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這張旅行者2號拍攝的海王星圖像顯示了一個寒冷、黑暗、狂風肆虐的世界。1989年，美國國家航空航天局(NASA)的旅行者2號成為第一艘也是唯一一艘觀測海王星的宇宙飛船，它在距離海王星北極約3000英裡的上空飛過。遙遠的天王星和海王星——我們太陽系的冰巨星——就像它們的遙遠一樣神秘。美國國家航空航天局(NASA)的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將在2021年發射後不久，解開這兩顆行星大氣的秘密。
寒冷而遙遠的天王星和海王星被稱為「冰巨星」，因為它們的內部結構與木星和土星不同，木星和土星富含氫和氦，被稱為「氣體巨星」。冰巨行星比它們的氣態兄弟小得多，體積介於類地行星和氣態巨行星之間。它們是太陽系中探索最少的一類行星。韋伯計劃研究天王星和海王星的環流模式、化學成分和天氣，只有韋伯可以做到這一點。
「韋伯能夠做到的關鍵事情是，繪製它們的大氣溫度圖和化學結構圖，這是任何其他設施都難以做到的，」這項研究的負責人、英國萊斯特大學行星科學副教授利·弗萊徹解釋說。「我們認為，與氣態巨行星相比，冰態巨行星的天氣和氣候將具有根本不同的特徵。部分原因是它們離太陽太遠，體積更小，在軸上旋轉更慢，但也因為氣體的混合的量與木星和土星非常不同。」
天王星和海王星高層大氣中的所有氣體都有韋伯可以檢測到的獨特化學指紋。至關重要的是，韋伯能夠區分不同的化學物質。如果這些化學物質是由陽光與大氣相互作用產生的，或者它們是通過大規模的環流模式從一個地方重新分布到另一個地方，韋伯將能夠看到。
天王星：傾斜的行星
與太陽系的其他行星不同的是，天王星——連同它的光環和衛星——都是側傾的，與軌道平面的旋轉角度大致為90度。這使得行星看起來像一個球一樣繞著太陽旋轉。這種奇怪的方向——可能是在太陽系形成之初與另一顆巨大的原行星發生巨大碰撞的結果——導致了天王星上的極端季節。
當美國宇航局的旅行者2號宇宙飛船在1986年飛過天王星時，一個極點正對著太陽。「不管天王星旋轉了多少圈，」哈默爾解釋道，「一半的時間完全處於陽光下，另一半則完全處於黑暗中。這是你能想像到的最瘋狂的事情。」
令人失望的是，旅行者2號只看到了一個光滑的撞球行星，上面覆蓋著薄霧，只有很少的幾朵雲。但當哈勃在21世紀初觀測天王星時，它已經繞軌道運行了四分之一圈。
「理論告訴我們什麼都不會改變，」哈默爾說，「但事實是，天王星開始出現各種各樣的亮雲，哈勃發現了一個黑點。當行星繞著太陽運行時，由於陽光的變化，雲層似乎發生了劇烈的變化。」
這些哈勃太空望遠鏡的圖像顯示了天王星的不同面貌。在左邊，天王星在2005年展示了它的光環系統。這顆行星——連同它的光環和衛星——從側面傾斜，與軌道平面旋轉大約90度。在一年後拍攝的哈勃特寫中，天王星揭示了它的帶狀結構和一場神秘的黑暗風暴。隨著這顆行星繼續緩慢地軌道旅行，它將在2028年把另一極指向太陽。
韋伯將深入了解推動其雲層和天氣形成的強大的季節性力量，以及這是如何隨著時間變化的。它將有助於確定能量如何流動，並通過天王星大氣運輸。科學家們希望在韋伯的一生中觀察天王星，以建立一個大氣如何對極端季節做出反應的時間軸。這將幫助他們理解為什麼這顆行星的大氣層似乎經歷了一段時期的劇烈活動，中間穿插著平靜的時刻。
海王星：一個具有超音速風暴的世界
海王星是一個黑暗、寒冷的世界，然而它卻被高達每小時1500英裡的超音速風攪得天翻地覆。海王星距太陽的距離是地球的30多倍，是太陽系中唯一肉眼看不見的行星。它的存在早在1846年被發現之前就被數學預測過了。2011年，海王星完成了自發現以來的第一個165年的軌道。
像天王星一樣，這個冰巨星的深層大氣是由一層由水、氨、硫化氫和甲烷組成的濃湯，覆蓋在一個未知的、難以進入的內部。大氣層的上層是由氫、氦和甲烷構成的。與天王星一樣，甲烷使海王星呈現出藍色，但一些仍然神秘的大氣化學物質使海王星的藍色比天王星更引人注目。
弗萊徹解釋說：「這裡也有同樣的問題：能量是如何流動的，又是如何在行星大氣中傳輸的？」但在這種情況下，不像天王星，這顆行星有一個強大的內部熱源。在太陽系的任何地方，這種熱源都會產生一些最強勁的風和最短命的大氣渦旋以及雲的特徵。如果我們一晚一晚地觀察海王星，它的表面總是隨著這些雲的拉伸、牽引和控制而變化。」
在1989年旅行者2號飛越海王星之後，科學家們在該行星的南極發現了一個明亮、熾熱的漩渦——風暴。因為那裡的溫度比大氣中其他任何地方都要高，所以這個地區可能與某種獨特的化學物質有關。韋伯的靈敏度將使科學家們了解極地渦旋中不尋常的化學環境。
只是一個開始
弗萊徹建議，要準備好看到天王星和海王星上的現象，這些現象與我們過去看到的完全不同。「韋伯真的有能力從一個全新的角度來看待這些冰巨人。但是，要了解塑造這些巨型行星的持續的大氣過程，你真的需要的不僅僅是幾個樣本，」因此，我們將木星、土星、天王星和海王星進行比較，通過比較，我們建立了一個更廣泛的大氣總體工作的圖景。這是了解這些世界如何隨時間變化的開始。
我們現在知道有數百顆系外行星——圍繞其他恆星的行星——和我們當地的冰巨星一樣大。天王星和海王星為我們研究這些新發現的行星提供了依據。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將於2021年發射，屆時它將成為世界上首屈一指的太空科學天文臺。韋伯將解開太陽系的奧秘，觀察其他恆星周圍遙遠的世界，探索宇宙的神秘結構和起源，以及我們在宇宙中的位置。