这张图片展示了论文中揭示的不对称温度结构，该结构由詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）观测到。这些结构与行星洋流的流入和流出位置存在偏移，但最终，由这种温度偏移产生的风驱动着这些洋流。图片来源：NASAESACSA、TomStallard（诺森比亚大学）、MelinaThévenot、MacarenaGarciaMarin（STScIESA）
土星的极光充当局部能量源，在稳定的反馈系统中驱动风和气流，产生旋转变化的错觉。
诺森比亚大学的研究人员借助有史以来建造的最先进的太空望远镜，来解决行星科学中一个长期存在的谜团：为什么土星的自转速度似乎会因测量方式的不同而有所差异？
发表在《地球物理研究期刊：空间物理》上的一项新研究提供了更清晰的解释。科学家首次绘制出了土星极光内部热量和带电粒子的分布情况，揭示该现象是由土星自身北极光驱动的持续反馈过程所维持的。
几十年来，土星的行为一直困扰着研究人员。NASA的卡西尼号探测器过去收集的数据显示，这颗行星的自转速率似乎随时间发生了变化。这一结果与基础物理学相矛盾，因为行星的自转本应保持稳定，不会以这种方式波动。
一段图片中的静态图像显示了不对称的密度结构，揭示了极光电流优先流入（较暗区域）和流出（较亮区域）行星的位置。这些区域与温度峰值偏移，但最终导致了温度不对称。图片来源：NASAESACSA，汤姆斯塔拉德（诺森比亚大学），梅利娜泰韦诺，马卡雷纳加西亚马林（STScIESA）
一项由诺森比亚大学行星天文学教授汤姆斯塔拉德领导的研究取得了重大突破。该团队证明，土星本身的自转速度并未改变。相反，行星高层大气中的高空风产生了电流，形成了极光信号，造成了自转速度变化的错觉。
那个解释解决了一个问题，但又引出了另一个问题。如果大气风是造成这种效应的原因，那么最初是什么驱动这些风的呢？
汤姆斯塔拉德教授。图片来源：诺森比亚大学
詹姆斯韦布空间望远镜绘制的图谱解析了极光能量输入
斯塔拉德教授与来自英国和美国的合作者们的新观测结果现在提供了直接证据，回答了那个问题。
利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST），研究人员在整个土星日期间对土星的北极极光区域进行了监测，该区域类似于地球的北极光。这种持续观测获得了前所未有的细节水平。
研究团队专注于一种名为三氢阳离子的分子的红外辐射，这种分子形成于土星的高层大气中，是天然的温度指示器。通过追踪这一信号，他们绘制出了首份详细地图，展示了极光区域的温度变化和粒子密度。
精度的提升非常显著。早期测量的不确定性约为50摄氏度，与科学家试图测量的变化幅度大致相当，并且依赖于对极光电离层大片区域的平均。相比之下，JWST的数据将精度提高了十倍，首次让研究人员能够解析加热和冷却的精细尺度模式。
局部加热维持反馈循环
新数据与十多年前开发的计算机模型的预测高度吻合，但只有当热源被精确放置在主要极光发射进入土星大气层的位置时才会如此。
这项发现表明，土星的极光不仅仅是一种视觉展示。它会将能量注入大气的特定区域，局部提升温度。这种加热会驱动大气风，进而产生为极光提供能量的电流。然后这个循环重复，使该系统长期维持下去。
图像显示了极光增亮现象，这一现象此前已在地球以及环绕土星的轨道上被观测到。图片来源：NASAESACSA，汤姆斯塔拉德（诺森比亚大学），梅莉娜泰韦诺，马卡雷纳加西亚马林（空间望远镜科学研究所ESA）
首席研究员汤姆斯塔拉德教授表示：我们所看到的本质上是一个行星热泵。土星的极光加热其大气层，大气层驱动风，风产生为极光提供能量的电流，如此循环往复。这个系统是自我维持的。
几十年来，我们知道土星的表观自转速率有些异常，但无法解释原因。后来我们发现这是由大气风驱动的，但仍不清楚这些风为何存在。由JWST实现的这些新观测，终于为我们提供了所需的证据来解开这个谜团。
大气磁层耦合相互作用
除了解释土星的自转谜题外，这些结果还指出了该行星大气与其周围空间环境之间更广泛的联系。大气中发生的过程似乎会影响磁层内的状况——磁层是由土星磁场塑造的区域，而磁层反过来又会向行星反馈能量。
这种双向交换或许可以解释为何观测到的效应能在长时间内保持稳定。它还表明，类似的相互作用可能存在于其他行星上，以尚未被完全理解的方式将大气行为与空间环境联系起来。
Stallard教授补充道：这一结果改变了我们对行星大气的整体看法。如果一颗行星的大气条件能驱动气流进入周围的空间环境，那么了解其他星球平流层中发生的情况可能会揭示我们甚至还未想象到的相互作用。
参考文献：空间物理学。DOI：10.10292025JA034578
这项研究得到了科学与技术设施委员会（STFC）的支持。
相关知识
土星是太阳系八大行星之一，属于气态巨行星，体积仅次于木星，以罗马神话中的农神命名。它拥有显著的行星环系统，主要由冰和岩石碎片构成，肉眼可见。土星表面以氢、氦为主，自转速度快使赤道向外隆起呈扁球形，还拥有众多卫星，其中泰坦是太阳系唯一有浓厚大气层的卫星。
BY: Northumbria University
FY: AI
