100年一遇的风暴挑战了我们对气态巨行星的理解

几个世纪以来，巨大的风暴在土星的大气层上留下了痕迹。

研究人员发现长周期巨型风暴 土星， 类似于 木星大红斑，通过研究无线电发射和氨气干扰。 这项研究揭示了气态巨行星之间大气层的显着差异，挑战了当前对巨型风暴的理解，并提供了可能影响未来系外行星研究的新见解。

大红斑和土星新发现

太阳系中最大的风暴，一个 10,000 英里宽的反气旋，被称为“大红斑”，数百年来一直在木星表面增光添彩。

一项新的研究表明，与木星色彩缤纷的外观相比，土星虽然外观更为朴素，但也拥有巨大且持久的风暴。 这些风暴对大气层产生了持续几个世纪的深远影响。

研究方法

这项研究是由天文学家进行的 加州大学伯克利分校和密歇根大学安娜堡分校。 他们检查了来自地球表面以下的无线电发射，并发现了氨气分布的长期扰动。

该研究于 8 月 11 日发表在期刊上 科学进步。

2015 年 5 月，VLA 拍摄了土星的射电图像，减去了土星及其环的较亮射电发射，以增强大气中不同纬度波段之间较微弱射电发射的对比度。 由于氨会阻挡无线电波，因此明亮的特征表明氨已耗尽的区域，VLA 可以看到更深处的大气层。 北纬地区宽阔的明亮带是2010年土星风暴的后果，这场风暴显然耗尽了冰冷的氨云下面的氨气，这就是我们用肉眼看到的。 图片来源：RJ 盐和 E.D. 黄油

特大风暴的性质

土星上的巨型风暴大约每 20 到 30 年发生一次，与地球上的飓风相似，但规模要大得多。 但与地球上的飓风不同，没有人知道为什么土星大气层会发生大规模风暴，土星大气层主要由氢和氦组成，还含有微量的甲烷、水和氨。

“了解太阳系最大风暴的机制将飓风理论置于更广阔的宇宙背景中，挑战了我们现有的知识并突破了陆地气象学的界限，”前加州大学洛杉矶分校 51 Peg b 研究员、第一作者李成说。 伯克利分校，现为密歇根大学助理教授。

探索和工具

加州大学伯克利分校天文学、地球与行星科学名誉教授伊姆克·德·帕特 (Imke de Pater) 四十多年来一直在研究气态巨行星，以便更好地了解它们的组成以及它们的独特之处，利用新墨西哥州的卡尔·G·扬斯基甚大阵列探测地球深处的无线电发射。

在视野中，土星的带状大气似乎在不同颜色之间平滑地转变。 但在射电光下——覆盖在土星卡西尼号图像上的 VLA 数据——波段的独特性质是显而易见的。 科学家们利用 VLA 数据更好地了解了这颗气态巨行星大气中的氨，并了解到巨型风暴将氨从高层大气输送到了低层大气。 图片来源：S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)、I. de Pater 等人（加州大学伯克利分校）

“在无线电波长下，我们探测巨型行星上可见云层的下方。由于化学反应和动力学会改变行星大气的成分，因此需要在这些云层下方进行观测来限制行星真实大气的成分，这是关键行星形成模型的参数。” “无线电观测有助于表征全球和局部尺度巨行星大气中的动态、物理和化学过程，包括传热、云形成和对流。”

令人惊讶的结果

正如这项新研究报道的那样，加州大学伯克利分校研究生克里斯·莫克尔（Chris Moeckel）在地球的无线电发射中发现了一些令人惊讶的东西：大气中氨浓度的异常，他们将其与之前发生在半球的大规模风暴事件联系起来。这个星球的。

对氨浓度和大气差异的影响

研究小组表示，氨浓度在中海拔地区较低，位于氨和冰的上层云层以下，但在较低海拔、大气层深处 100 至 200 公里处氨浓度变得丰富。 他们认为氨是通过沉淀和再蒸发过程从高层大气输送到低层大气的。 而且，这种效应可以持续数百年。

土星和木星的比较

研究进一步表明，虽然土星和木星都是由氢气构成的，但这两个气态巨星却明显不同。 虽然木星确实存在对流层异常，但它们受到其区域（白带）和带（暗带）的限制，并且不像土星那样由风暴引起。 邻近气态巨行星之间的显着差异挑战了目前对气态巨行星和其他行星上巨型风暴形成的理解。 它还可能影响未来如何在系外行星上发现和检查这些风暴。

参考文献：“土星巨型风暴的深远长期影响”作者：Cheng Li、Emke de Pater、Chris Moeckel、RJ Salt、Brian Butler、David de Boer 和zhiming zhang，2023 年 8 月 11 日，可在此处获取。 科学进步。
DOI：10.1126/sciadv.adg9419

国家射电天文台 (NRAO) 是美国国家科学基金会的一个设施，根据联合大学公司的合作协议运营。