第六十三章 《木星开发调查报告》（三）

“前面我们已经谈到过，木星的磁场强度是地球的十倍，在这样十倍于地球的磁场环境里，木星的磁层对于太阳风的侵袭又会有怎样反应？在木星这样一个距离太阳相对比较遥远的地方，太阳风的速度和规模是否也会有一个比较大的减弱？研究这些内容需要涉及到电磁学，星球物理学和高能物理学等几个方面的知识。在木星这样的环境条件下，将为我们打开另一扇大门。想要学习这些内容，我们还是要从木星自身的情况先做一个大致的了解。”

“我们知道，木星是太阳系最大的气态行星，也是具有最强磁层的行星。在这里，最强磁层和最大的气体范围相对于太阳风所带来的高能带电粒子会有什么样的反应？在这三者之间反应后出现的极光又会是怎样的规模，也是值得我们去探讨的。对木星极光现象的研究，可以使我们能够更深入的去了解星球磁场对高能带电粒子的共振，捕获和吸收又是怎样一个完整的过程。通过对这一现象的加深理解，可以为我们今后的远征舰队建立利用途中其他星系中的恒星风为自己提供能量补充的供能模式也是大有益处的。而且我们还可以从星球磁层对抗太阳风侵袭的电磁反应中找到新的，更好地能量护罩使用方法。这将为我们的战舰提供更为完善的外层防护。”

“太阳系中，部分行星的星球磁场是偶极型的，近似于把一个磁铁棒放在星球中心，使它的N-S极大体上对着南、北两极的位置而产生的磁场形状。星球磁场是一种闭合的环型磁场，除了我们已知的产生磁层的星球外部辐射大气层顶端的电离层磁层以外，还有星球内部的导电体，这个由导电的液态星核组成的如同发电机转子一样的岩浆在切割固态铁镍核心分时产生了发电机效应电流。这个发电机产生电流形成了星球磁场。而太阳风送来的大量高能带电粒子正好成为了这个发电机的能量补充。”

“星球磁场不是孤立的，它经常受到外界扰动的影响，最大的影响就来自于太阳风。太阳风是从太阳日冕层向星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是离子氢和离子氦。由于太阳风本身就是一种等离子体，所以也具有磁场。太阳风磁场对星球磁场施加的作用就是要要把星球磁场从星球上吹走。在与星球磁场的对抗中，太阳风绕过星球磁场，继续向前运动，形成了一个被太阳风包围的、彗星状的星球磁场区域，这就是星球磁层。这种曾经被称为范艾伦带的环绕星球的高能粒子磁层，在星球赤道附近的近层宇宙空间呈环状围绕星球，并向极地弯曲。这个向两极弯曲的磁层主要由星球磁场捕获的高达几兆电子伏的电子以及高达几百兆电子伏的质子组成。从数百公里到六千公里具有高能质子的低空称为“内层”，具有高能电子的六千公里以外的高层空间部分被称为“外层”。内层和外层之间的缝隙则是辐射较少的安全地带。”

“磁层由磁层顶、等离子体幔、磁尾、中性片、等离子体层 、等离子体片等组成。在磁层顶外还存在磁鞘和弓激波。地球磁层始于距地面约1000千米处大气层顶部的电离层以外，向外延伸至磁层顶。磁层顶为磁层的外边界，离地面5至7万公里。这种由超强带电粒子构成的辐射磁层，正对着太阳一端的向阳侧呈现一个椭球面，地球位于它的一个焦点上。由于受到太阳辐射和太阳风的挤压，变得狭窄而又紧实。在太阳风高能粒子流的挤压下，地球磁力线向背阳侧呈略扁向外张开的圆筒形，圆筒所围成的的空间延伸得很远，形成一条长长的空腔磁尾。背对太阳一端在太阳风的影响下被拉长而变得疏散。就如同进入太阳系内圈彗星的的慧尾一样。在磁场赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分:北面的磁力线向着地球方向，南面的磁力线朝着离开地球的方向。中性片的存在使得磁尾和星球之间形成了一个闭环磁力线的自循环体系。在中性片两侧约10个地球半径的范围里，充满了密度较大的等离子体，这一区域称作等离子体片，在磁层内朝着太阳的一面，磁场的大小和方向是相对稳定的。在磁鞘外（约13～14个地球半径以外），存在一个倾斜于黄道面的磁场，场强一般为4～7纳特。它主要来源于太阳产生的行星际磁场。”

“在太阳平静期，磁层顶在向阳侧距地心约为10个地球半径，在两极约为13～14个地球半径，在背阳侧最远处可达1000个地球半径。太阳强烈活动时期，导致太阳风密度和速度大为增大，磁层也随之大大被压缩，这时向阳侧的磁层顶可能离地心只有6～7个地球半径。即使在太阳平静期，地球轨道附近的太阳风平均速度也高达300～400公里/秒，当受到磁层阻挡时，在磁层的上游方向约几个地球半径处，由太阳风携带的高能等离子体以超声速运动，遇到存在磁场的行星和恒星的阻挡时，太阳风在磁层顶前面存在着激波，被称为弓形激波或船首激波阵面。弓形激**阵面是无碰撞的激波，上游是未扰动的超声速太阳风，而下游的等离子体以亚声速绕过地球的磁顶层。无碰撞激波是等离子体物理、空间物理和天体物理学中的重要基础性课题，对它的深入研究有助于了解激波本身的产生、演化、耗散机制以及各种行星际结构与激波的相互作用问题。”

“波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为3～4个星球半径。在向阳侧正子午面上，有两个点叫中性点，南北半球各一个，位于纬度约60°处。在中性点附近，由于磁场比较弱，磁鞘内的带电粒子可一直深入到地球极点附近，形成漏斗状的极尖区或称极隙区。太阳风中的带电粒子一旦被星球磁场捕获，磁场的洛伦兹力便控制它们在星球磁层中的运动。这些带电粒子由磁层两个转折点间进出星球内部的由导电的液态星核构成循环，这种循环为星核发电机效应磁场提供了能量补充。当太阳发生磁暴时，地球磁层受扰动变形。被限制在磁层范围内的高能带电粒子大量涌入星球内部，进一步加强了星球发电机效能，从而增强了星球磁场，部分来不及进入星体内部的高能粒子随磁力线于星球拥堵的两极区域进入大气层，形成了对空气分子的大规模放电。这种由放电产生的大面积光效应就是美丽的极光。”

“在磁层中通常内辐射带里高能正质子多，外辐射带里高能负电子多。地球磁层内充满着等离子体，比较密集的区域有中性片两侧的等离子体片、磁层顶内侧的等离子体幔、等离子体层以及由高能带电粒子组成的辐射带。太阳强烈活动期喷发的高能带电粒子密度和速度都远高于太阳宁静期的等离子体流。这种高密度被狂躁期太阳剧烈活动强化了的高能带电粒子流会引起地球磁层剧烈的扰动，即为磁层暴。这时磁层被压缩，地磁场也随之发生剧烈的变化，即发生磁暴或磁层亚暴。磁层强干扰时期，大量的高能带电粒子加入星球发电机运行，导致电离层电子密度异常，称电离层暴，此时基于电离层反射效能的短波无波无线电通讯将受到严重影响。与地球磁层类似，在行星周围也会形成磁层，称行星磁层，如木星磁层、土星磁层、水星磁层、火星磁层等。行星磁层的形成和结构形态，主要取决于行星磁场的强弱、分布及其与太阳风的相互作用形态。星球磁层亚暴过程中，大量的带电粒子像疾风骤雨一样从星球磁尾（即背离太阳一侧）向星球冲过来。这些电子能够导致人造卫星充电，严重时可以将人造卫星充电到几万伏高压，最后导致人造卫星放电被烧毁。在地球磁暴过程中，围绕地球形成了一个巨大的电流环，其强度可以达到几百万安培。这个巨大的电流通过地磁场的剧烈变化可以在地面上感应出巨大电流，将地面上输油管道，供电线路烧毁。所以地球以及其他一些星球空间并不是静止的，它是太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中，称为星球空间暴。其中磁层空间暴(包括磁层亚暴，磁暴和磁层粒子暴等)也是其它星球空间暴的产生源头。”

“太阳风是太阳喷射出的带电粒子,是一束可以覆盖地球的 强大的带电离子颗粒流.太阳风在地球上空环绕地球流动,以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场。来自太阳的高能带电粒子抵达星球附近时，受到星球磁场的影响沿着磁场线流转方向集中到星球的南、北两极。在南北两极形成的漏斗状的极尖区星球磁层磁力波携带太阳风的能量从星球两极的形成漏斗状的极尖区进入星球内部，为星球发电机提供能量补充。在磁层的磁力线闭合环路上，除了星球内部的导电体之外，另外还有大气层的电离层——这一弱导电体。这种现象就好像是太阳高能带电粒子对星球磁场的一次充能。”

“太阳风与磁层顶相互作用引起的电流，产生了磁层电流系，因而磁层顶是一个电流层。太阳风把由地球极盖区发出的磁力线拖到地球背日面形成磁尾，在磁尾赤道面上也必然是一个电流片，一般也称中性片。因为南北半球磁力线在这上面方向相反，形成一个磁中性片。磁层内磁场分布主要就是磁层顶电流和磁尾中性片电流给出。磁层顶电流产生磁场抵消了偶极子场伸向磁层顶外面的部分，而增加了磁层内部的场。在我们的头顶上存在着这一个巨大无与伦比的天然发电机－太阳风－磁层顶发电机。太阳风携带的星际磁场，在地球磁层顶与地磁场连接，在地球坐标系看，我们看到太阳风等离子体垂直力线运动完全类似磁流体发电机，在洛仑兹力作用下正电荷向磁尾磁层顶向阳一侧积累；负电荷集聚背阳处一侧，在磁层顶向阳和背阳两侧构成电路的正负电极。这个发电机电动势驱动电流主要有两个回路。一个电流回路是直接越过磁尾，通过磁尾中性片上下两侧等离子体片放电，在磁尾磁层顶形成两个半圆筒形的回路，另一回路是越尾电流一部分沿地磁力线流向地球极区电离层，再由另一侧沿着磁力线流回。这一电流主要沿磁尾回路流动，他产生的磁场就形成了地磁尾，只有小部分电流沿着磁力线流向极区电离层，供给极区电流层焦耳热耗散。地球磁层耦合的地磁场主电流耗费太阳风80％的能量，它产生的地磁场是主要是偶极磁场。”

“星球的磁层和太阳风所携带的大量高能带电粒子相遇，我们可以想象此时星球的磁层就像乐器上的弦，并且可以如同电吉他弦一样振动。磁场振动将太阳封锁携带的高能带电粒子送到星球的两极。这些振动是由磁场中的电磁波构成的。带电粒子被这些电磁波捕获，然后进入两极的磁层进入星球的内部磁场，为星球内部磁场所吸收成为星球内部电磁反应源源不断的动力来源之一。在进入星球内部磁场过程中，部分高能粒子撞击星球两极的电离层大气，产生大规模的放电，这种因大规模放电而产生的彩色的光芒就是我们日常所见的极光。大规模放电产生极光的过程中就会产生X射线脉冲。而在木星上这种定期爆发出强大的X射线耀斑。使得我们有机会深入星球内部去了解这种耀斑是如何产生、释放、消失的全部过程。这对于我们了解星球磁场是如何产生磁层，磁层与太阳风所携带的高能带电粒子是如何相互影响而产生磁暴现象等问题有了更加深入的了解和认知的机会。我们可以通过了解木星的极光现象的研究，发现它所代表的同类型的磁场振动对宇宙中高能量体所能产生的至关重要影响。这种宇宙空间的X射线通常被用来研究奇异的、超级高能的对象，比如黑洞、中子星和一些在星系间流动的气体，这些都是人类思维难以想象的东西。我们要真正了解X射线是如何产生的，唯一的方法就是去更近的地方找答案。在木星这样的一个气态行星中，人们可以通过进入星球内部在星球内部的磁场核心区域去观察检测磁场在不同外部条件下的应对变化。而这一点在固态的地球上是做不到的。”

“太阳风和地球磁场的共同作用，在含有大量气体大气层的星球两极产生了五彩缤纷的极光。在木星上也是可以看到极光的，虽然太阳风吹到木星附近时强度已经被减弱，由于木星的磁层很强它的范围也很广，所以还是能够捕获到足够多的太阳风高能带电粒子。这些粒子与木星大气撞击产生的极光将是巨大的。根据观察所知，人类曾经发现过木星上一次长达30000公里的极光。木星是在太阳系中除地球以外第二个具有极光的天体。”

“木星是太阳系最大的行星，中心温度估计高达30500℃。从中散发出来的热量为从太阳光中吸收的热量的2.5倍。岩石质的核心则含有其他较重的元素。岩石质的核心外部包裹着厚厚的固态金属氢层。在固态金属氢层外部通过更加厚重的液态金属氢层与气态大气层相接。这颗巨大的行星拥有太阳系内最大的行星大气层，跨越的高度超过5，000公里。由于木星没有固体的表面，它的大气层基础通常是指被认为是大气压力等于1MPa(10bar)，或十倍于地球表面大气压力之处。这个十倍于地球表面大气压力之处，依旧由气态大气组成。由于木星具有较高的内部温度。木星大气层中不可能存在液氢、液氦液化所需的超低温条件，仅仅只有需要在高温高压条件下生成的液态金属氢和更加核心区域高压而产生的固态金属氢。想要采集这种在地球仍然是非常稀缺的能源材料，也是非常困难的。目前人类的技术能力还是很难造出能够抗衡能够产生金属氢的环境压力的采矿船。”

“木星大气中按分子数量来看，81%是氢气，18%是氦气，按质量则分别是75%和24%。只有约1%左右的其他气体，其中包括甲烷、水蒸气、氨气等。这与太阳系的前身——原始太阳星云的组成相近，但木星中较重元素的比例却比原始太阳星云多数倍。同为气体行星的土星也是类似的组成，这些多出来的重物质应该就是太阳形成初期核聚变反应生成的重物质被喷发抛投到此所致。但天王星及海王星中的氢和氦就少得多。这或许是因为海王星和天王星于在行星演化过程中，因为缺少足够的温度，行星生成演化过程被冰冻所中断。大量的重物质被直接冰封在星球的核心部位，这两颗星球表面的氢和氦，应该是是在行星形成过程中吸引附近的原始太阳星云的组成的星云物质。”

“由于木星有较强的内部发热源，致使其赤道与两极温差不超过3℃，所以木星上因温差对流产生的南北风很小。木星是一个气态星球，由于快速的自转而呈现扁球体（赤道附近有略微但明显可见的凸起）。木星是太阳系中自转速度最快的行星，这使大气中的云被拉成长条形状，共形成了17条云带。云带中亮的部分称作“带”，暗的部分称作“带纹”。这些云带依照不同的纬度被分为多个带域，各个带域的风速和风向各不相同，所以在各带域相接的边际容易出现乱流和风暴。由于快速自转，在木星的大气层中，主要是由木星自身的高速自转而引发的东西风，最大风速达130～150米/秒。如果用地球上所能遇见的最强台风推算，最强12级台风的风速为:32.7～36.9米/秒。就算超级超强台风最大风力达到16级，也只有51～56米/秒。相比之下三倍到五倍的风速，再加上对流多变的风向，足以使较小的探测飞船无法正常行驶。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。根据观测到的大气中与赤道平行的、明暗交替的红、褐、白等五彩缤纷的条纹图案带纹，可以推测木星大气中的风向是平行于赤道方向的。因区域的不同而交互吹着西风及东风，这是木星大气气象的一项明显特征。这些都是探测船进入木星大气层所必须注意的。”

“木星大气层内部并不平稳，在大气层中存在极为猛烈的运动。最显著的例子是大红斑。木星大红斑是木星表面的特征性标志，是木星上最大的风暴气旋，长约25000千米，上下跨度12000千米，每6个地球日按逆时针方向旋转一周，经常卷起高达8千米的云塔。自从17世纪天文学家首次观测到此风暴，大红斑至少已存在200到350年。它已经改变了颜色和形状，但却从来没有完全消失过。无论是大红斑还是条带状的彩色云带，这些现象都为我们提供了研究木星大气层气象的最佳对象。通过研究这些对象，可以让我们更加深刻地理解这种高速运动的巨大气态行星的气象规律，为我们进一步去了解土星、天王星和海王星打好基础。”