Deep Dive
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了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话咱们上文书讲到这个伽利略号终于到了木星了它释放了木星大气层探测器对木星的大气层进行了探测传回的数据都被伽利略号给记录下来了然后再慢慢的传回地球
偏偏这个伽利略号三灾八难实在是太多它这个记录装置又出问题了这个 NASA 对新技术比较保守它总是不太放心当时采用的设计方案和元器件都比市场上最新潮的东西要落后的多差不多要落后十年像 90 年代当时计算机上已经有机械硬盘了但是 NASA 就没敢用
因为这个机械硬盘对于震动的耐受度并不好它磕磕碰碰的容易坏因此呢这个 NASA 还是采用磁带机作为储存设备不是小时候听的那个录音机那个磁带啊是一种大号的专用的盘式磁带
这种大号磁带机大概可以录制 114 兆的数据那个小录音带你要把它当成储存装置来用的话也是可以的容量只有 600K 左右到现在为止这个磁带的容量多半要比磁盘还要大得多
但是它使用起来不太方便它老要捣通那个袋子捣来捣去的就比磁盘要麻烦多了但是它作为备份是一个很好的备份材料不过呢话又得说回来如果这个伽利略号的高增翼天线工作正常的话那么所有的数据都是可以及时的传回地球的磁带机存不存也就没有那么重要了但是偏偏现在这个高增翼天线它就不工作了
所以很多数据都得先存在这个磁带机上然后选择其中最有价值的数据传回地球磁带机就成了一个非常关键的部件偏偏就在这个节骨眼上这个磁带机它卡带了
要不说这个磁带机使用起来特别麻烦呢一路之上啊为了防止这个磁带粘连呢那个磁带机经常要开机倒腾一会儿啊这个倒倒袋子从这边卷到那边从那边卷到这边啊就是为了防止它全粘上在靠近木星的时候这照相机就开机了就开始拍摄大量的照片往这个磁带机上存啊
记录完了以后呢你把这些数据读出来的时候啊他先得倒袋子倒回去然后再播放这样的话数据才能被再次取出来偏偏这时候倒袋子他居然没法倒到磁带子头上那刚才头上排那一截我就读不出来了
这个伽利略号探测器的轨道非常特殊它并不是老老实实的绕着木星表面转圆圈圈它走的是长椭圆轨道因为它要研究木星的磁层结构它必须是搞这种深入浅出离一会儿靠近一会儿离远这个长椭圆轨道是最合适不过了同时伽利略号还要拜访木星的几颗大卫星所以时不时就要变轨
所以这个伽利略号就要经常穿过木星的辐射带也就是高能粒子最多的那些地段这些高能粒子对探测器是有损伤的另外呢这个伽利略号探测器甚至还碰上了一场沙尘暴有人提怪这太空里头怎么有沙尘暴呢当时呢伽利略号距离木星啊有 6300 万公里原本周围的环境啊那都是高度真空
平均下来每三天才能遇到一个尘埃粒子由此可见这个太空里边有多干净啊
但是靠近了木星以后吧这事就不对劲了这粒子就开始急剧增多每天能参测到两万多个而且粒子的尺寸大概就是 5 到 10 纳米的样子这种粒子跟什么差不多呢就跟那个香烟那个一飘出来的烟雾颗粒差不多大小了而且这片烟尘区范围还挺大这伽利略号飞了好几个月才穿出了这片尘埃云
这片尘埃云到底是怎么形成的为啥就没有被木星强大的引力所吸收呢这个还有待研究
当然了这些尘埃颗粒对于伽利略号的电子元件它也是有损伤的后来呢这地面上的工程师就开始拼命的找 bug 这磁带它怎么就倒不到头呢后来发现是一个发光二极管出毛病了这个发光二极管的材料呢是生化胶这个东西对于带正电的质子非常敏感如果遭遇到大量质子的攻击就会导致半导体的内部结构产生缺陷
它的发光就会减弱你要知道啊这个磁带盘子到底转了几圈它现在转到哪个角度其实就是用一对光电器件在读取编码轮大家不信拆开鼠标看看你看看中间那个滚轮是怎么回事那滚轮中间就有一圈镂空的小格子你转滚轮的话呢这格子就会来回遮挡光束就形成了时段时序的脉冲信号这个脉冲信号就是同步编码
现在就是磁带机上的光电器件出了毛病了如果说是这个器件出了毛病你该怎么办呢你又没有办法上去修对吧工程师就只能让发光耳机管常亮就是烤机咱先烤上来一个钟头这些热量就有助于修复半导体材料的缺陷然后关灯冷却就这么一会冷一会热来回循环 100 个小时
这时候这个发光管就能够正常工作一个钟头然后呢它就又不行了你要让它行的话你就得再折腾一百个钟头就这样就靠这种循环慢慢把这个磁带头上那点数据终于给读出来发挥了地球你费这大劲呢
所以你这么干实在太麻烦太耽误事了最后 NASA 决定这个头尾那截磁带咱就不用了咱惹不起还躲不起呢这个地面人员就写了个程序就控制磁带机那个盘子绕了 25 圈磁带
咱们以后写数据就从这开始往后写头上那 25 圈的磁带咱就不要了这个问题算是凑合着解决了这些大气数据就保存在这些磁带上然后用那个可怜的低增异天线一点一点发挥地球
从地球到木星啊这个无线电波走一趟都得花 37 分钟延迟很大等到数据传回去以后呢科学家们就开始对这些数据进行分析了然后呢磁带上的数据就可以洗了啊这个磁带要重复使用的
根据发回来的这些数据大家就发现有很多事情跟以前大家预料的完全不一样总而言之就是探测器观测到的闪电和水气比预期的少但是风力比预期的更强
科学家们原本预期木星上的风速最高可以达到 350 公里每小时但实际检测到的风速最高达到了 530 公里每小时这就意味着这些强风它并不是由阳光产生的热量驱动或者是由水蒸气凝结导致的热量驱动它的热量是来自于木星的内部
木星的质量很大达到了 318 个地球质量但是它的密度却很低它的直径是太阳的 10%质量大概是太阳的千分之一由此可见太阳的密度和木星是差不多的只不过太阳足够大它内部可以产生核反应这木星太小了里边它点不着
那么木星内部的这个热量它是怎么来的呢其实就是靠木星的收缩木星的直径要是每年收缩两厘米内部产生的热量就比从太阳获得的热量更大了说实话这个木星土星天王星海王星这四颗巨型气态行星呢
离太阳实在太远了他们从太阳那收获的这个热量实在是没有多少他们主要还是靠自身的收缩来产热这是一个普遍规律根据发送回来的探测数据这个木星大气之中含有氨和硫化氨但是氨和硫化氨的云层比例比以前预期的要稀薄很多而且他们也没能检测到水蒸气云不过
不过呢这也是首次在另一颗大行星之中观察到了安云
这个木星大气从深层上升的物质就形成了氨的冰颗粒木星上的云层可能都是由这种冰颗粒组成的而不是小叶滴咱们地球上的高层云其实也是由微小的冰晶构成的当然我们要搞清楚一点你千万别觉得这些冰颗粒很冷木星大气内部的温度是一点都不低纯粹是因为外界压力太大所以才导致这些氨气变成了固体
正因为木星的内部它自己也产热而且比太阳提供的热量更多所以有很多现象是出乎大家预料的比如说顶层大气的热量主要还是来自于太阳而且顶层大气也比较容易测算所以它最外层风速达到了 290 到 360 公里每小时和以前的预计速度是差不多的
越往下走木星大气的压力就越大在 1 到 48 的这个压力层上它的风速就开始急剧上升了稳定的保持在每小时 610 公里的高水平再往下这个风速呢就不随着深度变化它始终保持着大概是 610 公里的速度为啥内部风速这么快呢就因为里边冒出来的热量更多
另外木星大气之中包含的氮 碳 硫这些比较重的元素的风度是太阳成分的三倍这些玩意儿到底是从哪来的呢我们认为木星和太阳差不多是在同一片气体云之中诞生的这个成分应该大家都是大差不差的这种差异是怎么造成的呢当时就有科学家质疑啊
是不是有什么其他天体被这个木星给吞了就导致木星这些重元素超标呢那这可就没准了啊天知道太阳系刚诞生的那些年里头究竟发生了些什么事那个时代呢木星估计的尺寸呢要比现在大两倍后来呢它慢慢收缩慢慢收缩就变得越来越小了
对了咱们还得说一句啊当时这个伽利略号扔下去的这个大气探测器检测到的水分是很少的因为水分很少所以水形成的云层也很少因此这个闪电比预计的也要少那这就很奇怪了你想啊这个彗星撞木星啊这事不是刚发生过吗是吧这个木星遭到彗星撞击的概率比地球高了 2000 倍啊
如果彗星是一个含有大量水分的脏血球这几十亿年下来得有多少脏血球撞到了木星里边那些水分肯定都留在木星上面了吗是吧它水分按理说不会少啊那这么些水分都跑哪去了这不对劲呢所以当时的科学家们感到非常奇怪因为呢一直有一种学说就是说彗星给地球带来了大量的水
那现在这个理论是不是出问题了呀但是后来这件事又反转了木星大气缺水这个结论后来被推翻了这可能是伽利略号扔下去的那个大气探测器刚好飞到一个含水稀少的这个层级它就被压扁了于是爆回来的数据就是这么一个半拉子数据
后来的朱诺号探测器就推翻这个结论了不过这是后话我们讲朱诺号的时候再讲这一点不过呢还有另外一个现象更加奇怪那就是木星上的稀有气体比如说亚呀克呀仙呀这种惰性气体它的风度高达太阳含量的三倍
你要知道啊这几个神仙是真的不好请这木星如果要捕获这些气体的话它当时的温度就必须比现在的温度低得多大概是零下 240 度那这个现象又说明什么呢
要么就是当年木星距离太阳更远它没这么近那儿比较冷等它长得这么大以后它晃晃悠悠的再往前凑它凑到现在这么近的距离上或者是太阳系在刚形成的时候它没这么暖和当年的温度比现在要低得多不管是哪个答案太阳系的演化史肯定是要重新改写的
因为这个伽利略号走了非常特殊的长椭圆轨道所以伽利略号绕着木星转一圈啊它往往要两个月这还不是最夸张的这个伽利略号经常借助木星的大卫星来改变轨道嘛最长的绕行周期能达到 200 天
说实话对于木星这么一个流体组成的球能探测的细节真的不多你往下扔个探测器能把大气层的数据发回来就很不错了但是它的那些固体卫星可以观测的细节就多了很多了木卫一是最靠近木星的一颗卫星了而且它和木卫二以及木卫三组成了轨道共振同时这个木卫二和木卫一都被木星巨大的引力给锁定了都是一面朝着木星
而且这木卫一的公转周期非常之短差不多只有 42 个小时所以它转得这么快那潮汐力和摩擦力就太大了它是地月系的 220 倍你就这么个小家伙内部产生的热量居然是地球的两倍
咱们地球上不是偶尔也有个火山喷发吗是吧这个板块运动它动辄就上亿年但是这种地质变化在这个木卫衣上它简直就是夹成变范它隔三差五就喷一回这个木卫衣表面为啥总是黄灯灯的那颜色真是好看就是因为火山爆发太多喷出来的硫磺太多这个硫磺最后就铺满了表面由此可见它火山爆发有多频繁
这个伽利略号因为它磁带机出毛病嘛因此第一次略过木卫一的时候它就没有安排拍摄照片这不能不说是一种遗憾但是根据地面观测和伽利略号借助木星卫星变轨的这个甩的效果大家就计算出了这个木卫一有一个熔融的铁内核这也算是一大收获了
本来呢这个伽利略号任务只能进行到 1997 年的 12 月 7 号因为地面工作人员他也是要支付工资的是吧你调动深空网络他也是要支付费用的所以这项目不能没完没了但是科学家们不满足啊你这探测器还好好的还好用呢啊工作了很多年了
咱们继续工作下去不好吗所以他们就向上打了报告要求延期嘛当然就改了个名字叫伽利略欧罗巴任务国会的老爷们最讨厌的就是给老项目续命所以起个新项目名字比较容易过审吧这种延期任务这个人员都是要缩减的这伽利略号项目组的人员最后只留下了 20%
不过呢有这点人就够用了好在这个伽利略项目啊他被延期了啊他续了一回命如果不续这回命他的发现就会少掉很多正因为项目续命才有了给穆卫一拍照片的可能性说实话要给穆卫一拍照他是一个非常非常费劲的事因为这距离木星太近了
木星周围的高能粒子辐射带经常会引起探测器整机关机保护在进入了伽利略的续命期之后探测器有了一次接近木尾一的机会 1999 年的 10 月 11 号这个机会就来了结果好巧不巧内存被一颗高能带电粒子给砸了这个程序就执行出错了引起探测器整机进入安全状态能关的仪器都关的差不多了只留下这个遥控通讯模块了
进入这种安全状态通常你要再把它打开还得好几个礼拜才能恢复过来呢这个 JPL 的地面小组就火急火燎的查问题这时候距离略过木卫一只剩下 19 个小时了他们就一直折腾折腾到最后还剩俩小时的时候终于开机启动了这个毛病被解决了
其他仪器其实好不好无所谓照相机好使就行这才有了拍摄几张高清彩色照片的机会这次拍完照片以后又过了一个多月 1999 年的 11 月 26 号这一天正好是感恩节 JPL 的伽利略项目团队正在吃火鸡警告灯又亮了这一次伽利略探测器又被高能带电粒子给砸了这程序又一次出错了但是上次打了一个
所以这个补丁这次起作用了这仪器没有全关掉但是因为这个时间太紧迫了那上次还有 19 个小时的时间呢折腾到最后还剩俩钟头才修好的嘛这次就更惊险了他们折腾到预定拍照时间之前三分钟才修好
当然了提前三分钟拍到他也不算晚这次拍摄还是非常成功的加利略号上的相机就捕捉到了一座正在喷发的火山这家伙产生的熔岩雨流长达 32 公里那规模真是足够大
而且呢它的温度都非常高热量非常明显不但近在咫尺的伽利略号探测器拍摄到了这个壮观的景象就连夏威夷莫纳科亚山顶的 NASA 红外线望远镜也拍到了这个现象
这个木卫一它小它引力也小它喷出去的烟尘能喷得老远比地球上的火山喷发那要高多了地面上的望远镜都发现了一看这木卫一怎么都长毛了呢当然了照相不代表全部这几次探测器上的仪器毕竟没有全部开机所以获得的数据它不是太完整所以
所以 JPR 团队又安排了下一次拍照的任务但是当时木星的位置不太好正好位于和地球距离最远的位置上中间还隔着一太阳所以两边通信就变得特别麻烦因此这个任务必须在几个小时之内就搞定这个拍照倒是全自动化的它按时拍照就行了但是中间又一次遇上了高能带电粒子的辐射
这个程序啊他又重启了这回他不是拍照前处的事啊他是拍到一半都出事了所以这回数据还是不完整瞧了这次那个磁带机啊他也出来作妖了他也出毛病了所以真是屋漏偏逢连夜雨由此可见你给沐卫一拍个照有多麻烦不管怎么说吧啊这个任务没有执行完但是照片还是拍到几张的啊从拍摄的照片来看
本来大家以为啊这地方只有四座火山结果照片上显示出有十四座为啥这次看得这么清楚呢那是因为距离够低这个伽利略探测器是从木卫一表面 198 公里的距离上飞过去的这比某些侦察卫星飞的还低呢
对了最早一次掠过木卫一不是没拍照吗但是通过引力发现了木卫一有一个融化的铁盒那么问题来了有融化的铁盒这个铁盒毕竟会对流啊如果会对流那么木卫一会不会产生磁场呢所以这几次掠过木卫一的任务都重点探测了磁场问题
但是吧这个它距离木星太近了你要从木星的强磁场之中分辨出木卫一微弱的磁场它的确是个麻烦事这非常考验这个数据处理能力最后大家呢还是把这数据给提出来了就发现这个木卫一并没有磁场这是因为它的对流模式和咱们地球是不一样的你并不能说只要有那个液体对流就一定会产生磁场啊这不一定
反正啊对木卫一的探测就是这么磕磕绊绊经常就会碰到这个探测器又进入安全模式了然后探测的数据始终不完整看来呢这伽利略是搞不定了呀还得等未来更好的探测器来拜访了像伽利略这样隔三差五掉链子那不行啊
相比之下呢对木威二的考察就没那么倒霉了这个伽利略号也飞掠了木威二很多次获取了大量的数据但是传回的数据呢就没有那么多了他必须精挑细选嘛
伽利略利用木星或者是木卫一遮挡木卫二的机会探测了木卫二的大气层没错啊这个木卫二是有非常稀薄的大气了大家把数据拿出来一看了不得了这木卫二大气层里头有氧气啊
您先别高兴啊这木威二的大气层氧气含量只有地球的十亿分之一这根本就不可能是生物产生的而是在太阳辐射之下微量的水分子被拆开了变成了单独的氢气和氧气这氢气呢这个留不住跑了最后还残存着一点微量的氧气就这么被探测到了
这个木卫二啊它真的不大它的名字呢叫欧罗巴直径只有 1400 公里很小人家木卫一还有 1800 公里我们以前讲过这个木卫二的表面全部覆盖着冰层这个木星强大的潮汐力作用下呀这个冰层表面到处都是裂纹这都是被这个潮汐力给揉搓出来的但是木卫二的表面几乎就没有什么陨石坑
按理说呢他不应该啊你看左邻右舍啊这个木卫三上冰也很多但是人家都是伤痕累累到处都是陨石坑那为啥木卫二他就这么光溜呢这说明啊木卫二的表面冰层他是经常会更新的但是木卫二上有明显没有那么多的火山喷发痕迹那么这个地表的冰层他是如何更新的呢
咱们地球上它是有板块运动的所以呢大洋的洋底一直在运动这边冒出来那边给蹬下去这个插入地球深处了这个难道木卫二上也有板块运动吗真是这样吗咱们下回再说科学声音