答:“朱诺”号探测器靠什么探测木星的水?

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空少问答

小课堂

第142期

02

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一

答：“朱诺”号探测器靠什么探测木星的水？

上周六，空少为大家留了1个问题，来看看空少的解答以及从留言中选出的最佳答案吧！

想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《问：“朱诺”号探测器靠什么探测木星的水？》~下面就让我们来看看空少的解答吧！



空少正解

上期我们讲到，美国国家航天航天局（NASA）公布了基于“朱诺”号探测器的探测数据推算的木星大气的水的比例，认为水占木星大气的0.25%。“朱诺”号（Juno）木星探测器于2016年7月4日成功进入环绕木星轨道，为了更好的了解木星，它携带的科学仪器孜孜不倦的收集了木星的大气、云层、内陆的多项数据，还包括引力和磁场数据。这次公布的是“朱诺”号关于木星大气中水量探测得到的科学结果之一。

         



艺术图：接近土星南极的“朱诺”号木星探测器（来源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width_feature/public/thumbnails/image/pia21771.jpg）



不过，大气中的水用眼睛是没法直接看到的，那么“朱诺”号探测器是靠什么探测木星的水的呢？

“朱诺”号探测器对于水的探测主要用到两种仪器：微波辐射计和红外光谱仪。这里我们只简单聊一聊基本原理，不会做较多或较深的介绍。

首先我们说说微波辐射计，这是一种“被动式”的“微波”遥感设备。“被动式”的意思是它本身不发射任何电磁波，被动接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标的特性；微波是电磁波的波段，频率为30MHz -300GHz，对应波长在1毫米~10米。微波辐射计并不会用到这整个微波段，主要是测量22-200GHz频段，常用来探测连续的温度、湿度、液态水等廓线。大气辐射中对微波有吸收作用的主要是氧分子和水汽分子，其它的可以忽略不计，而水汽吸收主要是位于频谱22.23GHz和183.31GHz两处。所以，常见的探测方法是通过测量微波辐射强度，重点是水汽分子在22.235GHz附近的辐射强度或亮温，通过观测来自于水汽线压力增宽的辐射的强度和形状的信息，可以得到水汽廓线，简而言之可以分析很多关于水汽的信息。



微波辐射计的一些探测结果（来源：http://cimg.fx361.com/images/2017/05/02/djrg201705djrg20170582-2-l.jpg）



另一个就是红外光谱仪，它就是主动式的了，是利用物质对不同波长的“红外”辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析的仪器。所谓“红外”则是波长比红色光还长的光。简单的说，当一束具有连续波长的红外光（由仪器发出）通过样品，物质分子中满足一定条件时（某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样），分子会吸收一定波长的光，这个波长与分子中的能量态有关，有相应的理论和经验公式；所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的一些特征信息引起了光谱的变化，分析光谱来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。举个我们现在正在说的水的例子，红外光谱中吸收的峰的位置就反映了水分子的信息，如果是气态水，它的三个峰位置是v1=3652厘米、v3=3756厘米、v2=1596厘米，如果是液态水，由于水分子间的氢键作用，就出现了下图中3402厘米处和1647厘米处的吸收峰，而重水则是2502厘米和1210厘米，这都与分子的特征有关。感兴趣的朋友可以去看陆婉珍老师的《现代近红外光谱分析技术》，其中的内容非常全面。



液态水的红外光谱（来源：https://bkimg.cdn.bcebos.com/pic/1e30e924b899a9015c72634b1d950a7b0208f503?x-bce-process=image/resize,m_lfit,w_220,h_220,limit_1）



本期的空少课堂，关于探测水的方法的话题，就跟大家聊到这里。我们只简单介绍了“朱诺号”携带的这两种仪器，深入的原理则需要一定的背景知识。最后，再一次提醒大家疫情还未远去，大家务必牢记积极防护，保护自己，戴口罩，勤洗手。我们不仅需要做好自我防护，同时必须在生活中保持一个乐观积极的心态，同时还有健康的生活方式，这样我们才能够离病毒更远。

  

留言区·精选

@陈梽銘

用微波辐射计

@广书用力

热量从木星内部辐射通过大气时会被大气中的水吸收一些，像微波炉加热食物。用微波探测仪探测微波的情况可推知水量情况。

@Forrest

朱诺通过其搭载的微波检波器检测木星内部热辐射被大气层中的水吸收的情况来探测大气层中水含量


感谢大家的支持，我们下期再见！