[科普中國(guó)]-土星北極渦旋：卡西尼號(hào)追蹤13年

除了絢麗的環(huán)系，土星最讓人著迷的可能就是北極的六邊形結(jié)構(gòu)了。

土星北極六邊形

（圖片來(lái)源：NASA）

盡管這個(gè)神秘的六邊形總不輕易揭開它的面紗。

1981年8月，旅行者2號(hào)探測(cè)器近距離飛掠土星，但當(dāng)時(shí)并沒有發(fā)現(xiàn)北極有六邊形結(jié)構(gòu)。

確實(shí)，旅行者2號(hào)當(dāng)時(shí)傳回了很多包含了土星北極的照片，但些照片并不是正對(duì)極區(qū)拍攝的，因此很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們都沒有從這些被高度拉伸變形的北極照片中看出什么…直到7年后。

1988年，美國(guó)國(guó)家光學(xué)天文臺(tái)的Godfrey重新處理了這些照片[1]，他將這些照片重新投影和拼接，才驚訝地發(fā)現(xiàn)土星的北緯77°附近居然有一個(gè)如此之大的六邊形渦旋結(jié)構(gòu)——每條邊長(zhǎng)達(dá)1.38萬(wàn)公里，比地球的直徑還要長(zhǎng)。

“拼圖”里發(fā)現(xiàn)的土星北極六邊形。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

漫長(zhǎng)的四季

那土星的南極有沒有類似的結(jié)構(gòu)呢？那時(shí)候還不知道。

因?yàn)槁眯姓?號(hào)飛過土星時(shí)，正逢土星南半球的冬季——整個(gè)南極都淹沒在一片黑暗之中。

而旅行者2號(hào)的軌道設(shè)計(jì)只是飛掠而過，看完這一眼就再也沒有回頭。

是的，遙遠(yuǎn)的土星有一點(diǎn)和咱們的地球挺像的，那就是自轉(zhuǎn)軸傾角（也就是自轉(zhuǎn)軸和公轉(zhuǎn)軌道面的夾角）都是20多度，這意味著土星和地球一樣，也有明顯的四季更迭，南北極也有極晝和極夜——只不過，土星的一年差不多有29.5個(gè)地球年那么長(zhǎng)，也就是說，土星上的每個(gè)季節(jié)，是地球的30倍長(zhǎng)。

當(dāng)然，后來(lái)等到土星的南極從黑暗中露出臉來(lái)，一些地基天文望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡都對(duì)土星的南北極進(jìn)行過觀測(cè)，然而，南極并沒有這樣的六邊形渦旋，只有一個(gè)巨大的圓形的渦旋。

也就是說，土星北極的六邊形結(jié)構(gòu)不管是在太陽(yáng)系中，還是在土星上，都是獨(dú)一無(wú)二的。

卡西尼號(hào)拍攝的土星南極和北極。南極有一個(gè)巨大的圓形渦旋，而北極則是一個(gè)穩(wěn)定的六邊形結(jié)構(gòu)加上極點(diǎn)3°附近的一個(gè)小型渦旋。

(圖片來(lái)源：NASA)

然而，還是由于土星的豪華超長(zhǎng)版四季，我們很難持續(xù)跟蹤土星南北極渦旋隨季節(jié)的變化，不要說一個(gè)土星年了，跟蹤半個(gè)土星年（14.7個(gè)地球年）都很難。

直到卡西尼號(hào)探測(cè)器的到來(lái)。

1997年10月15日，卡西尼號(hào)發(fā)射于美國(guó)卡納維拉爾角。

2004年6月30日，卡西尼號(hào)成功進(jìn)入土星軌道，那時(shí)北半球的冬至（2002年10月）剛過去不久。

此后，卡西尼號(hào)開始了長(zhǎng)達(dá)13年的土星探測(cè)，刷新了我們土星、土星環(huán)系和土星的多顆衛(wèi)星的認(rèn)識(shí)。

一直到2017年9月15日，一年前。

為了避免由于軌道失控污染了土星的衛(wèi)星們（尤其是土衛(wèi)二這樣可能具備生命存在條件的衛(wèi)星），卡西尼號(hào)選擇趁燃料還未耗盡之時(shí)主動(dòng)撞向土星大氣層墜毀來(lái)結(jié)束任務(wù)。

卡西尼號(hào)結(jié)束任務(wù)。

（圖片來(lái)源：NASA）

在這13年里，卡西尼號(hào)是叱詫整個(gè)土星系的王者。

在這13年里，卡西尼號(hào)也幸運(yùn)地見證了土星的南半球如何從盛夏進(jìn)入隆冬，而北半球又是如何從隆冬進(jìn)入盛夏。

我們終于有了可以持續(xù)觀測(cè)土星北極六邊形隨季節(jié)變化的機(jī)會(huì)。尤其是通過卡西尼號(hào)的復(fù)合紅外光譜儀（CIRS）這個(gè)大殺器，它相當(dāng)于是一個(gè)高階版三棱鏡，可以捕捉和分解近紅外信號(hào)，分析不同波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度和不同化學(xué)成分的含量變化。

卡西尼號(hào)的結(jié)構(gòu)和它攜帶的復(fù)合紅外光譜儀（CIRS）。

（圖片來(lái)源：NASA）

北極：從冬天到春天

土星北極的六邊形結(jié)構(gòu)發(fā)生在哪里呢？之前認(rèn)為，在土星的對(duì)流層。

和地球相似，對(duì)流層是土星最底層的大氣層，土星的云都在這一層里。隨著壓強(qiáng)增加，從對(duì)流層頂部往下有三種不同的物質(zhì)凝結(jié)成云：最上層是氨的冰，中間是氫硫化氨的冰，最下層是水冰。

土星的對(duì)流層和平流層。

（圖片來(lái)源：改編自? 2011Pearson Education, Inc）

英國(guó)萊斯特大學(xué)的Fletcher小組通過跟蹤卡西尼號(hào)2004-2014年的探測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從2007-2013年底的土星北極亮溫圖中，北極的六邊形結(jié)構(gòu)和極點(diǎn)的小渦旋在對(duì)流層中都穩(wěn)定存在[2]。

卡西尼號(hào)的復(fù)合紅外光譜儀（CIRS）獲取的土星北極對(duì)流層的亮溫圖。不過需要注意的一點(diǎn)是，這里的“亮溫”，其實(shí)是一種對(duì)輻射強(qiáng)度的等效表達(dá)，所以雖然是“溫度”，但其實(shí)并不是這個(gè)區(qū)域的實(shí)際溫度。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

而與平流層的對(duì)比亮溫觀測(cè)也進(jìn)一步證明，這個(gè)六邊形確實(shí)在對(duì)流層，因?yàn)槠搅鲗拥牧翜貓D里就沒有看到任何六邊形的痕跡。

卡西尼號(hào)的復(fù)合紅外光譜儀（CIRS）獲取的土星北極平流層的亮溫圖，沒有看到任何六邊形的輪廓。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

但Fletcher小組也發(fā)現(xiàn)，從冬季(2004年)到春季 (2014年)這一期間，北半球表現(xiàn)出的季節(jié)性變化其實(shí)并不顯著：盡管北半球如預(yù)期一樣在慢慢變暖，但完全比不上卡西尼任務(wù)開始階段觀測(cè)到的南半球盛夏時(shí)那樣的劇烈溫度變化[2]。

也就是說，在那個(gè)北半球即將到來(lái)的夏天，也就是卡西尼任務(wù)最后的幾年時(shí)間里(2014–2017年)，土星的北極可能會(huì)突然變得活躍。

科學(xué)家們焦急地等待著卡西尼號(hào)用最后的時(shí)光來(lái)給出答案。

盛夏的平流層：“另一個(gè)六邊形”？

2017年5月，土星北半球的夏至如期而至。

2017年9月，卡西尼號(hào)結(jié)束任務(wù)。

近期，F(xiàn)letcher小組繼續(xù)分析了卡西尼號(hào)最后幾年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果不僅填補(bǔ)了卡西尼長(zhǎng)達(dá)13年的極區(qū)跟蹤觀測(cè)的最后一點(diǎn)空白，還發(fā)現(xiàn)了更大的驚喜：

土星北極的平流層在春夏之交也突然開始顯現(xiàn)出了和對(duì)流層六邊形一樣的六邊形結(jié)構(gòu)！這一結(jié)果發(fā)表于2018年9月3日的《自然?通訊》雜志[3]。

卡西尼號(hào)的復(fù)合紅外光譜儀（CIRS）獲取的土星北極平流層的亮溫圖，從2014年10月那張開始可以看到亮溫差異的六邊形輪廓，紅圈標(biāo)出的是六邊形輪廓最清晰的幾張。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）

這個(gè)平流層中的六邊形會(huì)不會(huì)是自己獨(dú)立形成的？可能性不大，因?yàn)樗蛯?duì)流層那個(gè)六邊形太像了，很難想象在風(fēng)云變幻的土星大氣層中，會(huì)在相同位置的不同高度獨(dú)立形成兩個(gè)一模一樣的結(jié)構(gòu)。

更可能的是，土星極區(qū)的六邊形結(jié)構(gòu)并不僅僅局限在對(duì)流層，而是穿破了對(duì)流層與平流層的邊界（也就是對(duì)流層頂），一直延伸到了平流層——那是一個(gè)高達(dá)300公里的六邊形高塔，從云層中聳立出來(lái)。

不過，這個(gè)夏季才顯現(xiàn)出來(lái)的平流層六邊形結(jié)構(gòu)是一直就有的嗎？我們還不能確定。由于2014年之前的平流層數(shù)據(jù)信號(hào)較弱，所以科學(xué)家們目前還無(wú)法確認(rèn)這個(gè)平流層的六邊形塔到底是由于季節(jié)變化到了春夏才“升上來(lái)”的，還是一直就矗立在那里。

北極渦旋：好像確實(shí)比南極弱一點(diǎn)？

盡管土星北極的六邊形渦旋在卡西尼任務(wù)的最后幾年里確實(shí)變得更加活躍了，但即使在“巔峰”時(shí)期，土星北極溫度和風(fēng)的變化依然沒有達(dá)到南極“巔峰”時(shí)的程度，北極大氣中的一些碳?xì)浠衔锏南鄬?duì)含量（尤其是乙炔、甲基乙炔、丙烷、丁二炔和二氧化碳）也遠(yuǎn)低于南極，這意味著土星的北極渦旋可能確實(shí)沒有南極渦旋發(fā)育得那么“成熟”。

這倒也不難理解，畢竟北半球的夏天發(fā)生在遠(yuǎn)日點(diǎn)附近，而南半球的夏天則發(fā)生在近日點(diǎn)附近，南北極在夏天的能量積累情況有所不同。

另一方面，我們對(duì)南北極氣旋還有太多不了解的地方。盡管我們已經(jīng)知道，土星北極的六邊形結(jié)構(gòu)是與自轉(zhuǎn)相關(guān)的極區(qū)急流引起的，知道南北極氣旋的活躍會(huì)伴隨著溫度的升高和大氣中碳?xì)浠衔锏母患?，但更具體的形成機(jī)制還不清楚。除了季節(jié)（光照）因素之外，還有很多因素會(huì)影響大氣的溫度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如大氣下沉引起的溫度升高、大氣成分變化、乙烷和乙炔這類冷卻劑的影響、大氣層中的霾/氣溶膠的影響…這些我們都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能深入了解。

比如這次的研究還發(fā)現(xiàn)，在平流層較低的位置（2 mbar到100 mbar的高度之間）（越高的地方氣壓越小，1 bar約等于地球上的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），北極的觀測(cè)溫度與之前的理論估計(jì)比較吻合，而南極的觀測(cè)溫度卻整體比理論值偏高，這意味著我們之前對(duì)土星大氣溫度的理論估計(jì)中漏掉了某種只有南極才有的熱源，也意味著我們對(duì)極區(qū)溫度變化機(jī)制的理解是不完備的。

南北極的溫度隨高度變化曲線，黑色實(shí)線和虛線是理論值，彩色是實(shí)際觀測(cè)值。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）

還有一種可能是，北半球在夏至之后還會(huì)繼續(xù)變活躍，甚至?xí)掷m(xù)到秋分。或者說，北半球活躍期的巔峰還沒有完全到來(lái)。

但很可惜的是，卡西尼號(hào)沒有機(jī)會(huì)證實(shí)這一點(diǎn)了。

或許接下來(lái)的地基天文望遠(yuǎn)鏡和空間望遠(yuǎn)鏡可以做一定的后續(xù)跟進(jìn)觀測(cè)。

比如…作者在最后表示，也可以期待萬(wàn)年跳票的詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡啊。（你們是認(rèn)真的么？）

（圖片來(lái)源：百度圖片）

參考文獻(xiàn)

[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., Antu?ano, A., ... & Hurley, J. (2018). A hexagon in Saturn’snorthern stratosphere surrounding the emerging summertime polar vortex. Nature communications, 9.

（本文中標(biāo)明來(lái)源的圖片均已獲得授權(quán)）