地球星本身是一個電導體,可以傳導電流。然而地麵上80公裏高空以內的這一層大氣沒有帶電的粒子,是不良導體,是安全的一層。80公裏高空以上是電離層,其中有自由電子及帶電的粒子,這一層就是地球星磁層的開始,由此向上還可以分為若幹層。80公裏~300公裏高空間的一層是較稀薄的電離層。300公裏到達磁層頂有能量較強的磁力線,可以拘留帶電的粒子及自由的電子,範艾倫帶就位於高空,它的下界距地麵300公裏。
範艾倫帶在磁層內有較密的磁力線,組成分布大致對稱的圓弧:一在地球星前方,一在後方。但由於太陽風長時期襲擊,這兩個圓弧已被它給弄歪了。這兩個圓弧各有兩層:外層在上,內層在下。內層規模較小,叫做“內帶”(innerbelt),介於300公裏和500公裏高空之間;外層較高,叫做“外帶”(outerbelt),介於12萬公裏與20萬公裏高空之間。外帶比內帶大多了,約大100倍以上。兩圓弧隔著地球星遙遙相對。地球星北極上空與南極上空都是開放的,無圓弧覆蓋。無圓弧就表示那個空間內無陷阱,太空人往返太空通過這裏比較安全。這兩個開放的缺口叫做“極角”(polarcusp)。磁鞘裏有些高能粒子溜出來又闖入極角,衝進大氣層,撞擊氣體原子使之電離,因而出現“極光”(aurora)。在磁北極上空出現的叫做“北極光”,在磁南極上空出現的叫做“南極光”。
從1958年起,科學家已知極光的出現是電子及質子撞擊大氣層氣體原子的結果。據說,每平方厘米大氣層麵積上必須有10億電子來撞擊,而且來撞的秒速必須要超過1萬公裏,極光才會出現。電子能量較強,質子較弱。當電子撞到氣體原子時,釋放的能量可超過質子100倍,相當於點燃氣體,因此撞擊時可以出現色彩鮮明的極光,有藍、紫、白、紅等色。
類木行星、類地行星及小行星
類木行星的共同特征太陽係中體積大、密度小、自轉很快而且衛星多的行星,類似木星的,稱作類木行星(juvianplanets),例如木星、土星、天王星、海王星等。類木行星的主要特征有七個。
(A)質量大。假定地球星質量為1,木星則是它的317倍,土星為其95倍,天王星為其14倍,海王星為其17倍。都是大質量行星。類地行星則相反,其質量都小於地球。(B)無固態外殼。表層擁有氫、氦,但為量不多。由於溫度低,水及甲烷、氨混合為冰。這現象同類地行星也完全相反。(C)自轉極快。木星自轉一周需時9小時3分鍾,土星為10小時14分鍾,天王星為15小時36分鍾,海王星為18小時26分鍾。體積甚大而又自轉特快。這現象與太陽恒星不同,與4顆類地行星也不相同。(D)由於自轉特快,赤道部位膨脹,兩極扁平,扁率極高。木星扁率為6.4%,土星為10.8%,天王星為3.0%,海王星為2.5%(地球星為3.3%)。(E)比重極低,不及地球星比重的1/3。假定地球星的比重為1,類木行星與地球星相比,木星是23%,土星為11%,天王星為23%,海王星為31%。為什麼這樣輕呢?這是因為組成的元素有氫、氦等氣體。(F)都有光環。木星有一道光環,土星有無數道光環,天王星有11道光環;據推測,海王星也有一道光環。(G)類木行星距日的距離比類地行星遠,且都在小行星軌道以外。
木星是顆超巨行星類木行星都是大行星,其中木星(Jupiter)最大(土星是第二)。太陽係中,木星之大僅次於太陽恒星。木、土兩行星體積極大而比重極小,顯示組成的元素中,有氫、氦、氨等物質。這顆行星不僅多衛星,也多光環。木星有環,但光度微弱。環的半徑有多長?估計由環到木星中心約13萬公裏。環寬約800公裏。全部由微粒組成。微粒就是太空的塵埃,聚集成環後,又為木星引力作用而降落,新的微粒又由太空飛來以補充光環的損失。
望遠鏡裏所見到的木星並非它的表麵,而是它的大氣層表麵。這表麵的氣流或雲帶呈現“帶”和“條”,其方向與緯線平行,叫做緯向分布。組成其大氣的成分主要是氫,約占89%;其次是氦,約占10%;其他尚有甲烷、氨、水汽、乙炔和少量的磷化氫。木星大氣層表麵深達2000公裏,全是氣體。組成的物質主要是氫,由於在氣層下大氣受高壓而成為液態,即主要為液態氫。這是由液態氫構成的海洋,具有海洋的外貌,當然性質不同。木星無岩石殼,與地球星完全不同。核部也是氫分子,但受更高的氣壓,形成金屬氫,由於高溫,估計有3萬°K,電離液化,形成核部。這核部是液態的金屬物。
總括來說,木星大氣層與木星核部之間並無分層的界麵。由大氣層表麵直到核心全是氫。這現象很象似一顆小太陽。它的雲層表麵向外輻射的熱量大於吸收太陽的熱量。然而木星不能發光,隻是一顆暗星,其反照率為70%,比月麵大10倍。木星不發光的原因是缺少原子氫,因為它的氫全是分子氫。從木星大氣層表麵來看,隻有極薄的一層是電離層,具有微光。以下為分子氫、液態氫,溫度太低,其核部溫度隻有3萬°K。據說,核部溫度必須高達800萬°K時才可把氫的核子點燃。太陽核部溫度可高達1500萬°K,木星無熱核反應,隻能乖乖地作為太陽係內的一顆行星。然而我們必須認識木星的特殊性,由大氣層表麵向下直到核心,90%是氫分子。大氣表層溫度130°K。輻射量大於吸收量隻有兩倍,並不很大。木星核部據推測可能有鐵及矽酸鹽。
木星大氣層表麵有“亮帶”與“暗條”之分。所謂亮帶(BrightZones)是由氨(NH3)組成的上升氣流,溫度較高,氣壓較低,熱源來自核部。所謂暗條(DarkBelts)是下降氣流,溫度低而氣壓高。這對流的深度可超過2000公裏。亮帶多而且每帶的寬度較大;暗條少而且每條的寬度較狹。帶與條有多種顏色,例如暗紅、褐、橙、白、暗藍、深灰等色。
“大紅斑”(GreatRedSpot)最引人注意。它的紅色是由於太陽的輻射線。尤其是紫外線,使大氣內化學元素受到破壞而出現紅色。上文所述亮帶與暗條出現多種色彩,原因與大紅斑相同。大紅斑是一個巨大的反氣旋區,屬於高氣壓。表麵很暗,雖然廣闊,卻是屬於暗條的一類。這是大規模的下降氣流區。雖然下降,但不能真的降落,因為下方有巨大的上升氣流把它頂住,不讓它降下去。它不能降落,隻好隨著木星自轉而自行回旋。我們地球星赤道以北的反氣旋是順時針方向轉動的,赤道以南反氣旋是反時針方向轉動的;現今木星上大紅斑正是以反時針方向轉動的大氣流。
大紅斑長約45000公裏,寬約12000公裏,高出附近大氣層表麵達8公裏多。其輪廓似蛋,紅紅的,並不美觀。它出現已有400多年,尚未消失,形態有變化,但不很大。大紅斑是木星上的氣島。由於高度極大,周圍氣流有機會由底部侵入,以加強它的回旋能力。除大紅斑外,尚有規模較小的白斑。
木星有16顆衛星。最接近木星的衛星是木衛五(Amal-thea),1892年發現,距木星的表麵隻有11萬公裏。它環繞木星一周隻需0.498日,相當於地球星半天的時間。這顆木衛五的直徑很短,約有150公裏。假如在木星表麵上仰望,木衛五在天空飛走好似一隻大球,冉冉而來,又緩緩而去,十分好看。
距離最遠的衛星是木衛九,距木星為1470萬公裏。它環繞木星由東向西是逆轉。此外,尚有木衛八、木衛十一及木衛十二,都由東向西采取逆轉方向,而且直徑都很短,介於8~40公裏之間。它們顯然是一些小行星,被木星引力抓過來,才成為其衛星。
木衛一(Io,半徑1815公裏,距木星35萬公裏)、木衛二(Europa,半徑1569公裏,距木星60萬公裏)、木衛三(Ganymede,半徑2635公裏,距木星99萬公裏)、木衛四(Callisto,半徑2400公裏,距木星188萬公裏)。這4顆衛星是伽利略在1610年內發現的,因此叫做“伽利略衛星”。
木衛一譯為愛奧,視星等為+5.5等。反照率為37%。表麵呈現紅橙黃白棕等色。木衛一有火山,噴出碧綠色的煙柱,高達250公裏(參看本書彩圖片)。活火山有八座,高度介於50~300米之間。木衛二譯為歐羅巴,反照率很強,為39%。視星等為+5.3等。表麵全是冰,在望遠鏡裏很明亮。木衛三譯為加尼美,視星等為+4.6等。反照率很低,為20%。表麵有岩殼,擁有隕石坑(撞擊坑),也有冰蓋。木衛四譯為加利斯多。視星等為+5.6等。反照率為3%,比月球反照率還低。表麵隕石坑密密麻麻,相當昏暗。加利斯多有一個大隕石坑,圓圈形,內外共有16層,是同心圓狀隕石坑,顯示撞擊的猛烈。最外一層的直徑有2600公裏長。圓形坑很淺,環形山不存在是一特點。
土星光環極亮土星(Saturn)是類木行星中第二大的星,體積大比重小,多衛星,而且有極亮的光環。環在其赤道上空,好象一張巨大的唱片,直立於赤道之上。各環作同心圓由外向內,可分為許多層。往日觀測,隻能分出外層、中層及內層,各層之間夾有黑暗的環縫。事實上,由外向內可分為由A到E五大層,中間暗黑部分不是縫,依舊是環,隻是光亮不夠明顯而已。