卡西尼眼中的土星夏至

这些自然色彩视图由卡西尼号拍摄,显示了在2013年6月和2017年4月间,即土星北半球临近夏至时,土星北极地区的颜色变化情况。

图文来源:NASA/JPL-加州理工学院/表面立体成像仪/汉普顿大学

NASA卡西尼号飞船还有两个多月就将结束所有任务,但是在5月25日,这位土星探险老将完成了一个新的里程碑。土星及其卫星在那一天同时进入夏至日,这一天土星的北半球的白昼最长而南半球的白昼最短。

土星大约每15个地球年到达至点,当土星及其卫星缓慢地绕太阳运转时,南北半球也在进行季节交替。

卡西尼号在2009年春分日观测到土星的南北半球受到了相同的光照,北极有一半地区处于黑夜。春分日后,北半球白昼越来越长,南半球则滑入漫长的冬夜之中。

图文来源:NASA/JPL/空间科学研究所

到达至点并沿途,观察土星系统的季节性变化,是卡西尼第二项扩展任务“至点任务”的主要目标。

2004年,卡西尼号抵达土星执行首个四年任务,研究土星、土星环及其卫星。卡西尼号的第一项扩展任务—春分任务,是在2008年至2010年间。在此阶段,卡西尼号看到阳光照射土星环的边缘,投下的阴影显示出了戏剧般的新环状结构。NASA决定给卡西尼号增加一项为期七年的新任务,即至点任务,该任务在2010年启动。

在长达七年的任务中,卡西尼号观测到一次巨大的风暴在土星上爆发,并将土星包围。科学家们认为,此类风暴在一定程度上与阳光对土星大气层的季节性影响有关系。

图文来源:NASA/JPL/空间科学研究所

加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室的卡西尼项目科学家Linda Spilker表示:“在卡西尼的至点任务期间,我们首次近测到土星完整的季节活动。从冬季到夏季,土星系统发生了巨大的转变,感谢卡西尼号给我们俱佳的观测角度。”

在至点任务期间,卡西尼号观测到了土星上爆发了一次巨大的风暴,整个星球都被风沙包围。航天器还看到由于春季雾霾的成形,一直徘徊在远北的蓝色消失。这些雾霾或许是土星大气层的特征比木星大气层的更为黯淡的原因。

从任务中得到的数据显示,土星雾霭的形成与其上层大气的温度及化学成份的季节性变化有关。卡西尼任务的研究人员发现一些微量碳氢化合物,像乙烷、丙烷和乙炔这样的气体,对一土星年中光照变化的反应比其他物质的反应要快得多。

令研究人员更加惊讶的是,土星上的变化并非逐渐形成。他们观测到在特定纬度的土星带状大气层上,变化就在转眼之间。JPL的卡西尼影像团队成员Robert West说:“最终,整个半球都会发生变化,发生在特定纬度的突变随着季节流转,最终覆盖整个半球。”

土星环

春分之后,夏至临近,太阳升的更高,超过了土星环的北部面。随着太阳升高,光线也进入土星环的深处,将它加热到任务期间所能看到的最高温度。至点的阳光可以帮助卡西尼号的仪器设备弄清楚颗粒如何聚集,以及环形中部的粒子的成分与结构与环体外层粒子的是否不同。

土星与太阳之间角度的变换也意味着环体在至日时向地球方向有最大的倾斜。在这样的几何关系构成中,卡西尼号的无线电信号更容易透过致密的环体,传送关于环体颗粒的更高清晰度的数据资料。

泰坦星

卡西尼号也观察到土星最大的卫星—泰坦星,同样随着四季变换,偶尔意外地爆发几次云活动。在卡西尼号于2004年观测到泰坦星南极的甲烷风暴云之后,在2010年又观测到另一个朝向泰坦星赤道的巨大风暴。

2009年春分日后,卡西尼号观察到泰坦星上的云层活动从南半球向赤道移动,最终到达北半球。这些观测为泰坦星天气系统的季节性变换提供了依据。

图文来源:NASA/JPL/空间科学研究所

尽管北半球已经开始出现少量的云,科学家们仍然惊奇于云层转移所用时长,并且否认了云层模型对云层活动早在几年前就开始的预测。

“关于云层活动位置变化及其用时的观测,会为我们了解泰坦星大气层及其表面(如降雨和风的模式的季节性变化)的运作方式提供重要线索。”卡西尼号成像小组副研究员Elizabeth Turtle说,该研究小组位于马里兰州约翰霍普金斯大学应用物理实验室。

2013年,卡西尼号观测到一团雾霾和微量碳氢化合物在泰坦星南半球骤现,他们之前仅在泰坦星的北半球高纬地区出现过。这种循环显然是将新鲜的碳氢化合物从更靠近赤道的地方输送到南极,以免它们被阳光破坏,因为南极地区的冬夜正浓。

土卫二

对于土卫二来说,最重要的季节变化是南半球冬季的开始。虽然这意味着卡西尼号不能再拍摄关于地质活跃表面的日照图像,但是飞船可以更清楚地观测土卫二自身的热量。尽管这颗寒冷卫星的南极一片黑暗,卡西尼号的科学家们却能够不受太阳的影响监测那里的地形温度。这些观察有助于研究人员更好地了解泰坦星地表之下的全球海洋。这些隐蔽的海洋从泰坦的南极地区,喷射而出,形成高耸的冰塔和水汽,卡西尼号对它们进行了太空采样。

迈向最后的里程碑

土星临近夏至时,卡西尼号正处于长期任务的最后阶段(“盛大终结”)。从4月26日至9月15日的22周里,航天器在行星和冰环之间进行一系列高难度俯冲飞行。这项任务不断传回前所未有的近距离土星图像,帮助科学家们重新认识土星内部和土星环的起源 。这次任务将在9月15日卡西尼最后一次进入土星的大气层时结束。

卡西尼—惠更斯任务是NASA、ESA(欧洲航天局)和意大利航天局共同合作的项目。NASA喷气推进实验室,帕萨迪纳加州理工学院的分部之一,NASA科学任务理事会委任设计、开发和组装卡西尼号探测器。(原文编辑:Tony Greicius 翻译:烟儿 Mirai 校对:Mirai)

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责任编辑:马嘉悦
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