土星極地六邊形來了!這個巨型「三明治」,實際上是層狀雲霧結構

2020-12-13 天文在線

西班牙的研究人員發表了一項新的研究，揭示了懸掛在土星北極的著名六邊形上方是像三明治一樣的多層次結構薄霧的細節。

圖為卡西尼號於2013年11月27日拍攝到的土星及其圓環和北極六邊形。

圖片來源：NASA/JPL/SSI/Lights in the Dark

你是否知道在土星北極有一個巨大的、持久的、六角形（六邊形）的雲層？實際上，土星的六邊形是在太陽系中最不常見也是最容易辨認的特徵之一。現在，來自西班牙巴斯克大學研究人員正在進行的一項研究揭示了有關懸掛在六邊形上方的薄霧，是類似三明治結構的多層的細節。這些發現來自於對哈勃太空望遠鏡拍攝的圖片和卡西尼號太空梭從2004年至2017年繞土星運行時傳送回的圖像的檢查。

這一結果來自於一篇在《自然通訊》期刊上新發表的經過同行審閱的論文。

2015年6月，在卡西尼號飛船主攝像頭對土星邊緣拍攝而得的高解析度圖像中第一次捕捉到了土星六邊形上方的薄霧。這些圖像甚至拍攝到了0.6-1.2英裡（1-2公裡）大小的細節。因此，只要利用從紫外線到近紅外線的濾色器，卡西尼號就能夠看到薄霧，還能分析薄霧的成分。

這些薄霧懸於形成六邊形的雲層之上。科學家們發現薄霧層裡至少有七層明顯的分層。

卡西尼號拍攝的一張土星北極六邊形的近距離照；小圖為六邊形上霧層的特寫。

該研究的發起人Agustín Sánchez-Lavega提到：卡西尼拍攝到的圖像使我們能夠發現土星六邊形，就像一個已經做好的三明治那樣，實際上是一個擁有至少七層的多層系統，從雲層的頂端向外一直延伸到超過186英裡（300公裡）的高度。其他寒冷的星球，例如土星的衛星土衛六，或是矮行星冥王星，也有類似的多層雲霧，只不過無論是從數量上看，還是從霧層的間隔規律上看，都遠遠比不上土星六邊形上方的薄霧。

摘要：

2015年6月，卡西尼號高解析度拍攝的土星六角形波以南的翼部圖像顯示，在上層雲層上方至少有六層堆積的霾層。在這裡，我們描述了這些霧霾層的特徵，並討論了它們的性質。垂直厚度7 ~ 18 km [4-11 mi]，海拔約130 km [80 mi]，壓力水平0.5 bar ~ 0.01 bar。在它們上方，一層稀薄但延伸的氣溶膠層達到了約340公裡[211英裡](0.4毫巴)的高度。光譜反射率的輻射傳遞模型表明，霧霾特性與直徑為0.07-1.4 um、數密度為100-500 cm-3的粒子一致。霧靄的性質與碳氫化合物冰(包括乙炔和苯)在高海拔地區冷凝形成的霧靄是一致的。它們的垂直分布可能是由於六邊形及其相關東噴流的動力強迫所產生的向上傳播的重力波。

土星大氣層級結構圖（包括最頂部霧層）圖片來自KHadley

哈勃望遠鏡和卡西尼號類似，都可以從土星上方，而非土星盤面邊緣直接觀測該六邊形。

關於土星六邊形和其霧層的最新研究表明，在土星紊流深布的氫氣層中，其天氣系統和其它氣象的複雜性令人嘆為觀止。

每層霧層厚度在4.3~11英裡（7~18公裡)之間，非常小的微粒構成，直徑約為1μm左右(百萬分之一米）。 根據卡西尼號回傳的數據，這些顆粒由碳氫化合物冰晶組成，如乙炔、丙炔、丙烷、雙乙炔和丁烷等。 地球大氣幾乎沒有這些物質，不過這也很正常，因為土星的大氣主要是成分是氫，而且溫度在-184℉~-292℉（-120℃~-180℃）之間，比地球溫度低得多。

研究人員還發現，霧層有一個規則的垂直分布。科學家認為這是是由重力波的垂直傳播引起的，引起了大氣密度和溫度的周期性振蕩變化。 這種現象還是比較常見的，在其它行星包括地球在內也有類似現象。 據研究人員說，重力波可能是由六邊形本身和圍繞它的強大射流（jet stream）引起的。 即使在地球上，這種類似的重力波也被探測到過，是由噴氣流產生的，它們以每小時62英裡（100km/h）的速度在中緯度地區傳播。 然而，在巨大的土星上，這種重力波和射流速度更快、力量更強大。

從卡西尼號拍攝的土星六邊形軌跡的高解析度俯視圖。六邊形的中心有一道巨大的颶風，並且還可以看到許多其他較小的風暴。不同的顏色是由紫外線到可見光的不同波長組合而成的。圖片來源：NASA Science。

通過卡西尼號從上方觀測時，有著令人驚訝的發現，六邊形看起來幾乎是完美的，就像一塊巨大的藝術品漂浮在土星的北極上。六邊形的中心是巨大的颶風，颶風之眼比地球上平均的颶風之眼大50倍。在六邊形內還可以看到許多其他較小的旋渦，其中一些隨急流一掃而空。

在這個高解析度的影片中，你可以看到六邊形內部特徵的移動。地球上的颶風通常只持續大約一周左右，而這個六邊形和中心颶風被認為沒有幾個世紀也至少已經存在了幾十年。正如前卡西尼成像團隊的安德魯·英格索爾(Andrew Ingersoll)所說：

六邊形僅僅是氣流，眾所周知，與之相似的天氣特徵是湍流和不穩定。地球上的颶風通常會持續一周，但這已經持續了數十年，誰知道呢有可能持續了幾個世紀。

聖地牙哥·佩雷斯-霍約斯、奧古斯丁·桑切斯·拉維加、特蕾莎·德爾·裡奧·加茲特魯蒂亞和裡卡多·韋索，他們參與了這項新的研究。圖像來源：UPV/EHU/Campusa。

六邊形颶風令人嘆為觀止的美麗，以及它上面錯綜複雜的霧層，表明了土星的大氣層和天氣系統是多麼複雜。在某些方面，它們讓人聯想到地球上的風暴和天氣，但土星上的規模要大得多，而且表現方式與我們地球上看到的任何東西都不同。

要旨：一項新的研究揭示了懸掛在土星北極巨大的六邊形颶風上方的多層三明治狀霧層的細節。

作者：Paul Scott Anderson

FY：Astronomical volunteer team

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