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直上云霄,土星北极有2个六边形漩涡

2020-01-20 08:03

原标题:土星北极有2个六边形漩涡

原标题:土星北极六边形:直上云霄

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出品:科普中国

土星北极发现六边形高空旋涡 精确匹配其大气深处的著名六边形云纹

在地球上,极地涡旋通常在春季消散。这项新研究发现,土卫六北半球的极地涡旋会持续超过月球的夏至,持续到地球6月下旬,持续四分之三土卫六年,即大约22个地球年。这项新研究使用了美国宇航局卡西尼号宇宙飞船和地球上发展起来的大气科学测量数据,以了解土卫六上观察到的季节变化。这项新研究扩展了研究人员先前的工作,他们认为泰坦上极地涡旋的存在解释了月球平流层中微量气体的富集,而微量气体的富集解释了南半球涡旋在初冬时观测到的异常寒冷。

转动中的土星北极六边形

制作:haibaraemily

土星北极独特的六边形旋涡。图片来源:NASA官网

图片 4土卫六南极涡旋,图片:NASA/JPL-Caltech/Space Science InstituteNASA/JPL-Caltech/Space Science Institute" style="width:60%;margin:1rem auto">

Credit: NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University

监制:中国科学院计算机网络信息中心

美国国家航空航天局官网6日报道称,一项基于卡西尼号探测数据的长期研究显示,土星北极附近出现了令人惊讶的特征一个六边形的温暖高空旋涡,其精准匹配云层更深处的著名的六边形云纹。

{"type":1,"value":"根据这项新研究,微量气体导致的冷却和下沉空气导致的变暖将泰坦冬季分为两个阶段。英国布里斯托尔大学(University of Bristol)行星科学家、新研究的主要作者尼克·廷比(Nick Teanby)说:地球在冬天会因为两极缺乏阳光而变冷,但额外的气体不会产生这种额外影响,而在泰坦上,你会发现这些奇怪的气体,这使得这个过程比其他情况下更加极端。Teanby和同事之前的工作描述了微量气体和极地涡旋之间的关系,但是这项新研究是第一次全面分析泰坦平流层的温度和组成季节变化,基于卡西尼号整个土星系统13年的红外测绘数据。

当卡西尼号探测器在2014年抵达土星系统时,土星南半球正值夏季,而北极正值冬季。卡西尼号在土星的南极上空发现了一个宽广的,温暖的,高空漩涡,但是在土星的北极上空没有看到。

除了绚丽的环系,土星最让人着迷的可能就是北极的六边形结构了。

新发现发表在《自然通讯》上。研究人员认为该发现很有趣,因为它表明这个低海拔的六边形可能会影响云层深处,这可能是一个高达数百英里的高耸结构。

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一项新的长期研究发现,当土星的北极接近夏季时,土星的北极出现了令人惊讶的特征,著名的土星六边形漩涡上方,出现了另一个六边形漩涡,科学家们将其称为塔状结构。这项研究于9月3日在《自然通讯》上发表。

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上世纪80年代,NASA旅行者号探测器发现了土星著名的北极六边形云纹,其已被研究了几十年,这是一种与土星自转有关的持久波,这种现象在地球的北极也能观察到。

受美国宇航局卡西尼号任务数据的启发,在土卫六北极北部的冬季,当北极偏离太阳时,会有漩涡和高浓度的有机气体聚集在那里。当土卫六经过春分和北极向太阳倾斜时,在南极形成了一个漩涡。在土星的卫星上,冬天是漫长的,那里一年持续29.5个地球年。图片:ESA

这是科学家们首次看见一个北极漩涡在土星北极上空形成,这个气旋位于云层上方数百公里,这一层称为平流层。

图:土星北极六边形。来源:NASA

当卡西尼号于2004年抵达土星系统时,土星南半球正在享受夏季,北半球正处于冬天。飞船在土星的南极发现了宽阔而温暖的高空旋涡,但没有在北极发现这类现象。虽然卡西尼号携带的复合红外光谱仪观察了多种波长的特征,但当时该仪器无法进一步进入北极平流层,那里温度太低而无法进行可靠的红外观测。

Aeolis Research行星大气专家克莱尔纽曼(Claire Newman)说:这是第一次有一篇论文研究了卡西尼号的整个数据集,涵盖了泰坦年近一半的时间,研究了南北极地涡旋的演化可能有何不同,依靠这些观测来了解模型是如何正确地捕捉到土卫六本身发生了什么。在未来,这项新研究作者希望有足够的数据将地球大气模型应用到土卫六上,并试图预测月球上的气候趋势。在一个全新的世界上测试模型可以帮助科学家们使模型更加稳定。有一天,土星这颗不寻常的卫星可能会帮助科学家更好地了解地球大气层。

来自英国莱斯特大学,这项研究的主要作者Leigh Fletcher说:“当土星北极越来越温暖时,我们确实期待看到某种形式的漩涡,它的形状确实令人惊讶,两个不同的六边形漩涡在土星北极不同高度形成。一个在云中,一个在高出的平流层。实际上这就是一个跨度数百公里范围的塔状结构。”

尽管这个神秘的六边形总不轻易揭开它的面纱**。**

现在,新研究第一次报告了土星北半球接近夏季时形成的高空气旋。温暖的旋涡位于云层之上数百英里的平流层,给科研人员带来意想不到的惊喜。其边缘看起来也呈现六边形,精确匹配土星大气深处的著名六边形云纹。研究主要作者、莱斯特大学的雷弗莱彻说。

冬季旋涡

土星北极六边形漩涡于1980年代由NASA的旅行者号探测器首次发现,并且被研究了几十年,它是一个持续时间很长的波,可能与土星的自转有关,这种现象在地球上也能看到,例如极地的急流(Polar Jet Stream)。

1981年8月,旅行者2号探测器近距离飞掠土星,但当时并没有发现北极有六边形结构

卡西尼号项目科学家琳达斯皮尔克说:六边形的范围仍在持续增长,我期待看到数据中的其他新发现。

有趣的是,泰坦就像一个微型地球,有着非常奇特和寒冷的大气层,可以用它来测试气候模型和类似的东西。这就是我们烦恼的原因所在,但我想真正的动机是,尝试着解决这些问题真的很酷。土卫六的自转轴与地球自转轴倾斜度大致相同,这使得卫星的季节与地球相似,但土卫六和土星围绕太阳公转的周期长达29个地球年。美国宇航局卡西尼号宇宙飞船观测到了土卫六季节的变化,从冬季中期到北半球夏至。

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确实,旅行者2号当时传回了很多包含了土星北极的照片,但些照片并不是正对极区拍摄的,因此很长一段时间里,人们都没有从这些被高度拉伸变形的北极照片中看出什么…直到7年后。

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位于土星北极平流层六边形漩涡的亮度图

1988年,美国国家光学天文台的Godfrey重新处理了这些照片[1],他将这些照片重新投影和拼接,才惊讶地发现土星的北纬77°附近居然有一个如此之大的六边形涡旋结构——

当卡西尼号在2004年到达土星时,土卫六的北极被极地涡旋所包围,从南极到北纬45度左右,大约是地球上蒙大拿南部边界的位置。极地涡旋是一种由冷空气和低压组成的大帽子,冬天它位于两极,沿着地球或月球自转的方向旋转。强烈的西风急流环绕着南极,并带走了寒冷,造成了与赤道暖空气的明显分离。喷流屏障可以避免气团的混合,并将化学物质和冷空气留在涡流内。在地球上,这个大的大气系统边缘位于大约60纬度,加拿大育空地区的南部边界和北半球的西北地区。

Credit: NASA/JPL-Caltech/University of Leicester/GSFC/L.N. Fletcher et al. 2018

每条边长达1.38万公里,比地球的直径还要长

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土星的两极不一样,当土星南极正值夏季时,南极上空的云中以及云顶都没有六边形的漩涡。

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日光穿过土卫六的大气层,在这张由卡西尼号于2018年6月拍摄的照片中,北极上空笼罩着一层雾霾,底部出现了一丝南极的votex信号。这张照片拍摄于2018年6月,大约是地球经过月球春分进入南半球冬季的三年时间。图片:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

了解土星的北极漩涡为何具有六边形结构,深层大气如何影响高层环境,科学家们对此很感兴趣,并试图查明大气层中的能量是如何传播的。返回搜狐,查看更多

图:“拼图”里发现的土星北极六边形。来源:参考文献[1]

低纬度地区会遇到涡旋,就像去年1月北美遭遇的那样,当环绕地球的急流减弱或蜿蜒时。卡西尼号发现土卫六的北极涡旋在春分前后一直存在,并在夏天破裂,和地球上的涡旋很像,但在一年的晚些时候会持续。同时,在秋分后不久,一个新的涡旋开始在南极形成。令人惊讶的是,初期形成的南方涡旋比北方涡旋更冷,而北方涡旋只有在冬季才被观测到。这项新研究表明,这种差异可能是泰坦的化学物质在冬季早期形成的超冷阶段,而不是两极之间的内在差异。

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漫长的四季

奇怪的化学

那土星的南极有没有类似的结构呢?那时候还不知道。

新研究表明,泰坦的大气化学物质可能会加剧其极地涡旋。和地球的大气层一样,泰坦大气层主要是氮气,而表面的压力大约是地球海平面压力的1.5倍。但与地球不同的是,大气中剩下的2%主要是甲烷,这是天然气的主要成分,当泰坦上下雨时,就会产生碳氢化合物。在土卫六相对炎热的高层大气中,甲烷与来自太阳和土星磁场的能量发生反应,产生微量气体,如氰化物、乙烯、乙烷和更大的有机分子。这些气体中的一些构成了泰坦特有雾霾。卡西尼号在冬季两极观测到这些微量气体的富集,新研究发现,这种富集在冬季早期最为明显,那时北极也更冷。

因为旅行者2号飞过土星时,正逢土星南半球的冬季——整个南极都淹没在一片黑暗之中。

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而旅行者2号的轨道设计只是飞掠而过,看完这一眼就再也没有回头。

在土卫六上,就像在地球上一样,赤道和暗冬极之间的温差最终导致了极地涡旋形成。在这两个世界上,冷空气都在下沉,在冬天把北极的上层大气往下拉。当微量气体向下混合进入较冷泰坦大气层中层时,它们会凝结成液体或固体云。浓缩微量气体就像一个水池,加速了更多微量气体从产生它们的大气层顶部向下的运动。微量气体通过发射红外线使泰坦平流层的寒层变得更冷。红外线刚好在可见光的光谱之外,人类可以感觉到它是热的。当微量气体发光时,它们就会失去能量,而能量通过向太空辐射而冷却大气。

是的,遥远的土星有一点和咱们的地球挺像的,那就是自转轴倾角(也就是自转轴和公转轨道面的夹角)都是20多度,这意味着土星和地球一样,也有明显的四季更迭,南北极也有极昼和极夜——只不过,土星的一年差不多有29.5个地球年那么长,也就是说,土星上的每个季节,是地球的30倍长。

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当然,后来等到土星的南极从黑暗中露出脸来,一些地基天文望远镜和哈勃空间望远镜都对土星的南北极进行过观测,然而,南极并没有这样的六边形涡旋,只有一个巨大的圆形的涡旋。

这项新研究提出,现在更冷的空气下沉速度更快,处于一个寒冷的反馈循环中。这一切都发生在冬天的开始,所以冬天开始真的非常非常冷。最终,所有下沉空气引起压力增加产生了它自己的热量,从而抵消了反馈循环。作者认为这在泰坦的冬季形成了两个截然不同的阶段。当进入冬季越深,环流越发达,就会得到相反的效果,由于大气下沉时的压缩作用,平流层开始变暖。所以冬天有两个阶段是很奇怪。不完全确定这是怎么回事,但这是我们目前的理论。

也就是说,土星北极的六边形结构不管是在太阳系中,还是在土星上,都是独一无二的。

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博科园-科学科普|研究/来自: 美国地球物理联盟

图:卡西尼号拍摄的土星南极和北极。南极有一个巨大的圆形涡旋,而北极则是一个稳定的六边形结构加上极点3°附近的一个小型涡旋。来源:NASA

参考期刊文献:《地球物理研究快报》

然而,还是由于土星的豪华超长版四季,我们很难持续跟踪土星南北极涡旋随季节的变化,不要说一个土星年了,跟踪半个土星年(14.7个地球年)都很难。

DOI: 10.1029/2018GL081401

直到卡西尼号探测器的到来。

博科园-传递宇宙科学之美

1997年10月15日,卡西尼号发射于美国卡纳维拉尔角。

2004年6月30日,卡西尼号成功进入土星轨道,那时北半球的冬至(2002年10月)刚过去不久。

此后,卡西尼号开始了长达13年的土星探测,刷新了我们土星、土星环系和土星的多颗卫星的认识。

一直到2017年9月15日,一年前的今天。

为了避免由于轨道失控污染了土星的卫星们(尤其是土卫二这样可能具备生命存在条件的卫星),卡西尼号选择趁燃料还未耗尽之时主动撞向土星大气层坠毁来结束任务。

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图:卡西尼号结束任务。来源:NASA

在这13年里,卡西尼号是叱诧整个土星系的王者。

在这13年里,卡西尼号也幸运地见证了土星的南半球如何从盛夏进入隆冬,而北半球又是如何从隆冬进入盛夏

我们终于有了可以持续观测土星北极六边形随季节变化的机会。尤其是通过卡西尼号的复合红外光谱仪(CIRS)这个大杀器,它相当于是一个高阶版三棱镜,可以捕捉和分解近红外信号,分析不同波长的辐射强度和不同化学成分的含量变化。

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图:卡西尼号的结构和它携带的复合红外光谱仪(CIRS)。来源:NASA

北极:从冬天到春天

土星北极的六边形结构发生在哪里呢?之前认为,在土星的对流层

和地球相似,对流层是土星最底层的大气层,土星的云都在这一层里。随着压强增加,从对流层顶部往下有三种不同的物质凝结成云:最上层是氨的冰,中间是氢硫化氨的冰,最下层是水冰。

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图:土星的对流层和平流层。改编自:© 2011Pearson Education, Inc

英国莱斯特大学的Fletcher小组通过跟踪卡西尼号2004-2014年的探测数据,发现从2007-2013年底的土星北极亮温图中,北极的六边形结构和极点的小涡旋在**对流层**中都稳定存在[2]。

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图:卡西尼号的复合红外光谱仪(CIRS)获取的土星北极对流层的亮温图。不过需要注意的一点是,这里的“亮温”,其实是一种对辐射强度的等效表达,所以虽然是“温度”,但其实并不是这个区域的实际温度。来源:参考文献[2]

而与平流层的对比亮温观测也进一步证明,这个六边形确实在对流层,因为平流层的亮温图里就没有看到任何六边形的痕迹

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图:卡西尼号的复合红外光谱仪(CIRS)获取的土星北极平流层的亮温图,没有看到任何六边形的轮廓。来源:参考文献[2]

但Fletcher小组也发现,从冬季(2004年)到春季 (2014年)这一期间,北半球表现出的季节性变化其实并不显著:尽管北半球如预期一样在慢慢变暖,但完全比不上卡西尼任务开始阶段观测到的南半球盛夏时那样的剧烈温度变化[2]。

也就是说,在那个北半球即将到来的夏天,也就是卡西尼任务最后的几年时间里(2014–2017年),土星的北极可能会突然变得活跃。

科学家们焦急地等待着卡西尼号用最后的时光来给出答案。

盛夏的平流层:“另一个六边形”?

2017年5月,土星北半球的夏至如期而至。

2017年9月,卡西尼号结束任务。

近期,Fletcher小组继续分析了卡西尼号最后几年的观测数据,结果不仅填补了卡西尼长达13年的极区跟踪观测的最后一点空白,还发现了更大的惊喜:

土星北极的平流层在春夏之交也突然开始显现出了和对流层六边形一样的六边形结构!这一结果发表于2018年9月3日的《自然·通讯》杂志[3] 。

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图:卡西尼号的复合红外光谱仪(CIRS)获取的土星北极平流层的亮温图,从2014年10月那张开始可以看到亮温差异的六边形轮廓,红圈标出的是六边形轮廓最清晰的几张。来源:参考文献[3]。

这个平流层中的六边形会不会是自己独立形成的?可能性不大,因为它和对流层那个六边形太像了,很难想象在风云变幻的土星大气层中,会在相同位置的不同高度独立形成两个一模一样的结构。

更可能的是,土星极区的六边形结构并不仅仅局限在对流层,而是穿破了对流层与平流层的边界(也就是对流层顶),一直延伸到了平流层——

那是一个高达300公里的六边形高塔,从云层中耸立出来。

不过,这个夏季才显现出来的平流层六边形结构是一直就有的吗?**我们还不能确定。**由于2014年之前的平流层数据信号较弱,所以科学家们目前还无法确认这个平流层的六边形塔到底是由于季节变化到了春夏才“升上来”的,还是一直就矗立在那里。

北极涡旋:好像确实比南极弱一点?

尽管土星北极的六边形涡旋在卡西尼任务的最后几年里确实变得更加活跃了,但即使在“巅峰”时期,土星北极温度和风的变化依然没有达到南极“巅峰”时的程度,北极大气中的一些碳氢化合物的相对含量(尤其是乙炔、甲基乙炔、丙烷、丁二炔和二氧化碳)也远低于南极,这意味着土星的北极涡旋可能确实没有南极涡旋发育得那么“成熟”

这倒也不难理解,毕竟北半球的夏天发生在远日点附近,而南半球的夏天则发生在近日点附近,南北极在夏天的能量积累情况有所不同

另一方面,我们对南北极气旋还有太多不了解的地方。尽管我们已经知道,土星北极的六边形结构是与自转相关的极区急流引起的,知道南北极气旋的活跃会伴随着温度的升高和大气中碳氢化合物的富集,但更具体的形成机制还不清楚。除了季节(光照)因素之外,还有很多因素会影响大气的温度和运动状态,例如大气下沉引起的温度升高、大气成分变化、乙烷和乙炔这类冷却剂的影响、大气层中的霾/气溶胶的影响…这些我们都还远远未能深入了解。

比如这次的研究还发现,在平流层较低的位置(2 mbar到100 mbar的高度之间)(越高的地方气压越小,1 bar约等于地球上的一个标准大气压),北极的观测温度与之前的理论估计比较吻合,而南极的观测温度却整体比理论值偏高,这意味着我们之前对土星大气温度的理论估计中漏掉了某种只有南极才有的热源,也意味着我们对极区温度变化机制的理解是不完备的。

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图:南北极的温度随高度变化曲线,黑色实线和虚线是理论值,彩色是实际观测值。来源:参考文献[3]。

还有一种可能是,北半球在夏至之后还会继续变活跃,甚至会持续到秋分。或者说,北半球活跃期的巅峰还没有完全到来

但很可惜的是,卡西尼号没有机会证实这一点了

或许接下来的地基天文望远镜和空间望远镜可以做一定的后续跟进观测。

比如…作者在最后表示,也可以期待万年跳票的詹姆斯韦伯望远镜啊。(你们是认真的么?

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后 记

终于发现原来一次推送可以发两篇文章!于是今天推送的第二篇文章补发了去年4月首发于知乎专栏的关于卡西尼号壮丽终章的介绍。

去年的今天,也就是卡西尼号坠毁的那天对蒙酱也是个重要的日子,那是我博士毕业典礼日子。当时写了一篇半是纪念卡西尼号,半是纪念自己的文章:卡西尼号||一眼二十年。

光阴荏苒,匆匆又是一年。

隙中驹、石中火、梦中身。

关于作者

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灰原哀博士(haibaraemily),从事行星科学研究,本公众号主页君。更多精彩,欢迎关注公众号~

知乎、微博、果壳:@haibaraemily

参考文献

[1] Godfrey, D. A.(1988). A hexagonal feature around Saturn's north pole. Icarus, 76(2), 335-356.

[2] Fletcher, Leigh N.,et al. "Seasonal evolution of Saturn’s polar temperatures andcomposition." Icarus 250 (2015): 131-153.

[3] Fletcher, L. N., Orton, G. S., Sinclair, J. A., Guerlet, S.,Read, P. L., Antuñano, A., ... & Hurley, J. (2018). A hexagon in Saturn’snorthern stratosphere surrounding the emerging summertime polar vortex. Nature communications, 9.

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