气体成分分析

气体成分分析 人类没去过木星，是怎么知道木星的气体成分和压强的？

随着《流浪地球》的热映，木星也迅速成为了网红，人们惊叹它巨大引力时也被它瑰丽的气体云层所惊艳到。

人类通过天文望远镜观测和发射木星探测器测算出来了它的气体成分和压强。

目前已知木星的大气层环流约有3000km，占木星质量的1%。

木星是太阳系内体积和质量最大（是7大行星质量总和的2.5倍，1/1000太阳质量）、自转最快、压强最大的气态行星。

它主要是75%质量的氢气，25%质量的氦气。

我们能看到的大气云层的顶端，它的压强比一个气压略高，但在它核心压强是地球的10万倍。

我们对木星的大气和压强如此了解，科学家们是怎么知道的呢？最早发现木星的是伽利略，他在1610年用天文望远镜观察到。

第一个探测器对其探测的是，美国NASA在1972年发射的“先驱者10号”。

它探测到了木星磁层和传回300多副木星图形；第二个是1973年发射“先驱者11号”，1974年到达距离木星4.6万km的高空，发回了木星磁场、辐射带、温度、大气层结构等信息；第三个是1977年“旅行者一号”和“二号”，在1979年发现了它有个光环；第四个是1989年发射的“伽利略号”，它绕木星飞了34圈，获得了木星大气层的第一手资料(它在2003年坠毁于木星)；第五个是2011年的“朱诺号”，在2016年到达木星轨道，每年绕行木星32圈，探测木星的内部结构和测定大气成分，并研究木星大气对流情况和探测木星磁场起源和磁层，科学家希望这些能了解木星的形成、演化和本体内部结构等。

全部计划已在2017年结束。

科学家们对木星还在持续探测和研究中，相信木星越来越多的秘密会呈现在人们面前。

对于气体可以通过光谱分析来了解其主要成分。

原子的吸收谱线，是进行这种分析的基础。

发射谱和吸收谱学过初中化学我们就应该知道不同元素原子带的电子数量是不同的，而学过高中物理就应该知道光的吸收和释放是电子在不同能级上跃迁所造成的——电磁辐射的吸收是物质（通常是原子中的电子）获得光子能量的方式，并从而将电磁波能量转换为吸收体的内能（热能）。

不同物质因电子层数（能级）的不同，因而发射光子或者吸收光子的光波波长有所不同，能量与电子能级匹配的光子被发射或吸收的几率更大，因此发射谱或者吸收波谱又可以作为元素分析的依据。

上图：氢的发射谱（上）和吸收谱（下）——在特定的波长处存在着突显或者缺失的谱线，那就是氢原子的特征谱线。

吸收光（波）谱是指由于光与被观测样品的相互作用而被吸收部分的光谱。

样品从辐射场吸收能量（光子），且吸收强度随频率而不同，如此产生的特征光谱叫吸收光谱。

上图：对于高热的发光气体，可以用气体的发射谱来进行分析；而对于冷气体，则采用光源通过气体后的吸收谱来分析。

光谱学光谱学是研究物质与电磁辐射之间相互作用的学科。

历史上，光谱学是通过棱镜研究可见光被分散的波谱而产生的。

后来，该概念被大大扩展，包括作为其波长或频率的函数的任何与辐射能量的相互作用，这主要应用在电磁波谱中，尽管物质波和声波也可以被认为是辐射能量的形式。

涉及电磁波谱的光谱学是物理学、化学和天文学领域的基础探索工具，允许在原子尺度，分子尺度，宏观尺度和其他方面研究物质的成分、物理结构和电子结构。

对于木星这种不发光的天体，主要采取对其大气的吸收光谱进行分析。

即通过木星反射的太阳辐射来进行分析。

木星上色彩斑斓的大气，实际上就是其大气区域成分的体现。

用高精度的仪器可以对这些成分进行更精确的量化分析。

上图：遥远天体发射光会被途径的气体云所吸收，这构成了对空间星际物质分析的基本结构。

利用空间轨道光谱分析设备可以获得不受大气干扰的光谱信息（地球大气也是要吸收光的）。

总结我们无需飞到木星去采样木星的大气就可以了解木星大气的构成——只需要对来自木星的光谱进行分析。

实际上即便是取得采样，也需要通过光谱仪对气体样品中的成分进行精确的分析，这是目前最先进也是非常成熟的物质成分分析技术。

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