第246章 潮汐热能

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    木卫三（盖尼米得，Ga

    ymede，Γανυμήδης）是围绕木星运转的一颗卫星，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，在伽利略卫星中排第三。它与木卫二及木卫一保持着1:2:4的轨道共振关系。

    木卫三是太阳系中最大的卫星。直径大于水星，质量约为水星的一半，木卫三主要由硅酸盐岩石和冰体构成，星体分层明显，拥有一个富铁的、流动性的内核。体积大于水星，是太阳系中已知的唯一拥有磁圈的卫星。

    木卫三最先并非伽利略所发现。在公元前400年到公元前360年之间（最有可能的是在公元前364年夏天）依据《唐开元占经》引录甘德论及木星时所说的话：“若有小赤星附于其侧”，著名天文学史家席泽宗先生指出：甘德在公元前4世纪中叶就观测到了木星的最后的卫星木卫二。

    而对于木星的卫星的发现，近代是在17世纪初望远镜发明之后，由意大利大科学家伽利略（Galilei）于1610年用它观测木星时才发现的。甘德早伽利略近两千年，而且在没有望远镜的条件，仅凭肉眼就发现了木星的卫星，这真是一个奇迹。而后，天文学家西门·马里乌斯以希腊神话中宙斯的爱人伽倪墨得斯为之命名。旅行者号航天器精确地测量了该卫星的大小，伽利略号探测器则发现了它地下海洋和磁场。

    2015年3月12日，美国国家航空航天局宣布，太阳系最大卫星木卫三的冰盖下有一片咸水海洋，液态水含量超过地球。

    在公元前400年到公元前360年之间（最有可能的是在公元前364年夏天），中国战国时期的甘德就已经发现了木卫三，比伽利略早了2000多年。

    1610年1月11日，伽利略·伽利莱观测到三颗靠近木星的星体；第二天晚上，他注意到这三颗星体发生了位移接着他又发现了第四颗星体，即后来的木卫三。至1610年1月15日晚，伽利略确定这些星体是围绕木星运行的。他声称有权为这些卫星命名，并曾考虑过“科斯米安卫星”（Co**ia

    Sta

    s）的名字，但最终将之命名为“美第奇卫星”(Medicea

    Sta

    s)，

    法国天文学家尼古拉斯·克劳迪·法布里·德·佩瑞斯特建议为美第奇卫星家族的各颗卫星分别命名，但是其建议未被采纳。

    原本宣称其最初发现伽利略卫星的西门·马里乌斯曾试图将这几颗卫星命名为“朱庇特的萨图尔努斯”（Satu

    of Jupite

    ）、“朱庇特的朱庇特”（Jupite

    of Jupite

    ，即指木卫三）、“朱庇特的维纳斯”（Ve

    us of Jupite

    ）和“朱庇特的墨丘利”（Me

    cu

    y of Jupite

    ）但也从未被采用后来有建议以希腊神话中神的斟酒者、宙斯的爱人盖尼米得为之命名。

    这种命名法在相当长的时期内并没有被普遍接受，直至20世纪中期才得到普遍使用在早期的天文学文献中，该卫星均以罗马数字作为指代（该体系由伽利略提出）即被称为木卫三（Jupite

    III ）或“朱庇特的第三颗卫星”（thi

    d satellite of Jupite

    ）。

    后来随着土星的卫星群的发现，基于开普勒和马里乌斯建议的命名系统开始被用于指称木星的卫星。木卫三是伽利略卫星中唯一一颗以男性人物名字命名的。

    木卫三是太阳系中已知的唯一一颗拥有磁圈的卫星，其磁圈可能是由富铁的流动内核的对流运动所产生的。其中的少量磁圈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。

    木卫三拥有一层稀薄的含氧大气层其中含有原子氧，氧气和臭氧，同时原子氢也是大气的构成成分之一而木卫三上是否拥有电离层还尚未确定。木卫三主要由硅酸盐岩石和冰体构成星体分层明显，拥有一个富铁的、流动性的内核。科学家推测在木卫三表面之下200千米处存在一个被夹在两层冰体之间的咸水海洋。

    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其间密布着撞击坑，地质年龄估计有40亿年之久；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，有可能是潮汐热所导致的构造活动造成的。

    木卫三是太阳系中已知的唯一拥有磁圈的卫星。它拥有一层稀薄的含氧大气层，其中含有原子氧，氧气和臭氧。而木卫三上是否拥有电离层还尚未确定。

    木卫三内部结构木卫三的平均密度为1.936g/cm³，表明它是由近乎等量的岩石和水构成的，后者主要以冰体形式存在冰体的质量占卫星总质量的46-50%，

    比之木卫四稍低。此外可能还存在某些不稳定的冰体，如氨的冰体。木卫三岩石的确切构成还不为人知，但是很可能接近于L型或LL型普通球粒陨石，这两类陨石较之H球粒陨石，所含的全铁和金属铁较少，而铁氧化物较多在木卫三上，以质量计，铁和硅的丰度比为1.05-1.27，而在太阳中，则为1.8。

    木卫三表面的反照率约为0.43。冰体水广泛存在于其表面，比重达到50-90%，高出整体比重许多。利用近红外光谱学，科学家们在1.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波长段发现了强烈的冰体水的吸附带。

    明亮地带的槽沟构造可能含有较多的冰体，故显得较为明亮。除了水外，对伽利略号和地基观测站拍摄的高分辨率近红外光谱和紫外线光谱结果的分析也显示了其他物质的存在，包括二氧化碳、二氧化硫，也可能还包括氰、硫酸氢盐和多种有机化合物。此外伽利略号还在木卫三表面发现了硫酸镁、硫酸钠等物质这些盐类物质可能来自于地表之下的海洋

    木卫三的表面是不对称的：其同轨道方向的一面要亮于逆轨道方向的一面。这种状况类似于木卫二，而和木卫四的状况正好相反。此外，木卫三同轨道方向一面似乎富含二氧化硫。而二氧化碳在两个半球的分布则相对均匀尽管在极地地区并未观测到它的存在。木卫三上的撞击坑（除了一个之外）并不富含二氧化碳，这点也与木卫四不同。木卫三的二氧化碳可能在过去的一段时期已经被消耗殆尽了。

    木卫三的地层结构已经充分分化，它含有一个由硫化亚铁和铁构成的内核、由硅酸盐构成的内层地涵和由冰体构成的外层地涵。这种结构得到了由伽利略号在数次飞掠中所测定的木卫三本身较低的无量纲转动惯量——数值为0.3105± 0.0028——的支持事实上木卫三是太阳系中转动惯量最小的固态天体。伽利略号探测到的木卫三本身固有的磁场则与其富铁的、流动的内核有关。拥有高电导率的液态铁的对流是产生磁场的最合理模式。

    木卫三内部不同层次的厚度取决于硅酸盐的构成成分（其中部分为橄榄石和辉石）以及内核中硫元素的数量。最可能的情况是其内核半径达到700-900千米，外层冰质地涵厚度达800-1000千米，其余部分则为硅酸盐质地涵。

    内核的密度达到了5.5–6g/cm³，硅酸盐质地涵的密度为3.4–3.6g/cm³。与地球内核结构类似，某些产生磁场的模型要求在铁-硫化亚铁液态内核之中还存在着一个纯铁构成的固态内核。若是这种类型的内核，则其半径最大可能为500千米。木卫三内核的温度可能高达1500-1700K，压力高达100千巴（100亿帕）。

    木卫三据探测含有太阳系最多的液态水。哈勃望远镜通过分析木卫三的极光光谱，估算出其海洋深达400千米。还有科学家怀疑，这可能只是木卫三海洋的一小部分，木卫三可能拥有三个海洋，三个海洋层层叠加，每层都有400千米的深度，并由高压冰层分隔开，最下面的一层海洋可能直接接触到木卫三的岩石内核。所以木卫三的海洋深度可能超过1000公里，蕴含着超过150亿立方千米的巨大水体，含水量是地球水量的30倍以上。

    木卫三的表面主要存在两种类型的地形：一种是非常古老的、密布撞击坑的暗区，另一种是较之前者稍微年轻（但是地质年龄依旧十分古老）、遍布大量槽沟和山脊的明区。暗区的面积约占球体总面积的三分之一，其间含有粘土和有机物质，这可能是由撞击木卫三的陨石带来的。

    而产生槽沟地形的加热机制则仍然是行星科学中的一大难题。现今的观点认为槽沟地形从本质上说主要是由构造活动形成的；而如果冰火山在其中起了作用的话那也只是次要的作用。

    为了引起这种构造活动，木卫三的岩石圈必须被施加足够强大的压力，而造成这种压力的力量可能与过去曾经发生的潮汐热作用有关——这种作用可能在木卫三处于不稳定的轨道共振状态时发生引力潮汐对冰体的挠曲作用会加热星体内部，给岩石圈施加压力，并进一步导致裂缝、地垒和地堑的形成，这些地形取代了占木卫三表面积70%的古老暗区。

    槽沟地形的形成可能还与早期内核的形成过程及其后星体内部的潮汐热作用有关，它们引起的冰体的相变和热胀冷缩作用可能导致木卫三发生了微度膨胀，幅度为1-6%。随着星体的进一步发育，热水喷流被从内核挤压至星体表面，导致岩石圈的构造变形。

    星体内部的放射性衰变产生的热能是最可能的热源，木卫三地下海洋的形成可能就有赖于它。通过研究模型人们发现，如果过去木卫三的轨道离心率值较现今高很多（事实上也可能如此），那么潮汐热能就可能取放射性衰变热源而代之，成为木卫三最主要的热源。