木星環:結構,主環介紹,光環介紹,範圍,外觀,亮度,光譜性質,光環的起源,薄紗光環

木星環，是指圍繞在木星周圍的行星環系統。它是太陽系第三個被發現的行星環系統，第一個和第二個分別是土星環及天王星環。

木星環首次被觀測到是在1979年，由航海家一號發現及在1990年代受到伽利略號進行詳細調查。木星環亦可由哈勃太空望遠鏡及地球觀察。在地上需要現存最大的望遠鏡才能夠進行木星環的觀察。

隱約的木星環系統主要由塵埃組成。木星環分成四個部分：厚厚的粒子環面內暈層稱為“光環”；一個相對光亮的而且特別薄的“主環”；以及兩個外部既厚又隱約的“薄紗環”（或稱“蛛網環”），其名稱由形成她們的物質的衛星而來：木衛五（阿馬爾塞）和木衛十四（底比斯）。

木星環的主環及光環由衛星木衛十六（墨提斯）、木衛十五（阿德剌斯忒亞）及其他不能觀測的主體因為高速撞擊而噴出的塵埃組成

在2007年二月至三月由新視野號取得的高解析度圖像顯示主環有豐富的精細結構。

可見光及近紅外線光線下，除了光環呈現灰色或藍色外，木星環會呈現紅色。在環內的塵埃大小不定，但是所有環除了光環以外的塵埃橫切面面積最大為半徑約15微米的非球體粒子。

光環主要由亞微米級塵埃組成。環狀系統的主要質量（包括不可見的主體）約為10公斤。環狀系統的年齡不詳，可能在木星形成時已經存在。

基本介紹

中文名：木星環
外文名：Jupite'rs rings
發現時間：1979年
光環半徑：92000-122500KM
主環半徑：122500-129000KM
薄紗環半徑：129000-182000KM

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結構

四個已知的木星環的重要性質列在以下列表。

名稱	半徑（km）	闊度（km）	厚度（km）	光深度	塵埃比例	備註
光環	92,000–122,500	30,500	12500	～1×10	100%
主環	122,500–129,000	6,500	30–300	5.9×10	～25%	以木衛十五為界
阿馬爾塞薄紗光環	129,000–182,000	53,000	2000	～1×10	100%	與木衛五連線
底比斯薄紗光環	129,000–226,000	97,000	8400	～3×10	100%	與木衛十四連線。在木衛十四外亦有伸延。

主環介紹

範圍

狹窄且薄的主環是木星環系統最光亮的部分。其外部邊界位於半徑1.806RJ（～129,000km;RJ=木星赤道半徑或是71,398km）並與木星最細小的內部衛星木衛十五軌道吻合。其內部邊界不受任何衛星定位並位於～122,500km（1.72RJ）。

受到正面散射時的特徵

由以上的數據得知主環闊度為～6,500km。主環的外貌依觀察角度而改變。受正面散射（scattering）的光線（即光線散射的角度相對太陽光的為小）照射的主環的光度在128,600km急速下降（剛好在木衛十五軌道的內部）並在129,300km達到背景等級（backgroundlevel）（剛好在木衛十五軌道的外部）。所以位於129,000km的木衛十五可以清楚指示出主環位置。除了位於128,000km的木衛十六軌道附近的部分顯著的缺口外，光度越接近木星便越會增加，並在環的中心點128,000km達至最高光度。主環的內部邊界與此相反，由124,000至120,000km慢慢地變得暗淡，與光環融合。所有木星環在受到正面散射的光線照射下都會變得特別光亮。

上方圖像顯示由新視野號拍攝受到背向散射光線照射的主環，可以見到主環的外部精細結構。下方圖像顯示受到正面散射光線照射的主環，可以見到主環除了墨提斯裂口外便沒有任何結構。(CourtesyNASA/約翰霍普金斯大學套用物理實驗室JohnsHopkinsUniversityAppliedPhysicsLaboratory/美國西南研究院SouthwestResearchInstitute)

木衛十五與木衛十六軌道間的三個小環

情況在背向散射光線（即光線以相對於太陽光的180°作出散射）照射的情況下變得不同。位於129,100km，即略為在木衛十五軌道外的主環外部邊界變得十分陡峭。衛星的軌道被主環的一個裂口所標示，所以有一個薄薄的小環剛好在軌道外。另外一個小環位於木衛十五軌道內，接著又有一個成因不明的裂口位於～128,500km。第三個小環在被發現在木衛十六的軌道外的中央裂口內部。主環的光度在木衛十六軌道外部急速下降，形成“墨提斯裂口”（Metisnotch)。

主環的光譜特徵

由哈勃太空望遠鏡、凱克天文台、伽利略號和卡西尼·惠更斯號取得的主環的光學頻譜，顯示出組成主環的粒子是紅色的，所以她們的反照率在較長的波長較高。現存的光譜橫跨0.5–2.5μm的範圍。現階段無任何光譜特徵可以指出那些粒子是那一種個別的化合物。主環的光譜特徵與木衛十五及木衛五的十分類似。

嘗試解釋主環光譜特徵的假說

主環的性質可以由它包含顯著數量的0.1–10μm粒子大小的塵埃假說得到解釋。以上假說解釋了為何主環的正面散射比背向散射較強。但是需要有較大的物體才能解釋主環光亮外部的強背向散射及精細構造.

光環介紹

範圍

光環是木星環中最內部及最厚的。其外部邊界與主環內部邊界在半徑122,500km(1.72RJ)重疊。由此半徑開始光環向木星快速增厚。光環的實際縱向伸延不明但其物質可以在距環面高度高至10,000km偵測到。光環的內部邊界十分清晰並位於半徑100,000km(1.4RJ)處，但部分物質被發現在92,000km的更深入地區。所以光環的寬度約為30,000km。

外觀

形狀類似一個缺乏清楚內部結構的厚環面。與主環相對，光環的外觀與觀察角度只有少量關聯性。

亮度

在伽利略號廣泛拍攝的光環在正向散射光線中顯得最亮。雖然光環的表面光度比主環小很多，其與環平面垂直的綜合光子通量（Flux）則因為其較大的厚度而可以與主環比較。雖然她有一個號稱長於20,000km的垂直伸延，光環的光度在環面最為集中並遵守冪次法則（與z−0.6toz−1.5成正比例），而z是環面垂直的高度。光環由凱克天文台及哈勃太空望遠鏡在背向散射光線下觀察的外表基本相同，但其總光子通量比主環小几倍，並在越接近環面便越集中。

光譜性質

光環的光學頻譜性質與主環不同。其在0.5–2.5μm級別的通量分布比主環較平；光環不是紅色而可能甚至是藍色。

光環的起源

含塵成分與光深度

光環的光學性質可以由她只由粒子大小小於15 μm 的塵埃構成的假設得到解釋。光環遠離環平面的部分可能包含超微米的塵埃。此含塵的成分解釋了光環的較強正向散射、藍色及缺乏可見結構。

高厚度與木星磁圈

光環的高厚度的原因在於木星磁圈的電磁力刺激到塵埃的軌道傾角及軌道離心率。光環的外部邊界與強力洛倫茲共振（Lorentz Resonance）（洛倫茲共振是一個粒子軌道運動與行星磁圈轉動之間，當它們的軌道周期比例是一個有理數時產生的共振）的位置重疊。當波印廷·羅伯森效應（Poynting-Robertson effect）把粒子緩慢拉往木星，她們的軌道傾角在經過時會受到刺激。繁盛的主環可能正是光環的開始。

明確內部邊界與羅倫茲共振 光環的內部邊界距離最強的2:1洛倫茲共振不遠。在此共振下刺激可能十分顯著，令粒子沖入木星大氣層內，所以光環有一個明確的邊界。根據主環的推算，光環和主環有相同的年齡。

薄紗光環

底比斯薄紗光環

範圍

底比斯薄紗光環是木星環中最暗淡的，顯示出十分暗淡和有一個矩形橫切面的結構，由位於226,000 km (3.11 RJ)的木衛十四軌道伸延至129,000 km (1.80 RJ)。其內部邊界因為光亮很多的主環及光環存在而不能明確界定。厚度在約距木衛十四軌道8400km開始，越接近木星就越薄。底比斯薄紗光環實際上在頂部及底部為最亮，其光度在越接近木星時越會上升。其外部邊界並不特別陡峭，伸延超過15,000km。

底比斯延伸

在木衛十四外勉強可見一個連續的環，伸延至260,000km (3.50 RJ)，被稱為“底比斯延伸”（Thebe Extension）。在正向散射光線下比阿馬爾塞薄紗光環暗淡3倍。在背向散射光射下其只能夠由凱克天文台的望遠鏡所偵測到。背向散射圖像顯示她在木衛十四內部不遠有一個光度的上升。

質量與光深度性質

底比斯薄紗光環的光深度約為3×10⁻⁸（比阿馬爾塞薄紗光環低3倍），但塵埃總質量相同（約為10^7–9 kg）。在2002年至2003年間伽利略號經過底比斯薄紗光環，令它的塵埃初次被偵測到。其測量度透露其粒子大小為0.2–3 μm ，所以確定了薄紗光環的塵埃成分。

薄紗光環的起源

薄紗光環中的塵埃與主環及光環的來源基本相同。它的來源分別為木星木衛十四及木衛五。由木星系統以外而來的拋射體（projectiles）的高速撞擊由其表面放射出塵埃粒子。那些粒子一開始與其軌道相同，但漸漸的因為波印廷-羅伯森效應而以螺旋狀向內移動。薄紗光環的厚度由木星衛星的垂直游移決定，因為木星衛星有一個非零的軌道傾角。以上假設基本上解釋了幾乎所有的薄紗光環的可見性質：矩形橫切面、厚度依照往木星方向而下降與及在頂部及底部的光度。但有部分性質仍然未能解釋，例如"底比斯延伸"（其出現可能是因為在木衛十四外的不可見物體）及在背向散射光線下的可見結構。

觀測歷史

隨著行星際空間探測器的發射，不斷揭示出太陽系天體中許多前所未知的事實，木星環的發現就是其中的一個。早在1974年"先鋒11號"探測器訪問木星時，就曾在離木星約13萬公里處觀測到高能帶電粒子的吸收特徵。

1976年有人提出這一現象可用木星存在塵埃環來說明。可惜當時無人作進一步的定量研究以推測這一假設環的物理性質。1977年8月20日和9月5日美國先後發射了"旅行者1號"和"旅行者2號"空間探測器。經過一年半的長途跋涉，"旅行者1號"穿過木星赤道面，這時它所攜帶的窄角照相機在離木星120萬公里的地方拍到了亮度十分暗弱的木星環的照片。同年7月，後其到達的"旅行者2號"又獲得了有關木星環的更多的信息。

根據對空間飛船所拍得照片的研究，現已知道木星環系主要由亮環、暗環和暈三部分組成。環的厚度不超過30公里。亮環離木星中心約13萬公里，寬6000公里。暗環在亮環的內側，寬可達5萬公里，其內邊緣幾乎同木星大氣層相接。亮環的不透明度很低，其環粒只能截收通過陽光的萬分之一左右。靠近亮環的外緣有一寬約700公里的亮帶，它比環的其餘部分約亮10%，暗環的亮度只及亮度環的幾分之一。暈的延伸範圍可達環面上下各1萬公里，它在暗環兩旁延伸到最遠點，外邊界則比亮環略遠。據推算，環粒的大小約為2微米，真可算是微粒。這種微米量級的微粒因輻射壓力、微隕星撞擊等原因壽命大大短於太陽系壽命。為了證實木星環是一種相對穩定結構這一說法，人們提出了維持這種小塵埃粒子數量的動態穩定的幾種可能的環粒補充源。

看不見的木星環

1979年3月，旅行者1號探測器穿越木星赤道平面時，在離地球6億千米處發回大量的珍貴照片。出乎人們所料，發現木星和土星一樣也擁有光環。4個月後，旅行者2號探測器飛臨木星證實了這個結論。但木星光環和土星光環有很大不同，木星光環是彌散透明的，由亮環、暗環和暈三部分組成。亮環在暗環的外邊，暈為一層極薄的塵雲，將亮環和暗環整個包圍起來。木星環離木星中心約12.8萬千米，環寬9000千米，環的厚度只有幾千米左右，是由大量的塵埃和黑色的碎石組成。這些碎石的大小從1/1000毫米到數十米不等，不反光，肉眼無法看到，以周期為7小時左右的速度圍繞木星旋轉。暗淡單薄的木星環套在龐大的木星身軀上，發現它確實是極不容易的。它對研究行星的起源和演化有著重要的啟示，或許其它行星也有不易看到的環。

探索歷史

木星環的存在是在1975年由先鋒11號對於行星輻射帶（radiation belt）的觀察所推演出來的。在1979年，旅行者1號拍攝了木星環系統的一張過度感光圖片。更廣泛的拍攝由旅行者2號在同年進行，容許了對木星環系統結構的一個粗略估計。由伽利略號在1994年至2003年間拍攝取得的極佳質素圖像大大的增加了對木星環的現有知識。由凱克天文台在1997年及2002年對木星環進行的地面觀測及哈勃太空望遠鏡在1999年的觀測透露了木星環在背向散射光線下的豐富可見結構。由新視野號在2007年二月至三月期間傳送的圖像令主環精細結構可以被首次觀察。在2000年，卡西尼-惠更斯號往土星的旅程中對木星環系統進行了廣泛觀察。對木星系統的任務將可提供對木星環更多的資訊。

木星環