃歐有關的),而輕的液體就是熱且密度低了許多的外磁層電漿[19]。不穩定性導致內磁層和外磁層之間的流量管充滿了交換的電漿,輕飄飄的流量管朝向行星運動,同時推擠重的、充滿了來自木卫一電漿的流量管離開木星[19],這些流量管以磁層湍流的形式交換[32]

從北極上方往下觀察的木星磁層[33]

這張高度假設的流量管交換圖形有部分已經被伽利略號太空船證實,偵測到在內磁層有明顯的電漿密度縮減區域和增強的場強度[19],這些空隙也許對應於到達外磁層幾乎空的流量管。在中磁層,伽利略號偵測到被稱為注射的事件,這些是發生在熱的電漿從外磁層突然擊穿進入磁盤,導致高能微粒和高強度磁場流量的增加[34]。目前還不知道該如何解釋冷的電漿向外輸送的機制。

當流量管裝載木卫一低溫的電漿抵達外磁層時,那些與磁場分離的電漿會經歷重連接的程序[30]。在回歸到內磁層的形式之前,流量管是充滿高溫和低密度電漿的形式,然後它可能以電漿粒團—大滴電漿,的形式被拋入磁尾。重連接的過程也許對應於伽利略號太空船觀測到的全球性的重組事件,這樣的事件規則的每2–3天就會發生[35]。重組事件通常包括磁場方向和力量迅速的混亂變異,並且使電漿的行動也迅速的變化,那些經常會使同步轉動停止並且開始向外流動。這種現象主要在夜間磁層的黎明區域被觀測到了[35]。電漿沿著尾部開放磁力線向外的流動被稱為行星風[18][36]

重連結的事件類似於地球磁層內的磁亞暴[30],兩者的區別似乎與它們各自的來源相關:地球的亞暴涉及太陽風儲存在磁尾的能量流動,當它在尾部的中性電硫片內重連接時被釋放出來。後者也創造出電漿粒團[37],但相反的是,木星的磁層將轉動的能量儲存在磁盤內,並且當電漿粒團從其中分離時被釋放出來[35]

太陽風的影響[编辑]

木星磁層的動力主要取決於內部的能源,太陽風大概只是其中一個角色[38],主要是做為高能質子(氫核)的來源[note 5][7]。外磁層的結構顯示太陽風的驅動在磁層中有些特徵,包括值得注意的黎明–薄暮的不對稱[21],特別是磁力線在黃昏區段彎曲的方向與黎明區段是相反的[21]。另一方面,黎明的磁層包含連接到磁尾的開放磁力線,而在黃昏的磁層,磁力線是閉合的[16]。 所有的這些觀測表明太陽風是重連接的驅動力,如同在地球上所知道的唐吉循環(Dungey cycle),可能也發生在木星的磁層[30][38]

太陽風對木星的磁層動力學的影響程度目前仍是未知數[39],然而,它可能與太陽活動的盛衰有所關聯[40],極光電訊[4]、光學和X射線的發射[41],並且從輻射帶放射出的同步加速輻射顯示出與太陽風壓力的交互作用相關,顯示太陽風也許駕馭了磁層內電漿的循環或內部的調整過程[35]

發射物[编辑]

極光[编辑]

木星北極光的圖像,顯示長圓形的極光主體,極性發射、和與木星的天然衛星交互作用所引起的斑點。

木星在兩極附近展現出明亮、持續存在的極光。不同於地球極光只是瞬變的現象,只在太陽活動升高的時刻發生,木星的極光是永久性的,雖然它們的強度每天都在變化。他們包含三個主要部分:明亮且狹窄的長圓形主體(寬度不超過1000 公里),圓形特徵的位置大約距離磁極16°[42];衛星的極光班,對應於它們連接到電離層的磁力線留在木星電離層的腳印;還有在長圓形主體內側的瞬變極性發射[42][43]。而極光的發射幾乎在所有的電磁頻譜上都能偵測得到,從無線電到X射線(高達3 keV),在中紅外線(波長3–4 μm 和 7–14 μm)遠紫外線光譜區(波長80–180 nm)最為明亮[9]

長圓形的主體是主導木星極光的部分,它們有穩定的形狀和位置[43],但是它們的強度與太陽風的壓力息息相關,太陽風越強則極光反而越微弱[44]。如上所述,長圓形主體加速電子的電位差來自磁盤的電漿和木星的電離層之間的落差[45]。這些電子攜帶的場準直電流(field aligned current),維繫了電漿在磁盤內的同步轉動[30],因為在赤道板之外稀稀落落的電漿只能攜帶有限的電流,沒有那些電流不足以造成位能上的落差[31]。那些沉陷電子的能量範圍在10–100 keV,並且擊穿深入木星大氣,在那兒它們激發與電離氫分子導致紫外線的發射[46],進入電離層的總能量在10–100 TW[47]。另一方面,電流在電離層內流動的過程會產生焦耳熱使電離層被加熱。這些熱,能夠產生300 TW的能量,是來自木星極光強烈的紅外線輻射和熱成層加熱的主要能源[48]

木星極光在不同頻譜輻射的能量[49]
發射 木星 木卫一斑點
無線電(KOM, <0.3 MHz) ~1 GW  ?
無線電 (HOM, 0.3–3 MHz) ~10 GW  ?
無線電 (DAM, 3–40 MHz) ~100 GW 0.1–1 GW (Io-DAM)
紅外線 (碳氫化合物,7–14 μm) ~40 TW 30–100 GW
紅外線 (H3+, 3–4 μm) 4–8 TW
可見光 (0.385–1 μm) 10–100 GW 0.3 GW
紫外線 (80–180 nm) 2–10 TW ~50 GW
X射線 (0.1–3 keV) 1–4 GW  ?

斑點被發現對應於三顆伽利略衛星:埃歐歐羅巴甘尼米德[note 6][50],因為靠近他們的電漿因同步轉動而減慢,因而發展出斑點。最亮的斑點屬於木卫一,它是木星磁層內電漿的主要供應者(參見前文)。木卫一的極光斑點被認為與從木星流向木卫一電離層的阿耳芬流有關,歐羅巴和甘尼米德的斑點就暗淡了許多,因為這些衛星只是微弱的電漿源,因為由它們表面昇華的只是刨冰[51]

明亮的弧和斑點在長圓形主體上的出現是分散的,這些瞬變現像被認為與太陽風的交互作用有關[43],磁力線在這個區域應該是開放的或映射到磁尾[43]。在長圓形主體內側觀測到的第二個長圓形可能對應於磁力線開放和閉合的邊界,或是極的尖角[52]。極區的極光發射與在地球極區觀測到的相似:兩者都出現在電子被加速往行星的位降,正當太陽磁場和行星重連接之際[30];兩者的長圓形主體之內發射的極光主要都是X射線。極光的X射線輻射光譜包括被高度電離的氧氣和硫磺的譜線,這些可能是高能(數十萬電子伏特)的氧和硫離子沉積進入木星極區的大氣層造成的,但這些沉積物的來源仍不清楚[41]

木星像波霎[编辑]

木星在頻譜數千赫茲至千萬赫茲的範圍內是一個強大的無線電波源,無線電波的頻率在30萬赫茲以下(波長超過1公里)的被稱為木星的千米波輻射或KOM。這些頻率在30萬至3百萬赫茲(波長100至1000米)被稱為百米波輻射或HOM,頻率在3百萬至3千萬赫茲(波長10至100米)被稱為公丈的輻射或DAM。後者最初是從地球上觀測發現的,並且它們的週期都接近10小時,因而有助於確認它們是源自木星的輻射。最強烈的部分是波長10米的輻射,那些被認為和木卫一與木星的系統有關,被稱為埃歐-DAM[53][note 7]

木星的無線電輻射範圍和其它四顆被磁化的行星比較,此處的(N、T、S、U)KR分別表示(海王星、地球、土星和天王星)千米波輻射。

多數的這些輻射被認為是由稱為迴旋加速鋂射不穩定的機制導致,它們的發展緊挨著極光的區域。當電子在極區反覆來回的彈跳,這些電子,可能是從行星的極區將電流運載到磁盤,介入無線電波的發生[54]。木星的無線電波強度變化通常是平滑的;但是,木星會周期性的發射短而有力的爆發(S爆發),會勝過其它的成分。DAM部分發射的總能量約為100 GW,而其它的HOM/KOM部分的能量約為10 GW。 在比較上,地球的無線電輻射的總能量約為0.1 GW.[53]

木星的無線電波和微粒發射和它的自轉有著強烈的調諧,並使這顆行星有些像波霎[55]。這周期性的調頻或許與木星磁層的非對稱性相關,這是由於磁矩相對於自轉軸的傾斜造成高緯度的地磁異常。統治木星的無線電發射性質類似於無電電波霎,它們的差異只有強度上的不同,並且木星可以被視為一個非常小的電波脈衝星[55]。另一方面,木星的無線電發射與太陽風的壓力和太陽活動有著密切的關聯[53]。 –

除了相對的長波輻射之外,木星也發射出同步加速器輻射(也稱為木星的公寸輻射或DIM輻射。),頻率在0.1–15 GHz(波長從3 m至2 cm)[56]。這些是相對論性的電子陷落在行星內的輻射帶所引發的制動輻射,這些電子貢獻給DIM發射的能量從0.1至100 MeV[57],而來自主導電子所貢獻的範圍在1–20 MeV[8]。這些輻射從1960年代初期就被很好的了解和用於研究行星的磁場和輻射帶的結構[58]。在傳送帶內的微粒起源於外磁層和在它們傳輸進入內磁層時的絕熱加速[24]

木星的磁層拋出高能電子和離子流(能量高達千萬電子伏特),速度如同在軌道上的地球[59],這些離子流是高度的準直,並且像無線電輻射一樣的隨行星自轉的週期變化著。在此,木星也顯示出如同波霎的性質[55]

和環與衛星的交互作用[编辑]

木星廣大的磁層環系統包圍了環系統和所有的四顆伽利略衛星[60],軌道接近磁赤道,當磁層內的高能粒子和這些天體的表面發生交互作用時,這些天體成為磁層內電漿的來源和儲存槽。這些微粒使天體表面的材料飛濺並且改變了表面的性質[61]。電漿對行星的同步轉動意味著電槳與衛星落後的尾隨半球之間有著良好的交互作用,造成可注意到的半球非對稱性[62]。另一方面,衛星內部巨大的磁場對木星的磁場也有所貢獻[60]

木星的輻射帶變化。

緊挨著木星,行星環和小衛星從輻射帶吸收高能粒子(能量高於10 keV)[63]。這在輻射帶上造成引人注目的空隙,並且影響到10公分波長的同步加速器輻射。事實上,木星環最早是在先鋒11號太空船的數據中,偵測到高能離子的數量在接近木星時有著明顯的減少而假設它的存在[63]。行星的磁場強烈的影響那些從太陽的紫外線輻射獲取電荷的次微環的運動,它們的行為和同步轉動的離子相似[64]。在同步轉動和軌道運動之間交互作用的共振,被認為要對木星最內層的冕環(位置在1.4 和1.71 Rj之間)負責,包含那些高傾斜角離心率的次微米粒子[65]。這些微粒發源於主環,但是它們逐漸飄移向木星,它們的軌道在1.71 Rj的位置被強烈的3:2勞倫茲共振修改,使它們的傾斜角和離心率增加[note 8]。另一種 2:1勞倫茲共振發生在1.4 Rj,定義了冕環的內側邊界.[66]

所有的伽利略衛星都有稀薄的大氣層,表面壓力的範圍在0.01–1 ,並且反過來支持電子密度在1,000–10,000 cm−3之間的實質電離層 .[60]。部分冷的磁層電漿同轉流牽制在它們附近的電離層,誘導出的流動,創造出以阿耳芬翼著名的楔形結構[67]。雖然同轉流的速度通常都是次音速(速度的變化在74至328公里/秒),大衛星與同轉流的交互作用類似於沒有磁場的金星太陽風的交互作用,阻止了弓形震波的形成[68]。來自同轉電漿的壓力持續不斷的將衛星的大氣層剝離(特別是從木卫一),並且有一些原子被電離和被帶入同轉流內。這個過程在衛星的軌道附近創造出氣體和電漿構成的環,而木卫一的環是其中最突出的[60]。實際上,伽利略衛星(主要是木卫一)在木星的內磁層和中磁層擔當著主要的電漿來源。同時,高能粒子經由阿耳芬翼不受影響的自由進出衛星的表面(除了甘尼米德)[69]

木卫一和歐羅巴創造的電漿環。

伽利略的冰衛星木衛二木衛三木衛四,都有受到誘發引起的磁矩以回應在木星磁層上的變化。這些變化的磁矩在他們的附近創造出磁偶極磁場,以在四周圍補償那些行動上的變化[60]。這些誘導被認為可能來自普遍存在於木星冰冷的大衛星地下數層的鹽水。這些潛在的海洋可能擁有生物存在,而海洋存在的證據是伽利略號在90年代最重要的發現[70]

木星磁層與甘尼米德的交互作用,有一個內在的磁矩,不同於沒有被磁化衛星的交互作用[70]。甘尼米德內部的磁場在木星磁層內造成一個大約是甘尼米德直徑兩倍大的洞,在木星的磁層內創造了另一個微型的磁層。這顆衛星的磁場牽制了在甘尼米德磁層附近的同轉電漿流,它也保護了甘尼米德的赤道地區免於高能粒子的衝擊,因為在那兒的磁力線是封閉的;高能粒子仍能自由的撞擊極區,因為那兒的磁力線是開放的[71]。有一些高能粒子陷落在甘尼米德的赤道附近,形成迷你的輻射帶[72],高能電子進入甘尼米德稀薄的大氣層內,形成在甘尼米德極區被觀測到的極光[71]

帶電粒子對伽利略衛星表面的物體產生可觀的影響,起源於木卫一的電漿攜帶硫磺和離子至遠離木星之處[73],使它們更好的滲入歐羅巴和甘尼米德的尾隨半球[74]。然而在卡里斯多,還有未知的原因,硫磺被集中在前導半球[75]。電漿可能還造成伽利略衛星的前導半球和尾隨半球在其它方面上的區別—除了卡里斯多,尾隨半球的表面都比前導半球黑暗,這些或許可以指出從磁層來的電漿造成的改變[62]。高能的電子和離子,後者的流量更容易造成各向同性,對冰層的轟擊、原子和分子的濺射飛離,造成水和非冰化合物輻射分解。高能粒子將水分子轟裂成為,造成冰衛星稀薄的含氧大氣層(因為氫逃逸掉)。輻射分解在伽利略衛星的表面產生的還有臭氧過氧化氫[76]。如果有機物或碳酸鹽存在,二氧化碳甲醇碳酸都可以產生。而硫磺的存在,可能的產品包括二氧化硫、硫化氫硫酸[76]。由輻射分解產生的氧化劑,像是氧和臭氧,也許被困在冰層之內,或是被運至海洋之內,因而可能成為生物的能源[73]

發現和探測[编辑]

尤里西斯太空船的路徑在1992年穿越木星的磁層。

木星有磁場的第一個證據出自1955年,發現了十米波的無線電發射,或是DAM[77],作為DAM的頻譜被延伸至40 MHz。天文學家認為,木星必須擁有一個強度大約為1 milli特斯拉(10 高斯)的磁場.[56]。在1959年,在電磁頻譜的微波的部分(0.1–10 GHz)發現木星的公分波發射(DIM)並且被認為是陷落在木星輻射帶的相對論性電子發射的同步加速器輻射[78]。這些同步加速器輻射被用來估計圍繞著木星的電子數目和能量,並且改進導致的磁矩和它的傾斜[7]。到了1973年,磁矩的估計值已經大略知道在二個數量級之內,而傾斜值大約正確的估計在10°左右[12]。1964年發現了木星的DAM是由埃歐衛星產生的模組(所以稱為埃歐-DAM),並使得木星的自轉週期得以被精確的測定[4]。當先鋒10號在1973年12月航行在木星的附近時,明確的發現了木星的磁場[1][note 9]

迄2009年,共有八艘太空船曾在木星附近飛行,並且對木星磁層的知識都有所貢獻。抵達木星的第一艘太空船是1973年12月,在距離木星中心點2.9 Rj[12],並且發現行星磁場的先鋒10號[1]。一年後,姊妹艇的先鋒11號沿著一條極度傾斜的拋射軌道拜訪木星,並且接近至1.6 Rj.[12],它提供了內層磁場範圍的最佳數值[6],輻射的水準比先鋒號的設計者預期的強了十倍有餘,導致探針破表而不能讀取;然而,還是有幾個較小的間隙,讓探測器能穿過輻射帶傳出訊息,保存的大部分事實是木星的磁層在這些點上有輕微的向上"搖晃",並離開太空船而去。然而,因為輻射造成它成像的偏振計接收到了一連串的假命令,使它丟失了許多木卫一的影像。隨後,技術更加進步的 航海家太空船必須被重新設計,以應付強大的輻射[25]

航海家1號和2號分別在1979和1980年的旅程幾乎就穿越過木星的赤道平面,航海家1號在5 Rj的距離內穿越赤道平面的中心[12],是第一艘接觸到木卫一電漿環的太空船[6],第二艘就是航海家2號,在10 Rj內穿越[12],並且發現在赤道面上的電流片。接下來是尤里西斯號在1992年接近木星,調查了木星極區的磁層[6]

伽利略號太空船從1995年至2003年環繞木星運轉,提供了覆蓋木星磁場的全面性資料,在赤道平面上的距離遠達100 Rj。研究的地區包括磁尾和磁層的黎明與黃昏的區段[6]。當伽利略號在木星嚴苛的輻射環境裡活動時,它依然體驗了幾個技術上的問題。特別是,太空船上陀螺儀的偏差持續性的增加。有些時候,在太空船轉動和不轉動的部分間,經常會有電弧產生,造成他進入安全模式,使得第16、18和33軌道周期的資料全部流失。輻射也導致伽利略號超穩定晶體震盪的相位偏移[79]

卡西尼號太空船在2002年飛越木星時,它與伽利略號一起進行了協同測量[6]。最後一艘探訪木星的太空船是在2007年的新視野號,它在2500 Rj的遠距離上,對木星的磁尾進行了一次獨特的調查[33]。木星磁層的覆蓋面遠小於地球的磁層。未來的任務(例如朱諾號太空船)主要在進一步瞭解木星磁層的形成過程[6]

在2003年,NASA進行了稱為"人類外行星探測"(Human Outer Planets Exploration,HOPE)的,關於人類在未來探測外太陽系的概念性研究,討論了在卡里斯多表面建立基地的可能性。由於衛星的距離使它輻射性低和地質上的穩定,使卡里斯多成為伽利略衛星中,唯一有讓人類前往探測可行性的衛星。在木卫一衛星的離子輻射程度,歐羅巴和加尼米德對人類的生命是不友善的,並且無法獲得充分的保護[80]

註解[编辑]

  1. ^ 不要將地球南極和北極的偶極與地球的南磁極北磁極混淆了,它們各自分別在北半球和南半球
  2. ^ 磁矩正比於赤道的磁場強度和半徑的立方其大小是地球的11倍。
  3. ^ 例如,偶極方位角的改變少於0.01°。[2]
  4. ^ 不要將在木星磁層中的直流電與電路學中的直流電混淆了,後者是與交流電相對應的。
  5. ^ 另一個質子的主要來源是木星的電離層[7]
  6. ^ 卡利斯多也許也有斑點,但是它與長圓形的主體位置重合,因此在觀測上看不見。[50]
  7. ^ 非埃歐-DAM遠比埃歐-DAM微弱,並且實際上是高頻率的HOM輻射的尾端。[53]
  8. ^ 勞倫茲共振是存在於微粒的軌道速度和行星磁層的自轉週期之間的一個速度,如果它們的角頻率是m:n(有理數)的關係,則科學家稱之為m:n勞倫茲共振。所以,在3:2共振的情況下,微粒在距離木星1.71 Rj的距離上每繞行木星三圈,磁層就繞行木星二圈。[66]
  9. ^ 先鋒10號攜帶了一個氦向量磁力計,它直接測量到木星的磁場。這艘太空船也進行了電漿和高能粒子的觀測[1]

參考資料[编辑]

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引文來源[编辑]

延伸讀物[编辑]