土星北极六边形：直上云霄

出品：科普中国

制作：haibaraemily

监制：中国科学院计算机网络信息中心

除了绚丽的环系，土星最让人着迷的可能就是北极的六边形结构了。

图：土星北极六边形。来源：NASA

尽管这个神秘的六边形总不轻易揭开它的面纱。

1981年8月，旅行者2号探测器近距离飞掠土星，但当时并没有发现北极有六边形结构。

确实，旅行者2号当时传回了很多包含了土星北极的照片，但些照片并不是正对极区拍摄的，因此很长一段时间里，人们都没有从这些被高度拉伸变形的北极照片中看出什么…直到7年后。

1988年，美国国家光学天文台的Godfrey重新处理了这些照片[1]，他将这些照片重新投影和拼接，才惊讶地发现土星的北纬77°附近居然有一个如此之大的六边形涡旋结构——

每条边长达1.38万公里，比地球的直径还要长。

图：“拼图”里发现的土星北极六边形。来源：参考文献[1]

     漫长的四季

那土星的南极有没有类似的结构呢？那时候还不知道。

因为旅行者2号飞过土星时，正逢土星南半球的冬季——整个南极都淹没在一片黑暗之中。

而旅行者2号的轨道设计只是飞掠而过，看完这一眼就再也没有回头。

是的，遥远的土星有一点和咱们的地球挺像的，那就是自转轴倾角（也就是自转轴和公转轨道面的夹角）都是20多度，这意味着土星和地球一样，也有明显的四季更迭，南北极也有极昼和极夜——只不过，土星的一年差不多有29.5个地球年那么长，也就是说，土星上的每个季节，是地球的30倍长。

当然，后来等到土星的南极从黑暗中露出脸来，一些地基天文望远镜和哈勃空间望远镜都对土星的南北极进行过观测，然而，南极并没有这样的六边形涡旋，只有一个巨大的圆形的涡旋。

也就是说，土星北极的六边形结构不管是在太阳系中，还是在土星上，都是独一无二的。

图：卡西尼号拍摄的土星南极和北极。南极有一个巨大的圆形涡旋，而北极则是一个稳定的六边形结构加上极点3°附近的一个小型涡旋。来源：NASA

然而，还是由于土星的豪华超长版四季，我们很难持续跟踪土星南北极涡旋随季节的变化，不要说一个土星年了，跟踪半个土星年（14.7个地球年）都很难。

直到卡西尼号探测器的到来。

1997年10月15日，卡西尼号发射于美国卡纳维拉尔角。

2004年6月30日，卡西尼号成功进入土星轨道，那时北半球的冬至（2002年10月）刚过去不久。

此后，卡西尼号开始了长达13年的土星探测，刷新了我们土星、土星环系和土星的多颗卫星的认识。

一直到2017年9月15日，一年前的今天。

为了避免由于轨道失控污染了土星的卫星们（尤其是土卫二这样可能具备生命存在条件的卫星），卡西尼号选择趁燃料还未耗尽之时主动撞向土星大气层坠毁来结束任务。

图：卡西尼号结束任务。来源：NASA

在这13年里，卡西尼号是叱诧整个土星系的王者。

在这13年里，卡西尼号也幸运地见证了土星的南半球如何从盛夏进入隆冬，而北半球又是如何从隆冬进入盛夏。

我们终于有了可以持续观测土星北极六边形随季节变化的机会。尤其是通过卡西尼号的复合红外光谱仪（CIRS）这个大杀器，它相当于是一个高阶版三棱镜，可以捕捉和分解近红外信号，分析不同波长的辐射强度和不同化学成分的含量变化。

图：卡西尼号的结构和它携带的复合红外光谱仪（CIRS）。来源：NASA

    北极：从冬天到春天

土星北极的六边形结构发生在哪里呢？之前认为，在土星的对流层。

和地球相似，对流层是土星最底层的大气层，土星的云都在这一层里。随着压强增加，从对流层顶部往下有三种不同的物质凝结成云：最上层是氨的冰，中间是氢硫化氨的冰，最下层是水冰。

图：土星的对流层和平流层。改编自：© 2011Pearson Education, Inc

英国莱斯特大学的Fletcher小组通过跟踪卡西尼号2004-2014年的探测数据，发现从2007-2013年底的土星北极亮温图中，北极的六边形结构和极点的小涡旋在对流层中都稳定存在[2]。

图：卡西尼号的复合红外光谱仪（CIRS）获取的土星北极对流层的亮温图。不过需要注意的一点是，这里的“亮温”，其实是一种对辐射强度的等效表达，所以虽然是“温度”，但其实并不是这个区域的实际温度。来源：参考文献[2]

而与平流层的对比亮温观测也进一步证明，这个六边形确实在对流层，因为平流层的亮温图里就没有看到任何六边形的痕迹。

图：卡西尼号的复合红外光谱仪（CIRS）获取的土星北极平流层的亮温图，没有看到任何六边形的轮廓。来源：参考文献[2]

但Fletcher小组也发现，从冬季(2004年)到春季 (2014年)这一期间，北半球表现出的季节性变化其实并不显著：尽管北半球如预期一样在慢慢变暖，但完全比不上卡西尼任务开始阶段观测到的南半球盛夏时那样的剧烈温度变化[2]。

也就是说，在那个北半球即将到来的夏天，也就是卡西尼任务最后的几年时间里(2014–2017年)，土星的北极可能会突然变得活跃。

科学家们焦急地等待着卡西尼号用最后的时光来给出答案。

   盛夏的平流层：“另一个六边形”？

2017年5月，土星北半球的夏至如期而至。

2017年9月，卡西尼号结束任务。

近期，Fletcher小组继续分析了卡西尼号最后几年的观测数据，结果不仅填补了卡西尼长达13年的极区跟踪观测的最后一点空白，还发现了更大的惊喜：

土星北极的平流层在春夏之交也突然开始显现出了和对流层六边形一样的六边形结构！这一结果发表于2018年9月3日的《自然·通讯》杂志[3]  。

图：卡西尼号的复合红外光谱仪（CIRS）获取的土星北极平流层的亮温图，从2014年10月那张开始可以看到亮温差异的六边形轮廓，红圈标出的是六边形轮廓最清晰的几张。来源：参考文献[3]。

这个平流层中的六边形会不会是自己独立形成的？可能性不大，因为它和对流层那个六边形太像了，很难想象在风云变幻的土星大气层中，会在相同位置的不同高度独立形成两个一模一样的结构。

更可能的是，土星极区的六边形结构并不仅仅局限在对流层，而是穿破了对流层与平流层的边界（也就是对流层顶），一直延伸到了平流层——

那是一个高达300公里的六边形高塔，从云层中耸立出来。

不过，这个夏季才显现出来的平流层六边形结构是一直就有的吗？我们还不能确定。由于2014年之前的平流层数据信号较弱，所以科学家们目前还无法确认这个平流层的六边形塔到底是由于季节变化到了春夏才“升上来”的，还是一直就矗立在那里。

  北极涡旋：好像确实比南极弱一点？

尽管土星北极的六边形涡旋在卡西尼任务的最后几年里确实变得更加活跃了，但即使在“巅峰”时期，土星北极温度和风的变化依然没有达到南极“巅峰”时的程度，北极大气中的一些碳氢化合物的相对含量（尤其是乙炔、甲基乙炔、丙烷、丁二炔和二氧化碳）也远低于南极，这意味着土星的北极涡旋可能确实没有南极涡旋发育得那么“成熟”。

这倒也不难理解，毕竟北半球的夏天发生在远日点附近，而南半球的夏天则发生在近日点附近，南北极在夏天的能量积累情况有所不同。

另一方面，我们对南北极气旋还有太多不了解的地方。尽管我们已经知道，土星北极的六边形结构是与自转相关的极区急流引起的，知道南北极气旋的活跃会伴随着温度的升高和大气中碳氢化合物的富集，但更具体的形成机制还不清楚。除了季节（光照）因素之外，还有很多因素会影响大气的温度和运动状态，例如大气下沉引起的温度升高、大气成分变化、乙烷和乙炔这类冷却剂的影响、大气层中的霾/气溶胶的影响…这些我们都还远远未能深入了解。

比如这次的研究还发现，在平流层较低的位置（2 mbar到100 mbar的高度之间）（越高的地方气压越小，1 bar约等于地球上的一个标准大气压），北极的观测温度与之前的理论估计比较吻合，而南极的观测温度却整体比理论值偏高，这意味着我们之前对土星大气温度的理论估计中漏掉了某种只有南极才有的热源，也意味着我们对极区温度变化机制的理解是不完备的。

图：南北极的温度随高度变化曲线，黑色实线和虚线是理论值，彩色是实际观测值。来源：参考文献[3]。

还有一种可能是，北半球在夏至之后还会继续变活跃，甚至会持续到秋分。或者说，北半球活跃期的巅峰还没有完全到来。

但很可惜的是，卡西尼号没有机会证实这一点了。

或许接下来的地基天文望远镜和空间望远镜可以做一定的后续跟进观测。

比如…作者在最后表示，也可以期待万年跳票的詹姆斯韦伯望远镜啊。（你们是认真的么？）

  后   记

终于发现原来一次推送可以发两篇文章！于是今天推送的第二篇文章补发了去年4月首发于知乎专栏的关于卡西尼号壮丽终章的介绍。

去年的今天，也就是卡西尼号坠毁的那天对蒙酱也是个重要的日子，那是我博士毕业典礼日子。当时写了一篇半是纪念卡西尼号，半是纪念自己的文章：卡西尼号||一眼二十年。

光阴荏苒，匆匆又是一年。

隙中驹、石中火、梦中身。

参考文献

[1] Godfrey, D. A.(1988). A hexagonal feature around Saturn's north pole. Icarus, 76(2), 335-356.

[2]  Fletcher, Leigh N.,et al. "Seasonal evolution of Saturn’s polar temperatures andcomposition." Icarus 250 (2015): 131-153.

[3]  Fletcher, L. N., Orton, G. S., Sinclair, J. A., Guerlet, S.,Read, P. L., Antuñano, A., ... & Hurley, J. (2018). A hexagon in Saturn’snorthern stratosphere surrounding the emerging summertime polar vortex. Nature communications, 9.

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