第六十四章《木星开发调查报告》（四）

在木星规则群中的伽利略族群的四颗卫星中，木卫一是最靠近木星的一颗，这颗太阳系排名第四的大卫星距离木星422，000公里，其直径约3630公里。它的密度为3.5275g/cm3在太阳系所有卫星的密度排名是最高的。具有类似于内太阳系的类地行星的巨大的铁质内核。这种由硫化铁所组成内核其半径至少有900公里。这颗主要由硅酸盐岩石和铁组成木卫一是太阳系中除地球以外，唯一被证实存在频繁火山活动的星球。这颗由于大量火山喷发而产生的熔岩流和流束所带来的高温。使得这颗卫星成为了太阳系除了太阳以外最为炽热的天体。这颗卫星的温度甚至超过了离太阳最近的水星和金星。其表面温度最高可达1610摄氏度。

木卫一拥有400座活火山，它是太阳系中地质活动最活跃的天体。这些火山产生的硫磺和二氧化硫流束可以攀升到500公里的高处。木卫一表面大部分平原都是被火山熔岩流所填平的光洁度较高的平地。这些平原表面，被硫磺和二氧化硫形成的尘土所覆盖。火山流束和熔岩流使得广大的表面经常不断的产生变化。这些硫化物形成了红、黄、黑白和绿色不同色彩的彩绘。为数众多的广阔熔岩流最长可达500公里。木卫一的大气极为稀薄，主要是由火山喷发的二氧化硫组成。曾经观察到来自火山口的一个25公里长，1至2公里高的熔岩帷幕喷发，在最大喷发时期有超热的硅土熔岩湖，最后爆裂的气体形成高385公里的扇形流束，并在卫星上干扰到700公里远的区域。从木卫一背阳面的飞船上观看这一火山奇观，在阳光的背景光衬托下，可以清楚的看见一个连续的丝状纤维结构。

除了火山外，木卫一其他的景观，仅有一些普通的山脉、溶化硫湖泊、深度达数百公里的火山臼，以及长达数百公里的低黏度液体在流动，可能是液态硫或是硅酸盐。此外，木卫一的硫磺及其化合物拥有多种不同的颜色，形成了它独特多变的外观。曾经发现过在木卫一表面有九个火山在同时喷发。由于大量的火山喷发，曾经被陨石撞击产生的陨石坑大都被熔岩流填平，使得在这个卫星上看不到有什么陨石坑的存在。

木卫一上剧烈的火山喷发以及其他活动所需要的能量，来自于它与木卫二，木卫三及木星之间的交互引力潮汐作用。这三颗卫星相对于木星的共动关系固定，木卫一的公转周期是木卫二的两倍，后者是木卫三的两倍。这三座卫星都和月球一样，被木星的潮汐锁定始终只有固定的一面朝向主星。来自木卫二、木卫三以及木星的引力，使得木卫一的星体出现约有100米幅度的扭动、弯曲。在这种星体的“扭曲—复原”循环中产生的能量使得木卫一的地壳不断的被“破裂”，这就是造成了这座暴虐星球经常处于大规模火山喷发状况的根本原因。

木卫一处于木星最强烈的一条辐射带之内，火山中喷发出来的大量二氧化硫和其他物质，形成一个沿着木卫一运行轨道的气体环。处在木星磁场内的气流环被电离，生成硫和氧离子。它们与木星大气层中的氢离子共同在木星的赤道平面形成等离子片。这些片状的等离子跟随木卫一转动，切割木星内核中导电金属氢磁场平面形成变形偶极电磁感应（行星发电机效应）。电磁感应电流又产生强大的0.6至30MHz范围内的强电磁辐射。形成了一个超级的强电磁辐射区域。这些与木卫一共同转动的片状等离子体切割木星的磁场线生成的电流所产生的能量。相对于木卫二、木卫三和木星本身相互作用而产生的潮汐锁定引力而言，并不很大。但电流的功率仍有一兆瓦特。木卫一大气层极端稀薄，只有地球大气压力的十亿分之一，主要的成分是二氧化硫，氯化钠、一氧化硫及少许的氧。

木卫二是太阳系中另一颗与众不同的卫星。具有直径约3100公里，略小于月球的木卫二是伽利略族群的四颗卫星中最小的一个，也是太阳系排名在月球之后的第六大卫星。木卫二距离木星约67万公里，在伽利略族群的四颗卫星中距离木星第二近。木卫二也被木星潮汐锁定，如月球一样永远是一个面对着主星。

木卫二的组成与太阳系内圈类地行星相似，主要由硅酸盐岩石组成。内部有着明显的分层结构，并且有一个小型金属内核。木卫二拥有相当于木卫三的四分之一微弱磁场。在固态的岩石星球表面有一层表面极光滑的厚厚冰层。由于木卫一、木卫二、木卫三呈1：2：4的潮汐锁定关系（即绕木星公转周期为1：2：4），在星球潮汐力牵引下的星体内部也有着一定的扭曲变形。这种“扭曲—恢复”循环中产生的能量的加热作用，可以使得星球内层的水冰融化，在厚厚的冰层下面可能有液态水存在。木卫二是太阳系中最明亮的一颗卫星，它之所以显得如此明亮是由于它表面有一层厚厚的相对平整光洁的冰面反光所致。在这个冰层上布满了纵横交错的条纹。在冰层上一些不是很深的陨石撞击坑数量较少，只能看到极少的数百米高的变化地形。这是由于冰层自身具有的弹性在一定程度上缓冲、抵消掉一部分陨石的冲击力，而使得陨坑比较平缓。由于冰层构造比较活跃，被加热的液态水的流动性的影响，经过一定时间的冰层位移导致的这些陨石坑以及周边环形山的逐渐消失。

木卫二的表面包裹着一层主要由氧构成的极其稀薄的大气（1地表气压约1微帕）。太阳系中大约165颗卫星里只知道有6颗卫星（木卫一、土卫二、木卫三、木卫四、土卫六和 海卫一）拥有大气层。与地球不同，木卫二大气中的氧是非生物来源的。很可能是带电粒子的撞击和阳光中的紫外线线的照射使木卫二表面冰层中部分水分子分解成氧和氢，氢因原子量低而逃逸，原子量相对较高的氧则被保留下来。

木卫二最醒目的外观是遍布全球的一串串十字条纹。较大的一个向外扩散到淡色物质地带，张牙舞爪布满整个星球的暗色条纹。条纹两侧的板块有相向移动的现象。大一点的条纹横向跨度可达20公里，这些形态可能是由表层冰壳开裂较温暖的下层物质暴露而引起的冰火山喷发或间歇泉所造成。

木卫二的表面温度在赤道地区平均为—163℃，两极更低，只有-223℃，所以表面的水是永久冻结的。但是潮汐力所提供的热能可能会使表面冰层以下的水保持液态。如果身处木星的卫星木卫二，可以看到高达200公里的壮观喷泉。在木卫二南半球的两个不同区域有着过多的氢和氧，这些氢和氧是从木卫二喷射出来的水被电解而来。木卫二上的喷泉间歇性地喷发，每次喷发时间约7小时，正好是木卫二绕行木星两周的时间。由于这种现象在木卫二距离木星最远处出现，在最接近木星时消失，研究人员推测，木星对木卫二的潮汐引力发挥了重要作用，它可能导致木卫二表面冰层的某些位置在最远点时裂开，喷泉就从这些裂缝中喷射而出，当到达木星近点，这些裂缝则逐渐闭合。喷泉的出现说明木卫二冰冻表层的部分区域可能处于不稳固状态，容易被内部的海洋“突破”。而这对将来探索木卫二是否宜居具有重要意义。因为这种间歇性的喷泉会将木卫二表面和深层的物质喷向高空，将来研究木卫二成分就无需在冰层上钻孔。木卫二上的喷泉类似于土星的卫星土卫二上的喷泉，土卫二上的喷泉是从非常狭窄的裂隙中逃逸出的高压水汽排放所致。不过木卫二上的重力比土卫二大12倍，因而木卫二的喷泉不会像土卫二那样大部分逃逸到太空中，而是喷发到201公里的高度时落回木卫二表面。

至于在木卫二厚厚的冰层下面是否存在生命并不重要，因为即使在冰层下较为温暖的液态水中，生存有诸如卵生类植物之类的奇怪生命体，也不可能承受-163℃的酷寒爬到冰层表面来骚扰人类。在木卫二上建立基地唯一需要担心的就是：木卫二的冰层是否能够经受长期稳定的承受人类活动所带来的“高温”环境。假如在未来的某一天，人类科学家正在进行紧张而又繁忙的探测研究工作时，突然冰层破裂，整个科考基地掉入木卫二的深深海底时，想要打捞营救可不是一件简单容易的事。

木卫三是木星最大的卫星，也是太阳系最大的卫星，直径约5276千米。离木星有107万公里。它的直径大于水星，质量约为水星的一半。。公转周期约为7天。按距离木星从近到远排序，在木星的所有卫星中排第七，在四大卫星中排第三。它是太阳系中唯一具有磁层的卫星。磁层是星球的远地磁场。它是星球磁场和太阳风相互作用的产物。磁层的外部边界为磁层顶，可以达到离星球很远的空间，是环绕星球最外层的环状圈，所以把磁层叫做超外圈，是星球最外层的圈层。星球磁层区域中所有的带电粒子都被捕获或偏转。木卫三的磁层完全嵌入木星的磁层中。其中的少量磁层与木星的更为庞大的磁场相交迭，从而产生了向外扩散的场线。

木卫三与类地行星构成类似，外壳是硅酸盐岩石和冰体构成，内部则是一个富含铁的、具有流动性的岩浆内核。作为太阳系唯一一颗拥有磁层的卫星，它必须有责任有担当的成为一颗拥有一层稀薄含氧大气层的卫星。大气层中含有原子氧，氧气和臭氧。但是木卫三的大气压只是0。1帕，而地球的大气压是100千帕，可见木卫三的压强只有地球的千分之一。同时原子氢也是大气的构成成分之一。

木卫三的表面温度最高是-151℃，最低是-251℃，平均温度是-174℃。由于木卫三拥有强大的星球发电机效应磁场，且磁场被木星磁场覆盖，木卫一在自转时，在木星引力和木卫一、木卫二、木卫四从不同方向产生的潮汐力和星球内部发电机效应磁场的共同作用下，使得木卫三的地核被加热。也有可能加热星球，熔融星球内部的水冰形成液态水，在木卫三表面之下200千米处存在一个被夹在两层冰体之间的液态海洋。

木卫三表面存在两种主要地形。其中较暗的地区约占星体总面积的三分之一，古老的冰层表面密布着撞击坑，地质年龄大致有40亿年之久，为太阳系形成初期陨石雨大轰炸所遗留的的痕迹。由于木卫三冰层很不活跃，这些陨石坑还能保持远古时期的模样。其余地区较为明亮，纵横交错着大量的槽沟和山脊，其地质年龄较前者稍小。明亮地区的破碎地质构造的产生原因至今仍是一个谜，有可能是木星以及周边三颗其他伽利略卫星的潮汐引力所导致的构造活动，产生星球内部热泉效应所致。形成时间约为995年至2000年。

该卫星有一个独立于木星磁场之外的、长期存在的、其本身所固有的磁矩，其磁极正对着木星磁场。磁层的北磁极位于轨道平面之下。由这个长期磁矩创造的偶极磁场在木卫三赤道地区的强度为719±2纳特斯拉，超过了此处的120纳特斯拉的木星磁场强度。木卫三赤道地区的磁场正对着木星磁场，这使其场线有可能重新聚合。而其南北极地区的磁场强度则是赤道地区的两倍，为1440纳特斯拉。这个长期存在的磁矩在木卫三周边周划出一个空间，形成了一个嵌入木星磁场的小型磁层。木卫三是太阳系中已知的唯一一颗拥有磁层的卫星。其磁层直径达4～5RG（RG=2，631.2公里）。在木卫三上纬度低于30°的地区，其磁层的磁力线是闭合的，在这个区域，带电粒子均被捕获，进而形成辐射带。磁层中所含的主要离子为单个的离子化的O+氧原子。而在纬度高于30°的极冠地区，磁力线向外扩散，连接着木卫三和木星的电离层。在这些地区已经发现了高达数十甚至数百千伏的高能电子和离子。

木卫三磁层和木星磁场的相互影响与太阳风和地球磁场的相互作用在很多方面十分类似。如绕木星旋转的等离子体对木卫三逆轨道方向磁层的轰击就非常像太阳风对地球磁场的轰击。主要的不同之处是等离子体流的速度——在地球上为超音速，而在木卫三上为亚音速。由于其等离子体流速度为亚音速，所以在木卫三逆轨道方向一面的磁场并未形成弓形激波。除了其本身固有的磁层外，木卫三还拥有一个感应产生的偶极磁场，其存在与木卫三附近木星磁场强度的变化有关。木卫三的感应磁场和木卫四的以及木卫二的感应磁场十分相似，这表明该卫星可能也拥有一个高电导率的地下海洋。由于木卫三的内部结构已经是彻底的分化型，且拥有一颗金属内核，所以其本身固有的磁层的产生方式可能与地球磁场的产生方式类似：由内核导电物质运动基于星球发电机效应的产物，木卫三的磁层也是由这种内核的液态导电硅酸盐岩浆的对流运动的星球发电机效应所产生的。

木卫四是木星的第二大卫星，同时也是太阳系的第三大卫星。它的直径为4800公里，和直径4878公里的水星几乎一样大。星球表面温度为-155℃。木卫四由40%的冰与60%的岩石或铁组成。这颗距离木星距离木星最远的卫星，具有古老结构的表面地貌，如同月球和火星上的高原一样布满了环形山。是在太阳系中所观察到的星体中，古老地表环形山最多的一颗。木卫四主要的地质特征包括：多环结构、各种形态的撞击坑、撞击坑链、悬崖、山脊与沉积地形。较小的撞击坑普遍消失，许多冰塔状地形是遗留下来的痕迹。由于木卫四上没有任何板块运动、地震或火山喷发等地质活动存在的证据，所以这种地质特征应该是陨石撞击所造成的。这些在太阳系形成初期，受到太阳巨大引力吸引进入太阳系内圈的大量陨石轰击下形成的陨石坑、环形山体系经历了漫长的四十多亿年的岁月，仍然被很好地保留了下来。除偶然的新撞击之外只有很小的变动。

木卫四是距离木星最远的伽利略群卫星，距离木星约188万公里（是木星半径——71398公里的26.3倍），比之距离木星次近的木卫三的107万公里远很多。所以并不和伽利略群的其他卫星形成轨道共振关系。木卫四不参与轨道共振，这意味着它永远都不会产生明显的潮汐热效应，而潮汐热效应是星体内部结构分化和发育的重要动力。和大部分的卫星一样，木卫四是一颗同步自转卫星，即木卫四的自转周期等同于其公转周期，约为16.7个地球日。

木卫四处于木星磁层圈内，由于轨道较远，较之内层的其他卫星，木卫四表面受到木星磁场的影响较小。在木星磁层的保护下，存在一层非常稀薄的大气，主要由二氧化碳构成，成分还包括一些氧气，木卫四的大气层顶端还有一个活动剧烈的电离层。这个电离层是由木星四周气体和尘埃圆盘的吸积作用而缓慢形成的。由于木卫四形成过程缓慢且缺乏潮汐热效应，所以内部结构并未经历快速的分化。木卫四内部的热对流在形成后不久就已经开始，这种对流导致内部结构处于不完全分层状况。木卫四遭受过猛烈轰击的表面之下是一层厚度在80～150公里之间的寒冷、坚硬的冰质岩石圈。置于木星多变的磁场中的木卫四就像个理想的导电球体，磁场无法穿透到达星球的内核，这表明在星体中存在着一层厚度至少达到10公里的高电导率液态物质。这个高导电液态物质有可能是在木卫四地壳之下50～200公里深处存在着一个导电的咸水海洋，或者是液态导电硅酸盐岩浆层。岩石圈和假定的海洋之下的星体内部可能既不是质地均匀的整体也不是完全的分化型。而是由被压缩的岩石和冰体构成，随着星体自转和密度惯性作用下，随着深度的增加，岩石的比重也逐渐加大。在星体的中心可能存在着一颗不超过600公里的小型硅酸盐内核。

木卫四表面的地质年龄十分古老，它同时也是太阳系中遭受过最猛烈轰击的天体之一，其撞击坑密度已经接近于饱和：任何新的撞击坑均可能覆盖于旧的撞击坑之上。木卫四上的大型地质构造相对简单：这里没有大型的山脉、火山或其他内源性构造特征。撞击坑和多环结构以及裂缝、悬崖和沉积地形是该星体表面发现的为数不多的几种大型地质构造。

木卫四表面能够被分成数种不同的地质单元：撞击坑平原、较明亮的平原、明亮而平缓的平原以及由多环机构和撞击坑组成的多类地形单元。撞击坑平原覆盖了木卫四的大部分表面，是古老岩石圈的典型代表，其构成物质为冰体和岩石的混合物。明亮而平缓的平原覆盖的区域较小，常出现于沃尔哈拉撞击坑和阿斯嘉德撞击坑的山脊和槽沟地带中，撞击坑平原中的孤立斑点地带也属于这种地形。哈尔撞击坑及其**拱形结构。塌陷地形和瘤状地形通过各地质单元所覆盖的撞击坑的密度，人们可以推断出它们的相对年龄：撞击坑分布密度越大，该地质单元相对年龄越大。但是它们的绝对年龄却还无法确定，不过根据理论预测，撞击坑平原的地质年龄被认为长达45亿年，几乎可以追溯到太阳系的形成时期。多环结构和撞击坑的地质年龄则取决于其所在区域的撞击坑密度，由此得出的估计年龄从10亿年到40亿年不等。

一般的观点认为有可能在木卫四表面建立一个基地，从而为太阳系更深空间的探索提供燃料支持。在木卫四上建立基地的好处在于它的较低辐射影响和地质上的稳定性。同时它还能为进一步探索木卫二提供便利支持，也是在木星系中设置前往更远的外太阳系空间飞船的维修站的理想地点——在离开木卫四之后，飞船可以通过近距离飞掠木星获得重力助推。

综合伽利略群四颗卫星的状况分析，我们可以得出一个有趣的结论，在形成时所处环境相差无几的四颗卫星上，由于与木星的距离远近，分别呈现出不同的面貌。

距离木星最近的木卫一，由于承受木卫二、木卫三共同的潮汐引力与木星引力对抗，产生100米幅度的扭曲变形，这种星体扭曲变形产生的热能过早的将木卫一星体内部的冰质水分蒸发，只留下硅酸盐岩石和硫化铁的固态星体成分，所以木卫一的星体密度是最高的。

木卫二处于潮汐引力区的第二位置，木星方向同时受到木星和木卫一的引力牵引，在背面只有单一木卫三的引力牵引，所以双向撕扯的程度远远不及木卫一。所以星体在潮汐引力牵引下扭曲的幅度也远小于木卫一。这种扭曲产生的热能足以将星体内部的冰岩熔融，形成液态水的内部海洋。在这种潮汐锁定的扭曲中，木卫二的冰壳是不稳定的。所以在特定轨道位置时，会出现冰泉喷发现象。

木卫三同样也受到潮汐锁定引力的影响，也产生了一定程度的星体扭曲，这种只有单一方向的潮汐牵引，所产生的星体扭曲幅度很小，并不会造成整颗星球冰壳不稳定现象，但足以使得木卫三发展出完全分层内部结构的程度。这就是木卫三冰层表面依然能够局部保留四十多亿年前的陨石坑的缘由所在。由于单方面的潮汐锁定引力影响。在木卫三的另一些局部冰层表面也存在着一些较新年代的变化。

不走运的木卫四，由于远离木星，并未受到潮汐引力牵引的影响，星体发展表现出如同天王星海王星这两颗冰巨星诞生过程类似的不完整演化。就连星体内部的正常分层结构都没能完成。还保持着局部岩石和冰块混和结构状态。由此可见，行星卫星类天体的演化进程是需要有一定的温度条件的，没有足够的温度条件助推，过早冷却使得演化过程被中断，产生出来的星体只能成为一个“半成品”。木卫四显然不幸的成为了这样的一颗“半成品”卫星。

也许那颗已经被木星引力拉入木星引力圈后被其他小天体撞击只剩下星核残余的木卫五，当初形成时也和这四颗伽利略卫星是相同的状况。只不过由于其身处距离木星较近的位置，而被木星引力牵引堕入木星的引力圈惨遭毒手的吧。

根据这些资料，大家仔细的分析了各种利弊情况。特别在对几颗伽利略卫星的状况进行了详尽的额分析后，总结归纳了有关木星体系，特别是卫星群开发利用的建议意见，整理出这份《木星开发调查报告》提交《太空探索理事会》研究，用以在对木星开发是决策的参考依据。根据这份调查报告所列举的详尽计划，人类对木星开发的投入将远远超过火星，同样这种更大规模的投入所能获得回报也是惊人的。在这份报告所列举的有关科研领域的研究探索部分就囊括了空间科学领域里的各种学科和技术分类。太空天气、太阳风、空间物理、天体力学，电磁学、磁流体力学等等。

空间科学是研究发生在宇宙空间的物理、天文、化学和生命活动等自然现象及其规律的科学。空间科学与天文学、地球物理学等学科有着悠久的历史渊源，但作为一门独立的综合性科学领域，是在空间技术有了巨大的进展、人类开创了空间时代的条件下，才形成和发展起来的。

空间科学按照研究对象及研究手段进行学科分类，主要有：空间物理学、空间天文学、空间化学、空间地质学和空间生命科学等学科。

空间物理学主要研究发生在太阳、地球空间范围内的物理现象的学科。它的研究对象，包括太阳，行星际空间，地球和行星的大气层、电离层、磁层，以及它们之间的相互作用和因果关系。

空间天文学的诞生，使天文学又出现了一次大的飞跃。所研究的星空迥异于地面光学和射电天文观测到的星空。可以说，现代天文学的成就，很多都与空间天文学的发展有关。它改变了对宇宙的传统观念，对高能天体物理过程、恒星和恒星系的早期和晚期演化、星际物质等的了解，加深了对宇宙的认识。

空间化学的研究发生在空间的化学过程、宇宙物质的化学组成及其演化的一门学科，又称宇宙化学。在地球大气层和行星大气层中，有着复杂的化学过程，包括光化学反应过程。

空间地质学是研究行星、卫星、小行星以及彗星等天体的物质成分、结构，以及形成和演化历史的一门学科。太阳系其他行星如金星、火星、水星的土壤、岩石、矿物等进行了综合研究，编制出这些行星地质图和构造图。使得人类对金星、火星的探测更近了一步。将不限于对它们的表面的了解，如地形、山脉、裂谷、火山、峡谷和土壤分析等。空间地质学还是一门年轻的正在发展学科。

空间生命科学是研究在宇宙空间的生命现象和探索地外生命、地外文明的一门科学。在空间时代，人和生物在宇宙空间的活动成了现实。但是，生命在宇宙空间长期生存，就有着需要研究的科学问题。比如说在前面提到过的那只准备和周边人们决斗的大公鸡。

在科学方面，空间科学的发展将使人类对地球周围环境及其变化规律和机制有更加深入和全面的了解，从而使对日地物理现象能作更加可靠的预测；同时，将对天体物理现象、恒星和宇宙的演化、元素的起源、生命的起源等最基本的科学问题，得到启发，加深认识，为下一次科学上的飞跃做出贡献。