冬季極地渦旋使土衛六變得很冷！

2020-10-18 博科園


根據發表在AGU《地球物理研究快報》上的一項新研究，土星那顆朦朧的衛星土衛六（泰坦）擁有一個類似地球的長壽命冬季極地渦旋。土衛六是太陽系中第二大衛星，也是唯一一顆大氣層與地球相當厚的衛星。土星衛星可能是太陽系中最像地球的地方，有四季、雨水和表面湖泊，儘管它離太陽的距離是地球的10倍，而且非常冷。土衛六的平流層和地球平流層一樣，其特徵是更靠近地表的較冷層和更高的較暖層，並且是極地渦旋的區域，一種冬季覆蓋在兩極的冷空氣帽。在北美，這一現象也會導致冬季的嚴寒。

在地球上，極地渦旋通常在春季消散。這項新研究發現，土衛六北半球的極地渦旋會持續超過月球的夏至，持續到地球6月下旬，持續四分之三土衛六年，即大約22個地球年。這項新研究使用了美國宇航局卡西尼號宇宙飛船和地球上發展起來的大氣科學測量數據，以了解土衛六上觀察到的季節變化。這項新研究擴展了研究人員先前的工作，他們認為泰坦上極地渦旋的存在解釋了月球平流層中微量氣體的富集，而微量氣體的富集解釋了南半球渦旋在初冬時觀測到的異常寒冷。

  • 土衛六（泰坦）南極渦旋，圖片：NASA/JPL-Caltech/Space Science InstituteNASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

根據這項新研究，微量氣體導致的冷卻和下沉空氣導致的變暖將泰坦冬季分為兩個階段。英國布里斯托大學(University of Bristol)行星科學家、新研究的主要作者尼克·廷比(Nick Teanby)說：地球在冬天會因為兩極缺乏陽光而變冷，但額外的氣體不會產生這種額外影響，而在泰坦上，你會發現這些奇怪的氣體，這使得這個過程比其他情況下更加極端。Teanby和同事之前的工作描述了微量氣體和極地渦旋之間的關係，但是這項新研究是第一次全面分析泰坦平流層的溫度和組成季節變化，基於卡西尼號整個土星系統13年的紅外測繪數據。

  • 受美國宇航局卡西尼號任務數據的啟發，在土衛六北極北部的冬季，當北極偏離太陽時，會有漩渦和高濃度的有機氣體聚集在那裡。當土衛六經過春分和北極向太陽傾斜時，在南極形成了一個漩渦。在土星的衛星上，冬天是漫長的，那裡一年持續29.5個地球年。圖片：ESA

Aeolis Research行星大氣專家克萊爾紐曼(Claire Newman)說：這是第一次有一篇論文研究了卡西尼號的整個數據集，涵蓋了泰坦年近一半的時間，研究了南北極地渦旋的演化可能有何不同，依靠這些觀測來了解模型是如何正確地捕捉到土衛六本身發生了什麼。在未來，這項新研究作者希望有足夠的數據將地球大氣模型應用到土衛六上，並試圖預測月球上的氣候趨勢。在一個全新的世界上測試模型可以幫助科學家們使模型更加穩定。有一天，土星這顆不尋常的衛星可能會幫助科學家更好地了解地球大氣層。

冬季旋渦

有趣的是，泰坦就像一個微型地球，有著非常奇特和寒冷的大氣層，可以用它來測試氣候模型和類似的東西。這就是我們煩惱的原因所在，但我想真正的動機是，嘗試著解決這些問題真的很酷。土衛六的自轉軸與地球自轉軸傾斜度大致相同，這使得衛星的季節與地球相似，但土衛六和土星圍繞太陽公轉的周期長達29個地球年。美國宇航局卡西尼號宇宙飛船觀測到了土衛六季節的變化，從冬季中期到北半球夏至。

當卡西尼號在2004年到達土星時，土衛六的北極被極地渦旋所包圍，從南極到北緯45度左右，大約是地球上蒙大拿南部邊界的位置。極地渦旋是一種由冷空氣和低壓組成的大帽子，冬天它位於兩極，沿著地球或月球自轉的方向旋轉。強烈的西風急流環繞著南極，並帶走了寒冷，造成了與赤道暖空氣的明顯分離。噴流屏障可以避免氣團的混合，並將化學物質和冷空氣留在渦流內。在地球上，這個大的大氣系統邊緣位於大約60緯度，加拿大育空地區的南部邊界和北半球的西北地區。

  • 日光穿過土衛六的大氣層，在這張由卡西尼號於2018年6月拍攝的照片中，北極上空籠罩著一層霧霾，底部出現了一絲南極的votex信號。這張照片拍攝於2018年6月，大約是地球經過月球春分進入南半球冬季的三年時間。圖片：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

低緯度地區會遇到渦旋，就像去年1月北美遭遇的那樣，當環繞地球的急流減弱或蜿蜒時。卡西尼號發現土衛六的北極渦旋在春分前後一直存在，並在夏天破裂，和地球上的渦旋很像，但在一年的晚些時候會持續。同時，在秋分後不久，一個新的渦旋開始在南極形成。令人驚訝的是，初期形成的南方渦旋比北方渦旋更冷，而北方渦旋只有在冬季才被觀測到。這項新研究表明，這種差異可能是泰坦的化學物質在冬季早期形成的超冷階段，而不是兩極之間的內在差異。

奇怪的化學

新研究表明，泰坦的大氣化學物質可能會加劇其極地渦旋。和地球的大氣層一樣，泰坦大氣層主要是氮氣，而表面的壓力大約是地球海平面壓力的1.5倍。但與地球不同的是，大氣中剩下的2%主要是甲烷，這是天然氣的主要成分，當泰坦上下雨時，就會產生碳氫化合物。在土衛六相對炎熱的高層大氣中，甲烷與來自太陽和土星磁場的能量發生反應，產生微量氣體，如氰化物、乙烯、乙烷和更大的有機分子。這些氣體中的一些構成了泰坦特有霧霾。卡西尼號在冬季兩極觀測到這些微量氣體的富集，新研究發現，這種富集在冬季早期最為明顯，那時北極也更冷。

在土衛六上，就像在地球上一樣，赤道和暗冬極之間的溫差最終導致了極地渦旋形成。在這兩個世界上，冷空氣都在下沉，在冬天把北極的上層大氣往下拉。當微量氣體向下混合進入較冷泰坦大氣層中層時，它們會凝結成液體或固體雲。濃縮微量氣體就像一個水池，加速了更多微量氣體從產生它們的大氣層頂部向下的運動。微量氣體通過發射紅外線使泰坦平流層的寒層變得更冷。紅外線剛好在可見光的光譜之外，人類可以感覺到它是熱的。當微量氣體發光時，它們就會失去能量，而能量通過向太空輻射而冷卻大氣。

這項新研究提出，現在更冷的空氣下沉速度更快，處於一個寒冷的反饋循環中。這一切都發生在冬天的開始，所以冬天開始真的非常非常冷。最終，所有下沉空氣引起壓力增加產生了它自己的熱量，從而抵消了反饋循環。作者認為這在泰坦的冬季形成了兩個截然不同的階段。當進入冬季越深，環流越發達，就會得到相反的效果，由於大氣下沉時的壓縮作用，平流層開始變暖。所以冬天有兩個階段是很奇怪。不完全確定這是怎麼回事，但這是我們目前的理論。

博科園-科學科普｜研究/來自: 美國地球物理聯盟

參考期刊文獻:《地球物理研究快報》

DOI: 10.1029/2018GL081401

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