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苏州市科学技术局,土星北极六边形美高梅mgm02233.com

2019年4月28日 - 美高梅mgm02233.com
苏州市科学技术局,土星北极六边形美高梅mgm02233.com

原标题:土星的六边形风暴变得更奇怪了!

原标题:土星北极六边形:直上云霄

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出品:科普中国

卡西尼号2016年4月拍摄到的土星北半球。
在过去的12年里,卡西尼号探测器兢兢业业地为我们探索着土星系统,按照任务计划,现在距离它的终场演出投身土星大气并在土星的怀抱中消殒,只有一年时间了。
卡西尼号是人类迄今最雄心勃勃的太空探索项目之一,亦是20世纪最后一艘行星际探测的大飞船。在美国太空网上,探测器团队近日公布了一段令人惊叹的视频,以此向探测器表达敬意。视频由卡西尼号拍摄而成,表现了土星在4个土星日内大气层的变化,将土星大气中椭圆形的风暴、距土星最近的D环、其北极的大六边形射流每一个边长都比地球的直径还大,清晰地展现给世人。
航行七年顺利入轨
卡西尼号在北京时间1997年10月15日16时43分发射升空,本身是卡西尼惠更斯号飞船的一个组成部分,主要任务是对土星系进行空间探测,包括环绕土星飞行,对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察等。
如果仅仅依靠火箭的推力在7年之内飞到土星,卡西尼号使用的燃料不能少于70吨。于是,其采用了名为智慧曲线的办法借用行星的引力来加快速度。在经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行之后,卡西尼号于2004年7月1日按计划顺利进入环绕土星的轨道。
以此为起点,卡西尼号探测器陆续发现了土卫六上存在湖泊和巨大风暴,在土卫五上发现富含氧气的大气,调查并观测土星上的季节性变化,并在前所未有的极端环境中开展科学探测。它为生活在地球上的人们提供了大量来自浩瀚宇宙的神秘土星的图片,为科学家探索外太空带来了海量素材和珍贵资料。
领略早期地球模样
毫无疑问,卡西尼号对土星最大的卫星土卫六的探测将载入史册。
土卫六泰坦是土星最大的卫星,位列太阳系最有可能孕育生命的星体榜单前5名之内,而且除地球外,只有土卫六拥有原理与地球水循环相似的所谓甲烷循环。迄今,天文学家仍视泰坦为最接近地球环境的卫星从卡西尼号返回的图片来看,这颗星球的湖泊、丘陵,甚至雾、霾和雨,与英格兰的天气和地貌很相像。
2004年,卡西尼号释放了惠更斯号着陆器。惠更斯号进入土卫六的大气层,成为第一艘在太阳系较外侧天体上着陆的飞船,并调查发现土卫六表面存在液体物质,成分为液态烷烃,与地球早期的模样类似。
2005年4月,卡西尼号飞船在最近一次飞过土卫六时,发现其外层大气中存在多种复杂有机物。当时卡西尼号掠过距土卫六表面1027公里处,它搭载的离子和中子质谱仪发现了有机物踪迹这被认为是卡西尼号职业生涯中最激动人心的发现之一。
2012年7月初,随着探测器一遍又一遍地扫过土卫六,卡西尼号采集的数据表明,在这颗被浓雾环绕的卫星厚厚的冰壳之下,拥有一个晃动着的海洋。2015年,科学家们确认,该星球冰层下的确存在一个全球性海洋。
2016年8月,卡西尼号首次确认在土卫六表面流动着液态沟渠,这些陡峭峡谷很像美国亚利桑那州沿科罗拉多河一带。
正是借助卡西尼号,我们乘上了土卫六这艘时光机,领略到一个十分贴近早期地球的星体,其甚至要比我们现阶段的地球更像从前的自己,它让我们见证了地球早期的状态,帮助人类揭开自身诞生之谜。
任务倒计时已启动
从今年11月末,卡西尼号探测器将开始执行它的最后两个任务。其中一项是变轨飞行,届时卡西尼号将从原先轨道切换到土星北极上方并靠近该星球的F环。从明年4月27日起,探测器会飞掠F环20次,并在土星和土星环的间隙中绕行22次。
预计在2017年9月15日,卡西尼号将进入土星的大气层,同时为我们发回前所未有的土星大气成分精确数据但这也是我们和卡西尼号道永别的时候,地面会失去和这个探测器的联络,而它会在土星大气的摩擦下,如流星般燃烧殆尽。
终极使命的倒计时已启动,但卡西尼号的生命正进入到最辉煌时刻。对卡西尼号团队来说,这段旅程才是真正惊心动魄的决战。此阶段任务能解开更多关于土星的秘密,包括这颗星球的内部结构、重力场及磁场,卡西尼号将不负使命地回传数据,直至自身彻底消陨在土星的怀抱中。来源:科技日报

众所周知,土星环是土星标志性的特征。壮美的土星环为土星颜值加分不少,使其拥有足够的资本去竞争太阳系最美行星的荣誉称号。

制作:haibaraemily

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监制:中国科学院计算机网络信息中心

除了土星环,土星还有一个显著的特征——土星北极的六边形风暴。

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。

早在上个世纪八十年代初,著名的旅行者1号在造访土星时就注意到这个神秘六边形风暴的存在,并在二十几年后得到卡西尼号的证实。

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图:土星北极六边形。来源:NASA

卡西尼号是人类太空探索史上最伟大的探测器之一,2004年成功进入土星轨道,在经历13年的传奇探测之旅后,于2017年9月坠入土星大气,化作一颗流星,成为土星的一部分。卡西尼号向地球传回的海量数据彻底改变了人类对土星的认识,其中自然包括这个六边形风暴。

尽管这个神秘的六边形总不轻易揭开它的面纱**。**

下图是科学家利用卡西尼号传回的探测数据合成的土星六边形风暴动态变化的情况。请问是哪位道友在此渡劫?

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

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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。

值得一提的是,当卡西尼号2004年刚进入土星轨道时,土星北半球正值冬季,超低的温度限制了卡西尼号对六边形风暴的探测。

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——

而土星的一年相当于地球的30年,直到2014年土星北半球进入夏季,卡西尼号才得以对六边形风暴展开深入探测。有趣的是,卡西尼号瞥见了一个出人意料的现象,使得土星六边形风暴变得愈发奇怪。

每条边长达1.38万公里,比地球的直径还要长

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据近日发布在《自然通讯》的一项研究介绍,科学家通过分析卡西尼号的探测数据发现,在土星六边形风暴上方还存在一个巨型风暴,而且居然也是六边形的。

图:“拼图”里发现的土星北极六边形。来源:参考文献[1]

原先的六边形风暴藏身于土星大气深处,而新发现的六边形风暴则盘旋在土星大气上部的平流层中。

漫长的四季

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那土星的南极有没有类似的结构呢?那时候还不知道。

毋庸置疑,这项新发现牵引出了一系列疑问。比如,土星有何独特之处,如何在北极区域塑造出这些奇特的六边形风暴?再者,两个六边形风暴之间存在什么联系?希望在卡西尼号遗留的数据中能够找到一些线索吧!

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。

来源:三体迷返回搜狐,查看更多

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。

责任编辑:

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。

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。

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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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

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。

直到卡西尼号探测器的到来。

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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