土星南半球天空中的新几何特征
土星可以说是太阳系中最容易辨认的行星，这主要归功于其巨大的环系统，使它成为人们被要求说出行星名称时的首选答案。然而，这颗气态巨行星的极地区域已悄然成为行星科学中最引人入胜的谜题之一。多年来，科学家一直在追踪土星北极大气中一个旋转的六边形结构。相比之下，南半球从未显示出类似的几何图案。这种情况似乎已经改变。
一个国际研究团队报告称，在土星南极大气中发现了贯穿多个层次的十边形波型。该结构在发表于《Science Advances》的一项研究中进行了描述，这是首次在土星南半球发现此类特征。该研究利用了NASA哈勃太空望远镜拍摄的图像以及地面望远镜的观测数据。
研究人员如何收集数据
为了识别这个十边形，研究团队检查了2023年至2025年间拍摄的图像。哈勃数据来自外行星大气遗产项目（OPAL），该项目始于2014年。OPAL的设立目的是每年拍摄外行星——木星、土星、天王星和海王星——的图像，以更好地了解其大气的组成、行为和演化。这种稳定的年度节奏为科学家提供了可长期对比的记录，这正是新出现的结构能够被检测到的前提。
欧洲地面观测伙伴
支持太空望远镜观测的是来自位于西班牙的卡拉尔阿尔托天文台的测量数据。该天文台是欧洲大陆最大的天文观测台，其仪器帮助研究团队构建了土星南极大气活动的全貌。将轨道和地面观测相结合，为研究人员提供了多个观测角度和波长覆盖范围，这在追踪跨越行星云层不同深度的波型时非常有用。
六边形与十边形对比
土星两个极地结构之间的对比是这项新研究的核心。著名的北极六边形有六条边，而南极特征有十条边。两者都由土星的急流产生，但急流本身的强度和行为有所不同。
- 北极六边形：由约320至354公里/小时（200至220英里/小时）的急流速度驱动的六边形结构。其位置随时间基本保持固定。
- 南极十边形：与更快的急流速度相关的十边形结构，速度约为400至420公里/小时（约250英里/小时）。
- 垂直范围：南极十边形贯穿大气多个层次，而非仅存在于单一高度。
- 运动：与基本静止的北极六边形不同，南极十边形被观测到向东迁移。
速度差异为何可能重要
南北极地图案源自相同的广泛机制，即在高纬度环绕行星的快速移动风带。不同之处在于所涉及的能量和速度。驱动十边形的南极急流移动速度明显快于与六边形相关的北极急流，由此产生的形状也更复杂，多了两个角。
风速与边数之间的这种关系是行星科学家认为这些特征如此有用的原因之一。极地涡旋和急流充当大气动力学的天然实验室，使研究人员能够测试流体在旋转球体上的行为，而这些条件无法在地球实验室中以相同规模复现。
向东漂移的图案
南极十边形的向东迁移使其与北极对应物区别开来。研究指出，造成这种运动的过程可能与南极的大气环境有关，这种漂移是研究人员标记需要继续调查的方面之一。通过OPAL进行的长期监测以及后续地面观测活动，对于确定这种迁移是稳定的、周期性的，还是与土星漫长轨道中的季节变化有关，至关重要。
土星绕太阳一周大约需要三十年，因此每个半球经历非常漫长的季节。收集这些图像的2023年至2025年窗口仅捕捉到该周期的一小部分，这意味着在更广泛的观测跨度中，十边形的外观及其向东漂移可能看起来有所不同。
这一发现能给科学家带来什么启示
除了十边形风暴的新奇性之外，这一发现还为研究行星大气如何自我组织增添了新的数据点。土星北极六边形多年来一直是研究课题，而拥有第二个结构上不同的极地图案作为对比，为科学家提供了一个天然实验。两个半球之间在急流速度、垂直结构和运动方面的差异，可以帮助完善巨行星大气环流模型。
这项工作的影响超出了土星。相同的流体动力学支配着木星和冰巨星天王星、海王星的带状大气，这两颗行星都是OPAL项目的目标。理解为什么行星的一极形成六边形图案而另一极产生十边形图案，推动研究人员审视旋转、风切变和季节性加热在一颗快速旋转行星的极地如何相互作用。
未解问题与下一步
若干问题仍未解决。研究人员仍需确定南极十边形存在了多长时间，它是否在早期图像中存在但未被发现，以及是什么支配着它的向东运动。通过哈勃OPAL项目持续的年度成像，配合卡拉尔阿尔托等天文台的观测，将有助于追踪该结构随时间的变化。
这项研究背后的图像由NASA、欧洲空间局和太空望远镜科学研究所共同贡献，研究人员包括巴斯克大学的Agustin Sanchez-Lavega、NASA戈达德太空飞行中心的Amy Simon以及UC Berkeley的Michael Wong。图像处理由Alyssa Pagan完成。他们的共同努力将一颗熟悉的行星变成了关于大气在风速和旋转极端条件下如何行为的新问题来源。
本文基于Universe Today的报道。阅读原文。
Originally published on universetoday.com