天王星:「海王星你怎麼這麼熱?」,海王星:「不,是你太冷了.」

2021-01-22 牧夫天文

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編譯：徐釩

作者：David Crookes

校對：王茸 王婧彧

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦

海王星比天王星離太陽更遠，但它們的表面溫度卻非常接近。

冰行星海王星內部正在發生一些神秘的事情。Credit: All About Space/Tobias Roetsch

1989年，旅行者2號在12年的航行後到達了海王星，它發現了海王星的六個新衛星，首次拍攝了海王星環的照片，並發現了特別猛烈的風暴。


風暴的強度令人震驚。在南半球，海王星上的反氣旋——大黑斑中的風速可以高達1,500 mph（2414 km / h），是太陽系最強的。而當哈勃太空望遠鏡在五年後再次觀測時，它已經消失了，天文學家們想了解為什麼那裡的風如此猛烈。


他們還被另一個問題困擾：儘管離太陽更遠，但旅行者2號的數據顯示海王星比天王星更熱。正如物理學家Brian Cox在英國廣播公司（BBC）的紀錄片《行星》中所討論的那樣：「這種額外熱量的來源仍然是個謎。」 但這是否意味著我們手上有兩個謎，其中一個謎的答案可以幫助解釋另一個謎嗎？


在開始解決這兩個問題之前，我們必須首先明確「溫暖」的定義。由於海王星是氣態巨行星，因此我們無法像在地球的固體表面上那樣測量全球平均溫度。相反，海王星的核心可能很小，因此必須選定某個高度進行溫度測量。問題是，在什麼高度呢？

這張熱成像圖像是由智利的甚大型望遠鏡（VLT）拍攝的，顯示了海王星上溫暖的南極。

Credit: VLT/ESO/NASA/JPL/Paris Observatory

「我們只能測量最外層的溫度，」加州大學伯克利分校的行星科學家Michael Wong說。這樣一來，我們發現海王星實際上並沒有比天王星更熱——它們處於同一溫度。但是由於海王星離太陽較遠，獲得的太陽光較少，所以溫度本應該更低。


天王星和海王星接近的溫度表明，海王星散發的熱量與從太陽吸收的熱量的比值大於天王星的。美國宇航局戈達德太空研究所（GISS）的Anthony Del Genio告訴《All About Space》，「旅行者2號的測量結果表明，海王星散發的熱量是它吸收的太陽熱量的兩倍，而天王星並非如此。這就是事情變得有趣的地方。」 


海王星的情況並不罕見。Del Genio說：「 木星和土星散發的熱量幾乎是它們吸收的熱量的兩倍，而天王星則並非如此。天王星是顆奇怪的行星」。


Del Genio說：「隨著距離太陽越來越遠，溫度會越來越低，所以木星是氣態巨行星中最溫暖的，其次是土星，然後是海王星，天王星是最冷的。然而，這種不尋常的結果與天王星沒有明顯的內部熱源有關。」 海王星擁有一種將自身加熱到與天王星溫度相近的方法，而天王星除了來自太陽的熱量外無法產生任何額外的熱量。


什麼是內部熱源？簡單來說，就是在太陽系形成的時候遺留下的熱量。原恆星雲收縮時會產生熱量，這種效應被稱為開爾文-亥姆霍茲收縮。


加州大學伯克利分校的Joshua Tollefson說：「海王星以及木星和土星上的額外熱量很大程度上來自於重力收縮。隨著行星在自身引力作用下緩慢收縮，向內下落的物質將其勢能轉換為熱能，然後釋放出來。」


但是，我們尚不知道為什麼天王星沒有很多，或者幾乎根本沒有內部熱源。Tollefson說：「一定有東西阻礙了天王星的這一過程，這可能是由於其早期歷史中發生的將其撞倒的碰撞。所以現在的問題變成了，為什麼海王星有一個內部熱源，而天王星卻沒有？」

熱量可能不會以穩定的速度從內部釋放，而是類似「打嗝」。Tollefson說：「我們看到的可能只是天王星的相對平靜的時期，而海王星則剛剛釋放完熱量。「打嗝」是一種對流，它可能集中發生在一小段時間，但除非我們看到這些現象，否則我們不能確定這種假說是否正確。


這也可能是因為天王星比海王星更年老。美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心行星大氣研究高級科學家Amy Simon說：「一顆行星輻射的熱量主要取決於它的年齡以及它釋放熱量的速度，一顆更老的星球會更冷，而它們釋放的速度取決於內部結構和成分、雲層、對流等，總之相當複雜。」


Simon認為，在氣態巨行星上，可能會有大量的氦雨，這會影響熱量的釋放。對於天王星和海王星來說，它們的年齡可能不同，或者更可能是，將天王星撞倒的撞擊事件可能使它的內部結構變得混亂，或者快速地釋放了大部分熱量。


那這些風呢？不可否認，它們非常兇猛，這可能與溫度有關。


Voyager 2團隊的行星天文學家Heidi Hammel說：「我們長期以來一直猜測海王星和天王星的低溫可能導致近乎無摩擦的狀況，因此產生了更大的風速。」


她也認為，在海王星風景中沒有像山脈、丘陵這樣的可以減慢風速的地貌。但是風暴與內部熱源之間有什麼關係嗎？Hammel說：「也許有吧，但是內部熱量和接收的陽光之間也存在一些微妙的平衡。」


由於外行星上任何現象變化的時間都很長，所以很難量化這些變化。Hammel說：「因為海王星上的一年是地球的165年，所以我們沒有機會用現代工具研究它的大部分季節性變化。研究外行星的大氣層需要很大的耐心和對過去和未來幾代行星科學家的信任。」


「我想該理論應該是接收到的太陽能量越多，風能就越猛烈，因為在地球上，我們很早就知道，太陽吸收的能量會轉換為大氣中的動能，也就是風。」


地球是一個效率很低的熱機。原因之一是它的固體表面通過摩擦耗散了風能，而氣態巨行星卻並非如此，這就是為什麼所有巨型行星的風都比地球強得多的原因之一。

天王星（如圖）與海王星的溫度大致相同，但海王星離太陽更遠。

Credit: NASA/JPL

Simon說：「風的產生的地方可能比太陽光能穿透的更深，因此風可能產生於內部熱量和自轉的結合。」那為什麼天王星和海王星具有相似的自轉速度，但風速不同呢？Simon說：「這是暗示我們，它們之間有些不同：可能是內部熱量或其它原因。」


木星大紅斑的風速可以達到每小時384英裡，而天王星的風速可達每小時560英裡，海王星的風速可達每小時1500英裡。NASA的Tollefson說：「它們都比木星的風要快。但僅靠天王星的內部熱量無法解釋它的風速。」


行星的質量、內核尺寸和徑向密度分布等內部結構對於理解它們的風極為重要。對於木星和土星，因為美國宇航局的朱諾和卡西尼號探測器獲得了非常好的重力數據，所以我們可以建立良好的內部結構模型來研究它們上面風的形成和佔據的深度。


計算機模擬表明，冰行星的風會被限制在其大氣層的較淺的深度。這表明我們在天王星和海王星上看到的風可能至少一部分是由於水等物質的凝結時釋放的潛熱所產生的。


Del Genio還質疑了可用的數據。他解釋說，當我們在海王星上測量風時，我們只會測量一個特定的高度。而在其它高度的風可能會更慢或更快。但我們不知道到底如何，因為我們從未對大多數外行星的大氣層進行過探測。


海王星和天王星表明，在相似條件下形成的行星可能產生兩個極端狀態。Simon說，這有助於限制這些行星形成的模型，並為太陽系的形成提供線索。由於它們離太陽很遠，這有助於幫我們更好地理解深環流。


Hammel說：「它們增加了我們對行星大氣的物理學和化學知識，並可以幫助我們更好地了解我們自己的地球，因為無論在地球還是在遙遠的海王星上，物理學和化學都以相同的方式起作用。」


原文連結：

https://www.livescience.com/something-strange-inside-neptune.html

版面編排：琇    茹

責任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

暗物質風暴吞噬地球

來自：InformOverload

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