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木衛三可能含有海洋與冰層層交錯的內部結構

臺北天文館_96
・2014/05/17 ・1677字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

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木衛三(甘尼米德,Ganymede)是太陽系中最大的衛星,比行星中的水星還要大,它也是著名的伽利略4大衛星之一。天文學家原本認為木衛三內部有一層厚厚的海洋,海洋上方與下方各有一層冰層,如同三明治一般;但是美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(JPL)Steve Vance領導的研究團隊最新研究卻發現:這顆衛星的內部可能有數層冰和數層海洋交錯出現結構,並不是單層三明治,而是數層交疊的總匯三明治。

有趣的是,這項研究的結果,顯然支持冰衛星中可能可發展並生存原始生命的概念。科學家認為水和岩石有交互作用的地方是生命的發展很重要的一點。例如:地球上生命很可能就從海底蒸騰滾動的噴溢口(vent)開始發展出來的。在Vance等人的研究發表之前,科學家認為木衛三海底是岩質的,在上方大量物質壓迫的強大壓力下,會在岩質海床上形成一層薄冰,但如此一來就很難讓生命在此浮現。然而,如果水中加入鹽分,電腦模擬結果顯示液態水密度足以沈至岩質海床上。所以「總匯三明治」結構的發現,能讓岩質海床結冰使生命無法發展的問題破冰。

NASA科學家最初在1970年代根據理論模型而提出木衛三可能擁有海洋的假設。到1990年代,藉由伽利略號(Galileo mission)太空船幾度近距離飛掠木衛三的機會,探測並確認木衛三的確擁有海洋,而且這個海洋還深達數百公里。伽利略號同時發現這個海洋可能是「鹽水」的證據,可能含有硫酸鎂之類的鹽類。

在以前的木衛三海洋電腦模擬研究中,一般都假設不同壓力下的鹽分都不會改變液態水的性質。但是Vance等人透過實驗室進行研究後卻顯示:木衛三和類似的衛星內部的極端壓力環境下,鹽分會改變液態水密度。鹽會改變海水密度這個論調看起來很奇怪,但其實很平常,您可以自行用家用食鹽加入玻璃杯裡的水來觀察,或者更直接的印象,就是鹽度很高的死海可讓人漂浮在水面而不會下沈這樣的現象。這是因為鹽並不會增加液體的體積,反而會因為鹽離子會吸引水分子,從而讓液體收縮而變得比較緻密。

這個電腦模擬會因考慮不同型態的冰而變得更為複雜。平日常見漂浮在飲料上的冰塊其實是所謂的I型冰(Ice I,I為羅馬數字,意為1),其密度是冰中最小的,甚至比水還小,所以會浮在水面上。但在高壓環境下,像木衛三地底深海處,冰分子彼此靠得更近,讓冰晶結構會變得比較緊密,比水還重而會沉落至海床。Vance等人認為木衛三海底的冰晶,應該是最密、最重的型態,稱為IV型冰(Ice VI,VI為羅馬數字中的4)。

將這些因素都考慮進電腦模型後,這些科學家得出的結果居然是除了岩質海床之外,海洋中其實還有三層冰層。其中,最輕的冰浮在最上層,最鹹、最重的冰則沈到下方。更甚者,電腦模擬結果還證明這裡的海洋有個非常奇異的現象:海洋裡會向上下雪(snow upward)。當海洋被攪拌,海水中形成冷冽蜿蜒的羽狀流時,在最上層的海水中會形成所謂的III型冰(Ice III,III為羅馬數字3),此時冰中的鹽分被排出,促使海水鹽分加重,密度更大,III型冰本身相較來說比較輕,因而向上浮,看起來就像是向上降下雪花一樣。只不過這些雪花在抵達海洋頂端之前就會融化;事實上,這些雪花大概到海洋中間的夾層時就已經融化了。

這些科學家表示:目前並不清楚這樣的多層三明治結構能維持多久。雖然這樣的結構看來似乎很穩定,但因為變因眾多,木衛三或許根本無法到達穩定狀態。

環繞太陽以外其他恆星公轉的系外行星,可能也有類似木衛三這樣的狀況。科學家認為有些超級地球,即比地球質量大2倍以上的岩質行星,可能是水世界,表面應該覆有一層海洋。那麼這樣的星球可能有生命存在於此嗎?Vance希望能藉由實驗室中實驗與電腦模擬雙管齊下,來研究並解決這個疑問。

木衛三是太陽系中5顆在表面冰質地殼下方可能擁有海洋的衛星之一。除木衛三外,其他4顆分別是木衛二(歐羅巴,Europa)、木衛四(卡利斯多,Callisto)、土衛六(泰坦,Titan)和土衛二(Enceladus)。歐洲太空總署(ESA)目前正在籌備一個太空任務JUICE(JUpiter ICy moons Explorer,木星冰衛星探測器),準備於2030年代前往拜訪木衛二、木衛三和木衛四,屆時將可針對這些冰衛星做更詳細的探索與瞭解。

資料來源:Ganymede May Harbor ‘Club Sandwich’ of Oceans and Ice. JPL NASA [May 01, 2014]

轉載自網路天文館

 

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臺北天文館_96
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地球軌道上最大的衛星——國際太空站

臺北天文館_96
・2022/01/24 ・4522字 ・閱讀時間約 9 分鐘
  • 文/徐麗婷|政大應用物理所兼任助理教授

國際太空站(International Space Station,ISS)是地球軌道上最大的衛星,也是太空中最大的人造物體,其大小約有一個足球場這麼大,有時候我們從地表用肉眼就可以看到它快速地在夜空中劃過。國際太空站在距離地球表面 400 公里高的低地球軌道上運行,並且以每秒約 7.7 公里的速度繞行地球。以這個速度繞地球一圈只需要 93 分鐘,所以太空站每天會繞行地球 15.5 圈(這也表示太空站上的太空人每天可以看 15 次以上的日出與日落)。

圖 1. 由奮進號太空梭(Endeavour)於 2010 年執行任務時所拍攝的國際太空站。圖片來源/NASA

冷戰時代的太空競賽

設置國際太空站的目的,主要是作為太空實驗室、天文臺,以及為未來可能的月球和火星登陸計劃提供運輸、維護和中繼站的服務。在 2010 年美國國家太空政策中,國際太空站更被賦予了為商業、外交和教育服務的額外目的。

然而,最初設立太空站的想法,其實是源自於冷戰時期美國與蘇聯的太空競賽。蘇聯在 1980 年代已經率先發射了模組化的太空站到地球軌道上,而美國政府擔憂蘇聯擁有比美國更強大的核武攻擊力量,因此在 1984 年提出了「戰略防禦計畫」,又稱為「星戰計畫」(Strategic Defense Initiative, 或稱 Star Wars Program),其目標是要建造太空中的反彈道飛彈系統,以阻止敵方的洲際飛彈和太空飛行器。美國太空總署提出的自由號太空站(Space Station Freedom)計劃就是這個「星戰計畫」的一部分,雷根總統更在 1984 年宣示將在 10 年內完成太空站的建設。

但是由於太空站預算龐大、加上 1986 年挑戰者號太空梭的爆炸意外,太空站計劃不斷地被延宕。一直到 1991 年蘇聯解體後,冷戰正式結束,美國和蘇聯的太空競賽也失去了意義。冷戰結束後,美國總統柯林頓於 1993 年宣布結束自由號太空站的計劃。同年,在美國副總統高爾的推動下,美國太空總署開始與俄羅斯聯邦太空總署協商合作建立太空站的構想,這也促成了兩國初步的太空合作計畫:「太空梭–和平號計劃」。

國際太空站的前身:太空梭–和平號計劃(1993–1998)

國際太空站的成立主要分為二個階段:第一階段是從 1993 到 1998 年,由美國太空總署(NASA)和俄羅斯聯邦太空總署(Roskosmos)所合作的「太空梭–和平號計劃」(ShuttleS–Mir Program),而這個計劃也可以說是國際太空站的前身(見圖 2)。

圖 2. 1995 年,俄羅斯「和平號」太空站(Mir)和美國的太空梭「亞特蘭提斯號」(Atlantis)對接。圖片來源/wiki

其中俄羅斯在 1986 年升空開始興建的和平號太空站(space station Mir),是世界上第一個模組化的太空站,也是第一個讓人類可以長期居住的太空研究中心。在這個「太空梭–和平號計劃」其間,NASA 一共執行了 11 次太空梭任務,並且派了 7 名美國太空人長駐在和平號上(累計將近 1000 天)向俄羅斯太空人學習長時間的太空生活經驗、操作太空站、太空漫步訓練、和進行各種科學實驗。其目的就是為了建造之後的國際太空站而作準備。

2001 年,因為和平號太空站的設備老化且缺乏維修經費,俄羅斯聯邦太空總署決定將其墜毀於地球大氣層,而其碎片則是掉入南太平洋海域中,結束它長達 15 年的太空服役生涯。

國際太空站(1998–現在)

國際太空站目前由五個太空機構聯合運作,包括美國太空總署(NASA)、俄羅斯聯邦太空總署(Roscosmos)、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)、加拿大太空總署(CSA)和歐洲太空總署(ESA)。最初在命名國際太空站時是提議稱之為「阿爾法太空站」,但是俄羅斯方面並不贊成「阿爾法」(Alpha,α 是希臘字母表裡的第一個字母)這個名字,因為「阿爾法」有表示「第一個」的意涵。事實上俄羅斯的和平號才是第一個模組化的太空站,所以他們認為國際太空站的名字應該稱作「貝塔」(Beta,β 是希臘字母表裡的第二個字母)會更合適。在各國商談之後才決定直接定名為「國際太空站」(International Space Station)。

1998 年 11 月,國際太空站的第一個模組:俄羅斯的曙光號功能貨艙(Zarya)發射升空;同年 12 月,美國的團結號節點艙(Unity)發射進入軌道並與曙光號連接;2000 年 7 月,俄羅斯的星辰號服務艙(Zvezda)升空與太空站連接。星辰號服務艙主要是提供太空人的生命維持系統,包括太空人睡眠的區域、健身器材、飲用水裝置、廚房設備、廁所以及其他衛生設施。這些設備都是為了 2000 年 11 月首批登上國際太空站的太空人做準備。(圖 3 的三張照片可以看到最初三個模組陸續建構太空站的演進。)

圖 3a. 1998 年從奮進號太空梭上拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya),這也是第一個升空的國際太空站組件。圖/Wikipedia
圖 3b.1998 年從奮進號太空梭上所拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya)和團結號節點艙(Unity)。 圖/NASA
圖 3c. 2000 年從亞特蘭提斯號太空梭上所拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya)、團結號節點艙(Unity)和星辰號服務艙(Zvezda)。圖/Wikipedia

國際太空站的架設工作一直持續到 2002 年。不幸的是,在 2003 年發生了哥倫比亞號太空梭(Columbia)的失事事件,NASA 停飛了所有的太空梭,國際太空站的建設也因此受到拖延。在太空梭停飛的兩年半裡,太空人的物資完全依賴俄羅斯聯盟號(Soyuz)太空船的輸送,一直到 2005 年 NASA 太空梭才再度重返太空。之後太空梭連續運送了大量的桁架與太陽能板到太空站上組裝(見圖 4)。日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)於 2008 年也加入了建造國際太空站的行列,陸續在太空站增設了希望號實驗艙(Kibo);2012 年,美國太空探索科技公司(SpaceX)發射了第一艘商業用太空船飛龍號(Dragon spacecraft)。

圖 4. 2006 年,太空人正在安裝桁架,桁架是用來安置太陽能板和艙外機器的結構。圖/Wikipedia

國際合作太空站的組裝

目前國際太空站的空間大小約為 1,000 立方公尺,總質量約 41 萬公斤。整個站體長約 108 公尺,寬約 74 公尺(大概是一個足球場的大小)。要建造完整的太空站,需要 40 多次的太空飛行任務才能達到。到 2020 年為止,NASA 太空梭一共執行了 36 次任務來運送國際太空站的模組,另外負責運送模組的還包括俄羅斯的質子號(Proton)和聯盟號(Soyuz)運載火箭,以及美國太空探索科技公司的「獵鷹 9 號」(SpaceX Falcon–9)。太空站的模組主要是先在地面上建造完成,再運送到太空中組裝。

下面列出一些規模較大的太空站模組:

  • 曙光號功能貨艙(Zarya,於 1998 年11 月升空)
  • 團結號節點艙(Unity,於 1998 年 12 月升空)
  • 星辰號服務艙(Zvezda,於 2000 年 7 月升空)
  • 命運號實驗艙(Destiny Laboratory Module,於 2001 年 2 月升空)
  • 協和號節點艙(Harmony,於 2007 年 10 月升空)
  • 哥倫布號實驗艙(Columbus orbital facility,於 2008 年 2 月升空)
  • 日本希望號實驗艙(Japanese Experiment Module,又稱 Kibo,於 2008~2009 年間分批發射升空)
  • 綜合桁架結構與太陽能板(於 2000~2009 年間分批發射升空)
  • 科學號實驗艙(Nauka,於 2021 年 7 月升空)

國際太空站在繞行地球的過程中,高度會逐漸下降。為了維持太空站的軌道高度,會以太空站的推進系統、或是以來訪的飛行載具引擎來提供推力,藉此推高太空站的軌道高度。太空站所在的低地球軌道上,同時也存在很多太空碎片。前面所提到的改變太空站軌道高度的方法,也可以應用在避開太空碎片撞擊的操作上(Debris Avoidance Manoeuver, DAM)。萬一太空站來不及執行 DAM 以躲避太空碎片,那麼所有的太空人將會集合到俄羅斯的聯盟號(Soyuz)太空船上,若太空站受到嚴重破壞時就可以緊急撤回地球。這樣的緊急疏散事件在 2009、2011、2012 和 2015 年都虛驚過一次,但只有進入聯盟號,沒有撤離。

圖 5. NASA 太空人 Nicholas Patrick 正在用太空漫步執行艙外任務,攝於 2010 年。圖片來源/wiki
國際太空站是怎麼運作的?影/YouTube

國際太空站上的實驗

由於國際太空站以高速繞著地球轉,太空站上的地心引力與離心力幾乎相互抵消。但是實際上,太空站上的重力環境其實並非是全然的「零重力空間」,而是還受到非常微小的重力影響,我們稱之為「微重力環境」(micro-g environment)。太空站設立的其中一個重要目的,就是做為在微重力環境下的實驗室,其研究領域包括天文生物學、天文學、氣象學、物理學、材料科學和太空天氣等。

在微重力的環境下研究植物生長、流體力學、材料合成、燃燒現象和結晶過程等,都有助於科學家更加了解在無重力下的各種物理現象。例如,圖 6 是非常著名的火焰實驗:在太空中燃燒的火焰會因為在微重力的環境下變成圓形的。另外一個重要的實驗,是研究長期在太空中生活對人體的影響,包括肌肉萎縮和骨質流失等問題。研究顯示長時間的太空旅行可能會造成太空人有重大骨折的風險,所以現在太空站上裝有為太空人設計的健身器材,讓太空人每天都能有固定的運動量,以防止肌肉萎縮及維持人體循環系統的健康運作。

圖 6. 左:在地表上的火焰形狀。右:在微重力環境下的火焰形狀。圖/Wikipedia

國際太空站的未來發展

在太空站上的各項實驗與儀器測試,對於 NASA 即將執行的重返月球計畫以及之後的火星登陸計畫尤其重要。除了累積在太空中操作與維修各種儀器的經驗之外,對於微重力、宇宙輻射和隔離對太空人身心健康的長期影響,也能研究出較可行的應對之道。

到 2010 年為止,國際太空站所花費的金額已經高達 1,500 億美金,遠遠超過了最初的預算。雖然很多人對國際太空站未來的持續運作抱持著反對的意見,但是基於考量到未來重返月球與登陸火星的計畫,2018 年美國國會還是通過相關法案,確定延長國際太空站的使用期限到 2030 年。

YouTube 相關影片:

NASA/JSC 專家 陳啟明談「國際太空站」:人類地球之外的家。影/YouTube
國際太空站的組裝過程 。影/YouTube
太空人的日常生活 。影/YouTube
國際太空站從太陽前方飛越而過 。影/YouTube

參考資料:

  1. International Space Station
  2. Shuttle–Mir program
  3. Assembly of the International Space Station
  4. Strategic Defense Initiative
  5. 福爾摩沙衛星二號 10 週年專題報導-4

 

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