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2017-1-16

土星的极地六边形奇景

归档于: 天文空间科学, 行星科学 @ 1:07 pm

作为一颗气体巨行星,土星给人的第一印象除了明亮而宽阔的光环,就要数平行于赤道分布的柔和云带了。单凭直觉想象,既然条带跟土星其他部分一样,由流体构成,它们的外观理应呈环形,棱角分明简直是不可思议的。但此等不可思议就偏偏出现在了土星北极附近:一组外观呈六边形、至少已经持续存在了数十年的六边形大气急流。自1981年到1982年间被旅行者1号和2号探测器瞥见以来,这所谓的极地六边形就一直吸引着行星科学家和流体力学家的好奇心。

卡西尼号进入光环飞掠轨道之后拍摄的土星极地六边形多波段影像,左上顺时针起分别为紫光、红光、近红外与红外照片,对应不同的云层高度,波长越长则深度越大,其中红外光更是可以揭示出土星可见光表面之下数十千米处的情况。(图片提供:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

去年11月底,卡西尼号土星探测器进行了最后一次主引擎点火,由此进入了高倾角的光环飞掠轨道,为今年秋季的任务终结作准备。这样的轨道安排会将卡西尼号带到土星光环平面之上的高处,正适合俯瞰星球高纬度地区的细节,因此探测器从光环飞掠轨道传回的第一批数据就包括了极地六边形的新特写。从上图可见,这个结构一直延伸到土星可见表面之下的深处,复杂而立体。随着卡西尼号光环飞掠的进行,预计近期的几个月内我们还会看到更多类似的影像。

旅行者2号拍摄的土星北半球风暴影像,图中左侧对应土星北极,带有棱角的极地急流轮廓将将可见。(图片提供:NASA/Voyager 2)

图中这组边长13800千米、位于土星北纬78度附近的急流是土星北极独有的奇特景观,在太阳系中独一无二,不仅其他类木行星都不具备,就连在土星的另一极也不见踪影。旅行者号在30多年前所做的只是短暂地飞掠土星,并没有在此作长期的停留考察,它们拍摄的星球极地影像也都是侧视,在这些图片中六边形的边和角只能算是勉强可见,但谈不上清晰,也没有展露其整体轮廓,更谈不上跟踪急流的长期演化。后来哈勃等望远镜虽然也考察过这个结构,但终究为距离所困,很多细节也不好下定论。极地六边形的真身直到卡西尼号入轨之后的一段时间方才被完整勾勒出来。

土星极地六边形的第一张完整影像,在波长5微米的中红外波段拍摄。图中的亮区域对应深度75千米左右、阻挡了星球内部热辐射的云层,这里的气压是地球大气的3倍左右。(图片提供:NASA/JPL/U. Arizona)

实际上,在卡西尼号刚刚抵达目标之时,土星的北半球刚刚度过了东至,北极附近笼罩在持久的黑暗之中,光照条件不太适宜极地考察。所以直到2006年秋季,探测器才第一次拍下了极地六边形的全貌,而且还是在红外波段,只能反映涌自土星本身的热辐射。直到2008年卡西尼号预定任务完成,延展的春分任务开始后,阳光才逐渐照亮土星的北极;而对极地六边形的可见光观测直到2009年才变成了可能。

极地六边形与北极涡旋的细节特写。(图片提供:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

六边形急流内部的风速达到了每秒100米,每小时超过350千米,这比地球上最猛烈的台风还要快数倍,也远远胜过地球上高空急流中的典型速度。细细看来,六边形外部轮廓总体平直,但略有起伏;内里是反复涌现的无数涡旋、波纹和湍流,中心则是北极涡旋,大致对应土星的北极点。急流内风速虽快,但其整体形态却是静止的,换句话说是在经度方向上几乎不存在变化,其自转周期也基本与土星射电信号的变化一致,约合10小时39分24秒,这与土星上外形快速移动的其他风暴系统形成了鲜明的对比。

土星北极涡旋在2012年的特写,也是土星北极点在阳光下的第一张照片。(图片提供:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

不过六边形形态稳定固矣,近年来它的颜色却发生了显著的变化。2012年之前,极地六边形内部的区域较周围大体偏蓝,近来却变成以棕黄色调为主。这其中的原理涉及土星大气在阳光照射下发生的光化学反应。早年当星球北极经历极夜期间,极地是缺乏光化学反应生成的气溶胶颗粒的;而2009年8月北半球迎来春分之后,极区光照日益充足,积累起来的气溶胶逐渐改变了这里的色彩。而六边形急流的存在阻碍了内外区域的物质交换,让颜色对比变得更加分明。当然,这个说法正确与否还需要更长时间的跟踪观测来检验,虽然卡西尼号即将结束使命,但单就跟踪土星极地六边形的颜色变化来说,使用现有的地面或空间望远镜也足够了。

极地六边形在2012年11月(上)和2016年9月(下)的色彩对比。(图片提供:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

可是极地六边形本身又是从何而来?六边形同土星自转周期一致,且与季节变化无关,这些都说明它应该是由深入行星内部的波动维系的。而另一条重要线索是,在旅行者号的影像中,六边形一条边缘的外部还存在反向涡旋,类似的涡旋也出现在了卡西尼号的部分照片中;流场分析表明在其他五边之外也可能具有类似的涡旋。一种曾经流行的观点就将涡旋归结为相对土星本身静止不动的Rossby波列,它们埋嵌在被侧边的孤立涡旋扰动的急流中。但由于实际靠近六边形的小涡旋很可能不是此说所要求的永久性特征,何况土星射电信号的变化周期是否可以精确等同于星球内部的自转周期还存疑问,故而六边形或许不是相对土星严格静止的,Rossby波列模型未必可行。

一种现在较为流行的新论则着眼于风速的分布。土星大气由速度方向彼此交错的平行急流组成,只要急流足够窄,流速又足够快,在急流的交界处,涡量就会表现出剧变,甚至是方向的逆转。换句话说,这种情况下的涡量在纬度方向上的梯度非常大。纬向大涡量梯度是违背正压稳定性的Rayleigh–Kuo判据,进而诱发不稳定性的前提,而不稳定性的非线性发展就可能伴以奇特的多边形结构。

土星北半球从北纬30度到北极点之间的风速(左)和涡量梯度(右)分布图。(图片来源:Barbosa Aguiar et al. 2010

在极地六边形附近的北纬77.5度处就有着这样一道强劲的东向急流(图中以虚线表示),其宽度也是北半球最窄的,因此让流体正压不稳定性的发育得到了保证,激起了急流的波动。如果这种波动的波长恰好等于星球整体尺度的整数分之一,导致驻波的出现,多边形的维系就是可能的。忽略斜压效应,稳定性分析表明,急流中只有超过2000千米的流场形变才能不受抑制地存在下去;而对于特征尺度2500千米左右的形变而言,增长速率最快的波动模式——波数为6的本征模相对急流的相速度为零,所以六边形的模样能够被持续保持下去,而且相对土星本身不动。

这种理论部分得到了实验论证。源自不稳定性的多边形流场早年就有所报道,后来牛津大学的Ana Barbosa Aguiar等人又专门针对土星,观察了一个柱状容器中流场的形态。这个直径60厘米的容器分为转速不同的内外两区,其相对转速在一定范围内可以调节,但总归是远远小于整体转速(作为类比,土星急流中的风速虽快,但与星球整体自转相比也是有量级的差异的)。在内外区转速差异不大时,流体行为无甚特殊之处;但当二者相对速度足够大(相当于土星上的纬向涡量梯度较大)时,流体表现出了波动不稳定性,在条件适宜的情况下,六边形就出现了:

实验室模拟出的六边形,左为流场照片,右为涡量分布背景上的速度场。(图片来源:Barbosa Aguiar et al. 2010

由左上图可见,这个实验不仅再现了流体六边形,连旅行者号眼中六边形外侧的涡旋问题也一道解决了。而如果合理组合流场的尺度、深度、转速以及内外区相对速度,构成不同的波数,三四五六七边形,任君选择:

实验室模拟出的三角形(左)与七边形(右)。(图片提供:Ana Barbosa Aguiar)

当然波数等于2的情况也值得一提,对应的结构是两侧各有一个小涡旋的椭圆形流场。要知道,金星大气在南极附近确实存在类似的结构。虽说金星极地椭圆的成因仍不好确定,但它与小波数不稳定性之间的相似点也不容忽视。

左:实验室模拟出的波数为2的椭圆(图片提供:Ana Barbosa Aguiar);右:红外光下金星大气在南极附近的椭圆形(图片提供:ESA/VIRTIS/INAF-IASF/Obs. de Paris-LESIA)。

至于土星南极,因为这里的速度与涡量梯度分布同北半球迥异,导致波数越大则不稳定性增长越快,直到无穷,所以波数为6的六边形不会在此出现。除了北极六边形,急流的不稳定性理论还顺便为土星北纬47度附近的“丝带”波纹提供了一种解释,不过后者更可能是正压与斜压的混合产物。

旅行者1号探测器拍摄的土星北半球中纬度区域的带状波纹。(图片提供:NASA/Voyager 1)

急流图景看上去颇有一箭双雕乃至三雕、四雕的效力。但它的不足之处是,实验模拟出的多边形外侧都表现出了涡街现象,可是在土星上这样的涡旋并非时时存在。所以不久之前又有人提出了改进版,认为六边形轮廓可以通过土星大气内部蜿蜒的慢速急流的不稳定性来塑造,只是这里的急流深度较前人的实验或模拟为浅,所以涡街不会出现。至于实际情况,一时就难以下定论了。而且由于在卡西尼号今年9月结束使命之后,至少在未来10余年内都不会有新的探测器重返土星系统,包括极地六边形在内的诸多土星谜题要想得到最终解决,恐怕也将是很久之后的事情了。

不过今年土星的北半球将迎来夏至,在此前后正是观测其上的北极地区,并为六边形拍照的好机会,甚至拥有较大口径望远镜的爱好者也不妨一试,毕竟观看天体上罕有的规则多边形也是难得的体验。否则等到几年之后,秋季降临,土星北极将再度陷入黑暗,神奇的六边形也要带着它所有的秘密又一次隐去。

2013年初爱好者从地面拍摄的土星,极地六边形展露出了大半。使用星特朗C14型望远镜观测。(图片提供:Darryl Pfitzner Milika and Patricia Nicholas)

 

注:本文的修订版即将发表于《天文爱好者》杂志2017年4月号,请勿转载。

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