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伍岳明 曹明富合著 谨以此书献给2005——世界物理年！ 木星，我国古代叫其“岁星”，它的体积和质量都是行星中的老大，它绕太阳公转一周的时间基本上为我国阴历的十二周年，它制约着太阳黑子周期与我们人类的关系密切。到目前为止已发现木星有 18个卫星，可算是一个小型“太阳系”。 共旋理论认为木星起源时，应是原始太阳星球共旋起电的电斥力最大一次，它一次性抛射出自己近千分之一质量的大星球及其卫星等，因此木星的 在地球上用望远镜观测木星，非常清楚地看到在扁圆形的面上，有明显的条纹和斑点，每条带纹都与木星的赤道平行。这些条纹中亮的称为带，暗的称为带纹 (照片图9.21)。颜色一般是白色、黄绿色和绿褐色的条纹，它们成为木星的独有标志，这些条纹总是在不断地移动着，像波浪一样激烈翻腾着。人们认为它是木星快速自转而产生的大气环流。 一、木星上条纹形成机理探索 木星上条纹形成机理是什么 ? 木星的快速自转 图9.21 木星上的带纹及大红斑 就能形成条纹的大气环流吗? 条纹的不同颜色说明是由不同的物质构成 ,共旋理论能定量给予说明:据最新观测，条斑的温度比带纹低，运动也激烈得多，且向上涌的白色的云的各个风暴源，几乎无例外地出现在这个条斑带里。是什么原因导之这样的带纹结构。笔者认为主要是木星的共旋梯力及其力矩，以及带有离子的木星大气在运动中也受到强大的木星磁场的洛伦兹力作用和木星的内部热源加热木星大气膨胀上升。几方面共同作用造成的。现分析如下： 图（
9.22）是木星上空的质点受共旋梯形力作用示意图。由木星自转轴中心向四周发出的木星引力波,
对木星上空质点作用的引力梯度（单位径向距离的力的大小）是与质点所处的位置（如纬度
图（ 9.22）木星上空质点受共旋梯力作用示意图。 向木星赤道面的分力,笔者称其为指向赤道面出的共旋梯力 ,其值为:
该共旋梯力会产生一个使木星上空质点(包括卫星 )进动的共旋力矩,其值为:
同时也有一个指向木星自转轴的分引力梯度,产生一个指向木星自转轴的共旋梯力
,其值为: 该力也会产生一个使木星上空质点(包括卫星 )逆进动的共旋力矩,其值为:
从图（9.22）可知:木星上空质点受到一个方向指向木星自转轴心的共旋梯力为 :
木星上空质点受到一个方向与木星自转方向相同的共旋梯力矩为:
将有关数据：木星的质量 将有关数据代入式（9.21）得： 将有关数据代入式（9.23）得： 图9.21 为人们看到的木星大气外层带纹和红斑，其机理我们可用计算机
Mathematia4软件作木星大气质点(1质子质量
)，在其离木星中心距离
（ a） （ b） （c） 图9.23 木星大气质点随其所处纬度高低所受到的共旋梯力大小的二维示意图 , 说明：该图(a)为指向赤道面的共旋梯力
由于指向木星自转轴心的共旋梯力
:
(a) 从 图9.24 木星大气质点随其所处不同纬度所受共旋梯力的大小示意图 从图9.24(a)可见木星大气
1质子质量的质点，其从 造成木星带纹的另一原因是共旋梯力产生的使木星大气质点进动的共旋力矩
,其公式为：
(a) 随离木星中心距离
图9.25 木星大气质点随离木星中心距离
从图9.25(a)可知：在同一纬度，不同高度的力矩基本上等值，所以我们看到木星上一系列与赤道平行的明暗交替分布的条带，其原因就是木星大气系整体一起运动之结果。从图
9.25(b)可知:若 可见纬度 木星大气为什么会有这么多条亮、暗相间，色彩斑斓，绚丽多彩的带纹呢？笔者认为木星大气质点除受到共旋梯力、共旋力矩作用外，木星大气中的带电粒子还受到木星磁场的洛伦兹力作用。 在本章第一节《类木行星有着巨大的内能》一文中认为：类木行星都有一个由金属氢导体组成的内核，随着行星自转均会“共旋起电”，在核面的不同卦面产生不同电荷、形成不同电位；除正负电荷的湮灭产生内部热源及活跃的木星负电荷（电子）向外泄漏，使木星成为一个带正电的准静电球体。因带正电荷的星球逆时针旋转，形成的偶极磁场方向与地球磁场相反。由于星球磁场的大小，与星球自转的角速度成正比，类木行星都有较快的自转角速度，故磁场强度均很大。木星磁场方向对跟随星球自转大气中的粒子影响也很大。 带有电子和离子的木星大气在运动中会受到强大的木星电磁场的作用，带电量
式（9.27）中，
二、木星大红斑形成机理探索。 木星上最引人注目的是显著的大红斑，自从 1665年天文学家卡西尼发现后，直到今日已经300年之久了。 1997年9月美国发射的旅行者1号行星探测器在距离木星 500万千米处拍摄了大红斑照片，可以清楚地看到大红斑的形状。大红斑位于赤道南侧，像鸡蛋的形状，它长 2万多千米，宽1.1万千米。在这个蛋形的红斑范围内，可容纳得下 3个地球。红斑比周围云层顶高出8千米。气流中含有红磷化合物，沿着逆时针方向旋转，是一股强大的气旋风暴，相当地球上的龙卷风。而且，大红斑如此巨大的旋涡以每秒 100米以上的速度运动，6天为一个周期，进行逆时针方向旋转，并缓慢地向西移动。人们也发现红斑不但大小有变化，而且颜色也在变化，它有时浓艳，有时暗淡。由于木星大气又厚又浓，所以大红斑寿命很长。除大红斑外，木星上还有一些较小的红斑。它们经常发生变化，甚至有时消失。 “大红斑”是什么原因造成的呢 ?在先驱者“10号”与木星相遇以前，认为是由于木星表面的高山或凹地上形成的一种驻波而出现的涡旋现象 (称为泰勒柱)。这个假说的一个弱点是它无法解释在上一个世纪中，大红斑沿经度方向徘徊的距离长达木星周长的几倍。而且，由于我们相信，当今木星的主要部分是液体，不会有高山或凹地，所以泰勒柱假说看来不能成立。 从“先驱者”号飞行发回的信息揭示，发现木星白昼一侧和黑夜一侧的温度相同，揭示了木星大气的热容量很大；同时也揭示木星有内部热源，木星辐射出的热量是它从太阳接收到的热量的两倍多。因此，共旋理论认为：共旋梯力、及其力矩和洛伦兹力是形成寿命如此之长的木星红斑的主要因素。
因木星是由金属氢组成的右旋的星球，所以木星的电磁场与地球电磁场极性相反，地球是带负电的、偶极磁场是南为
N北为S
的星球，则木星是带正电的、偶极磁场是南为S
北为
N的星球。包围木星的大气应带负电荷为主。木星的电磁场对运动带电粒子的作用力既有电场力又有磁场力，木星电场力将带负电的电子吸附在木星周围，而木星的磁场力又将电子从木星周围发散出去。同理，木星电场力将带正电的离子从木星周围发散开去，磁场力又有一个将带有正电荷的离子气体向磁赤道面靠拢的趋势。自转运动的含带电粒子的木星大气受木星磁场的洛伦兹力作用力，其随磁纬度的减小而减小。因此在磁赤道面上会聚集大量的带电粒子。（见图
9.26 木星大气质点受
木星电磁场的洛伦兹力示意图）。在木星赤道面内飞行的“先驱者
10号”飞行器证明
图9.26 木星大气质点受木星电磁场的洛伦兹力示意图 则几乎下降到行星际的值。在洛伦兹力的作用下，带正电的离子气体向磁赤道面靠拢的过程中，会与部分电子结合成各种分子，会形成各种“微粒”， 这些“微粒”是形成行星光环的基本物质。在木星赤道面上，其受指向赤道面的共旋梯力为零；在磁赤道面上受磁场方向的洛伦兹力也为零，由于木星磁轴与自转轴有一个 10度弱的夹角。木星磁赤道面与自转赤道面不重合，因此木星虽有光环，却又薄又暗而且只有靠近木星的轨道上才有。所以直到人类派出的行星探测器时才发现。带有正电荷的重离子在木星磁赤道面上，在重力作用下向低层运动过程中，会与部分电子结合成各种分子如红磷化合物等，木星大红斑有艳丽的色彩可能
图9.27 大红斑及其形成示意图 与此有关。图9.27
为大红斑及其形成示意图，在木星地理赤道面上,
因 其位处北半球的 三、木星上射电辐射成因探究 木星除了反射太阳光而外，还以射电波的方式向太空散发着它自身的辐射。这是由富兰克林（ K.L.Franklin)和布尔克（B.Burke)二人会同美国开尔尼治研究所于 1955年发现的。这一发现开拓了一门崭新的学科—行星射电天文学，并为我们提供了一种探测太阳系秘密的新式工具。自1955年起，即对木星作了深入细致的研究，不仅使用了射电望远镜，而且投入此项研究的光学望远镜也日益增加，其目的就是使尽可能多的观测资料得以相互比较与印证。 木星上具有两种基本不同的射电辐射：一是波长在 3— 68厘米之间的微波，另一是波长在10—50米之间的十米波。十米波段就是通常所说的频率在每秒 5— 25兆周的频段。木星上的微波射电源并非位于木星表面，而是分布在一种辐射带上，这种辐射带与地球外围的范 ·阿伦辐射带相似。木星周围的辐射带的存在就证明了木星具有磁扬，而且其强度远远胜过地球的磁场。木星辐射带向外伸延 130000英里之遥，甚至连木卫五都包笼在内（木卫五是发现的第五颗木星的卫星，其轨道比伽里略发现的那四颗卫星更靠近木星）。射到地球的十米波比微波还强，故较易于研究。在这种波段中，不仅有延续数秒的爆发，而且还发生维持数小时之久的“噪音暴”。研究十米波段的一个困难是地球大气会使之产生闪烁现象，即如同夜空的星光闪烁一样。将两架射电望远镜分别安装在相隔 40英里的两地进行观测。所得结果就完全不同。每架望远镜虽然都可拾到爆发型信号，但接收的信号之间却无任何联系。这就再次要求应把望远镜带到大气之外来进行观测。现已探明，十米波和木星表面的联系较微米波更为密切。实际上，十米波呈现的周期大致接近于木星的自转周期。这种射电波似乎是由木星上某些确定地区发射出来的。因为木星的自转周期依赖于纬度，故以前曾找到了两种目转周期。头一个称作系统 I，是指赤道上的自转周期。9小时50分又 30.003秒,其二叫系统II，和木星赤道之外的部位有关，周期值为 9小时55分又40.632秒。现在用十米波测定的周期等于 9小时55分29.37秒，称为系统 III。1964年发现，十米波段的射电爆发和木卫一（从里向外数第二颗木星卫星）的运动之间存在一种难以理解的关系。木卫一从地球看来处于木星的某一侧时，十米波段的射电爆发就极易发生，而转至另一侧时则否．对这种关系的实质目前学术界认为尚毫无所知，有待干作更广泛的实际观测和理论研究。但是共旋理论试图解释这些现象。 共旋理论认为：木星的金属氢核共旋起电产生很大的电场和磁场，木星上很强的射电辐射局限于两个比较宽的波段，即分米波辐射和十米波辐射。分米波辐射的主要成分是热辐射，它具有连续频谱和随机偏振，这些成分不随时间变化，是由整个木星圆面所辐射的。然而，在分米波辐射中有相当一部分，是由非热致机制造成的，与木星的磁场有关。它由在磁场内接近光速运动的电子发射的同步加速辐射所组成。是高能电子沿着磁力线在两极极间作螺旋线路径运动时，辐射出其能量的一部份。因而木星上也有极光。 由于十米波辐射是间歇的，它的强度受到伽利略卫星中最里边的一颗，即木卫一的调制。当木卫一处于地球木星连线处的某一固定位置时，辐射强度会增大。其机理应从木卫一说起。 木卫一是离木星较近的卫星平均距离为 42万千米。木卫一的半径为1810千米，从质量、大小和距离木星远近来说，都与地球的月亮十分相近。但木卫一绕木星公转一周仅用 1.75天，要比月亮绕地球一周块15倍，木卫一具有较高的速度旋转，其原因是木星比地球具有更大的质量。当原始太阳星球共旋起电的电斥力抛射出木星以后，快速旋转的原始木星共旋起电的电斥力更大，将表层粘稠度较高的物质抛射出木星星球 ,出现一系列卫星。视卫星的
(a) (b) 图9.28 木卫一上的火山喷发及火山喷发机理示意图 半径大小及卫星被抛射时“蝌蚪尾巴”的位置。决定了卫星不同的自转速度和自转轴方向。木星的卫星有类地行星的特征。从木卫一的照片上看，有悬崖、有峡谷、有小山和硫积物等，还发现有
9座火山，它们仍有着十分剧烈的火山喷发现象。火山喷发高度为70—
300千米，喷发速度平均每秒1000米。火山喷发的壮观景象远远超过地球上火山喷发时的景象，这也是太阳系中最活跃的，最壮观的景色
,见图9.28 (a)。这说明木卫一也有一个旋转的金属导体内核，木卫一的共旋起电会产生了电场和磁场，由于它的自旋方向与地球一样
,会产生与地球一样的偶极磁场。又因木卫一与有金属氢内核的木星自旋方向相同，所以它们产生的磁场的极性相反。可以认为木卫一的磁轴磁力线方向与通过该处的木星磁力线方向一致，事实上木卫一的极区磁场得到加强，见图
9.28(b)。当木卫一在强大的木星磁场中公转时，木星不仅对它有万有引力，而且有与引力同方向的洛伦兹力
另据中国公众科技网报导，当 Ulysses太空探测器从木星旁边飞过时，借助于DUST仪器记录从木星向太空喷溅的尘埃流。这是一种非常细小的尘埃，其颗粒大小不超过煤烟颗粒大小。尘埃源来自木星卫星之一木卫一上大量喷发的火山，这些尘埃颗粒是带电的，因此它们会偏离木星磁场，在电磁力作用下被推入星际空间中，并且是非常遥远星际空间。这就说明与地球一样的木卫一的火山喷发，喷出的粒子是带有电荷的。使共旋起电理论得到进一步的证实。 木卫一是与地球一样的带负电荷星球，木卫一周围会聚有负电荷。我们知道带电粒子沿圆形轨道作回旋运动时，会产生回旋电磁辐射。电子围绕磁力线回旋时具有向心加速度，不断辐射出电磁波。回旋辐射频率基本上就是电子的拉摩频率，计算公式为：
则： 因此木卫一上的电子沿着木星和木卫一的磁场磁力线作回旋运动时会产生十米波回旋辐射。在地球上进行检测时，当木卫一处在地球木星连线处某一位置时，能接收到产生 10米波的电子数(因在一条直线上)肯定最多，所以辐射强度会增大。当“先驱者 11号”从通过木卫一的磁力线中飞过时，它遇到了可以说明射电辐射起因的数量大，且能量高的电子，证实是木卫一上的电子的拉摩运动产生 10米波的回旋辐射。 |
伍岳明 （wuyueming001@hotmail.com） 上传2007.09
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、距离等）有关的。指向木星赤道面的分引力梯度会产生一个指
(9.21)
(9.22)
(9.23)
（9.24）
(9.25)
(9.26)
；设大气某质点的单位质量以质子质量计算
,即:
；引力常数
；等代入有关公式，来比较四个方向的运动：
=
；
=
；
米处(即木星浓密大气外表层
)作图9.23木星大气质点随其所处纬度高低所受到的共旋梯力的大小的二维示意图来
随纬度的增高所受到的力增加情况；图
(b)为指向自转轴的共旋梯力
随纬度的增高所受到的力减少的情况；图
(c)为指向赤道面的共旋梯力和指向自转轴的共旋梯力随纬度的增高所受到的力的大小，在同一图中的比较情况；从图
(c)中，反映出在纬度为
时，指向赤道面的共旋梯力和指向自转轴的共旋梯力大小相等，这二个力的合力指向木星的球心。
米至
时，指向木星中心的共旋梯力最大
,在赤道面与两极就小一些，大气质量越大所受共旋梯力越大。在地球上，该合力可能就是造成副热带高压带的主因，在木星上该合力就会造成木星大气随大气的不同构成、随纬度高低一分成四，也就是说从共旋梯力角度考虑会使木星大气带来四条带纹。
；木星快速自转而产生的大气环流的转动速度会因共旋梯力矩的大小不同而不同
,木星大气质点会随其离木星中心距离
的大小不同和随所处纬度高低不一
,其所受到的力矩大小也不同,因而转动速度也不同。用计算机
Mathematia4软件作木星大气质点随其离木星中心距离
）的变化和离木星中心距离
相同高度随所处纬度高低所受到的力矩大小变化的三维等值线图。（见图
9.25）。
处时有逆动（向西）的最大值：
牛顿米；当质点处在纬度
处有进动的最大值： 
牛顿米。可见使木星大气进动和逆动（逆转）的共旋力矩作用都很大，与共旋梯力相比数值相差
7个数量级(即相差一个木星半径的数量级),是该力矩造成木星纬度
，以速度
运动的带电粒子，受到的洛伦兹力为
：
；
（
9.27）
为木星的电场强度、
为木星的磁场强度、
为木星磁场的磁纬度。自转运动的带电粒子的木星大气
,其运动速度为:
;不同的带电粒子,带电量不同,质量又不同
, 受木星磁场的洛伦兹力也不同,又会使木星大气的每条带纹一分为二，使带纹更多。木星大气中的带电粒子是如何受木星电磁场的洛伦兹力作用见木星大红斑形成机理。
，高能电子流的温度在磁赤道附近很高，但在其他区域
,
所以指向赤道面的共旋梯力
。因此：假若木星自转轴心与磁轴轴心重合在一起的话，木星大气会有二个点
(磁赤道面与自转赤道面的交点
)上，其
指向赤道面的共旋梯力及其力矩和洛伦兹力均为零。按理木星大红斑应在此二点附近，而且木星上应该有二个大红斑。但是木星的磁轴中心偏离木星自转轴中心
(也是行星中心)
约十分之一个木星半径。造成偏离的原因是木星密度较大的金属氢核，受太阳的影响：其一是太阳引力影响，经计算木星核受太阳引力是土星引力的
2428倍；其二是太阳风影响。使木星重心偏向南半球。木星绕太阳公转速度很慢，所以磁轴相对自转轴方位相对不变，因而由
共旋梯力及力矩和洛伦兹力共同作用以及在木星大气热对流过程中，产生了木星气旋大红斑。由于纬度近为零，
共旋梯力
及力矩和洛伦兹力都为零，故大红斑能长期得以保存。
(正电荷物质)，引发的火山喷发景象其场面之壮观，在太阳系中首屈一指是理所当然的。
；式中
为电子的质量；
为电子的电量，其值为：
；代入得：
(赫)；磁场强度的单位是特斯拉。我们知道木星磁场强度有
10高斯的数量级，木星在木卫一公转轨道上磁场强度肯定要小得多，但由于木卫一本身的磁场强度而得到加强，若仍以
10高斯计算:
(赫);又因
:
(米);